陳勇，陳佩東，尹蓮

（南京中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇南京 210023）

自2015年我國(guó)科學(xué)家屠呦呦關(guān)于青蒿素的研究獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以來，國(guó)內(nèi)外再次掀起了研究中藥與天然藥物有效成分的熱潮。天然產(chǎn)物研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容是運(yùn)用現(xiàn)代有機(jī)波譜技術(shù)進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的鑒定。有機(jī)波譜分析是藥學(xué)和中藥學(xué)類專業(yè)的必修課程之一，是利用現(xiàn)代波譜技術(shù)和方法，對(duì)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和鑒定，從分子水平上認(rèn)知化合物，是后續(xù)學(xué)習(xí)天然藥物化學(xué)、中藥化學(xué)、中藥分析以及藥物分析等課程的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過課程學(xué)習(xí)，在專業(yè)技能方面，要求學(xué)生熟悉各種光譜信息與化合物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，正確解釋各種有機(jī)波譜譜圖信息，最終推導(dǎo)確定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)。為學(xué)生以后從事藥物研究與開發(fā)、藥物生產(chǎn)、藥品質(zhì)量控制以及監(jiān)督管理等工作奠定專業(yè)基礎(chǔ)。

有機(jī)波譜分析課程的教學(xué)內(nèi)容具有抽象、復(fù)雜、交叉性的特點(diǎn)[1]。在教學(xué)過程中，為了揭示普遍規(guī)律以及方便教學(xué)，經(jīng)常使用簡(jiǎn)單的有機(jī)小分子結(jié)構(gòu)作為實(shí)例進(jìn)行波譜解析教學(xué)。天然產(chǎn)物是藥物開發(fā)的寶庫，全球超過一半的上市藥物來源于天然產(chǎn)物及其衍生物[2]。將天然藥物化學(xué)或中藥化學(xué)課程與有機(jī)波譜分析課程進(jìn)行融合教學(xué)，在教學(xué)過程中引入經(jīng)典的天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)作為解析實(shí)例，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高兩門課程的學(xué)習(xí)效果[3]。然而天然藥物結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，近年來發(fā)現(xiàn)的新骨架化合物絕大多數(shù)不屬于經(jīng)典的天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類型[4]，未知骨架的天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)解析是一項(xiàng)系統(tǒng)而復(fù)雜的過程。因此，很多學(xué)生到了研究生階段或工作實(shí)際環(huán)境中，無法將所學(xué)的知識(shí)靈活地運(yùn)用于實(shí)際的天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)解析，從而反映出有機(jī)波譜分析課程課堂教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際存在一定的脫節(jié)。為了解決這個(gè)問題，本文進(jìn)行了有機(jī)波譜課程的教學(xué)探索，緊扣學(xué)科發(fā)展前沿，以任務(wù)為導(dǎo)向，旨在實(shí)現(xiàn)學(xué)生課堂理論知識(shí)學(xué)習(xí)、自主性學(xué)習(xí)以及解決實(shí)際問題能力的提升。

1 任務(wù)型教學(xué)法

任務(wù)型教學(xué)法是一種基于任務(wù)，或以任務(wù)為基礎(chǔ)的教學(xué)途徑[5]。該教學(xué)方法興起于20世紀(jì)80年代，最初廣泛應(yīng)用于語言學(xué)類課程的教學(xué)實(shí)踐中，后來不斷地被應(yīng)用于其他類型的課程，取得了良好的教學(xué)效果[6]。在教學(xué)過程中，為學(xué)生安排合適難度的任務(wù)，通過課堂教學(xué)與學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)，借助多種信息獲取渠道，分工合作，最終共同完成任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目的和鍛煉學(xué)生綜合能力的效果。在這種教學(xué)模式下，教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”都圍繞解決任務(wù)而展開，強(qiáng)調(diào)在“做中學(xué)”。

運(yùn)用任務(wù)型教學(xué)法可以充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用。為了完成任務(wù)，學(xué)生一方面主動(dòng)地吸收、運(yùn)用課堂教學(xué)的知識(shí)，另一方面自主學(xué)習(xí)解決任務(wù)所需的課外知識(shí)。在此訓(xùn)練過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性、思考以及知識(shí)的重新構(gòu)建能力得到了提升，產(chǎn)生一種學(xué)習(xí)應(yīng)用于實(shí)踐的效果。隨著學(xué)習(xí)的不斷推進(jìn)，學(xué)生通過自己努力解決任務(wù)后獲得的成就感，是其在課堂教學(xué)中無法收獲的，這將極大地增強(qiáng)學(xué)生的自信心。學(xué)生在解決任務(wù)過程中，難免會(huì)遇到困難，通過分工合作、相互溝通來解決任務(wù)，可鍛煉其團(tuán)隊(duì)精神、探索精神及意志力。

全世界每年有大量的結(jié)構(gòu)新穎的天然產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)鑒定過程中，不斷有新技術(shù)與新方法被開發(fā)出來。在有機(jī)波譜課程教學(xué)中，組織學(xué)生選擇教學(xué)科研或生產(chǎn)實(shí)際過程中發(fā)現(xiàn)的新天然產(chǎn)物作為結(jié)構(gòu)解析任務(wù)的對(duì)象，盡量模擬真實(shí)環(huán)境，可以縮小課堂教學(xué)與學(xué)科前沿以及生產(chǎn)實(shí)際的差距，使學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的知識(shí)和技能在今后的實(shí)際工作環(huán)境中能夠得到應(yīng)用，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2 任務(wù)型教學(xué)法的實(shí)施

2.1 提出任務(wù)

任務(wù)是整體教學(xué)活動(dòng)的一部分[7]。任務(wù)設(shè)計(jì)需以學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成為中心，面向?qū)W生的學(xué)習(xí)需求，緊緊圍繞課程總體目標(biāo)，即正確解釋各種波譜譜圖數(shù)據(jù)信息，最終利用這些信息推導(dǎo)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)。因此，在課程學(xué)習(xí)的開始，教師提出本課程的總?cè)蝿?wù)為：運(yùn)用有機(jī)波譜技術(shù)來解析1 個(gè)新的天然產(chǎn)物，引導(dǎo)學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱，選擇近五年發(fā)表在天然產(chǎn)物領(lǐng)域權(quán)威期刊上的新天然產(chǎn)物，作為完成這個(gè)任務(wù)的對(duì)象。

教師可視任務(wù)的難易程度，進(jìn)一步圍繞主任務(wù)設(shè)計(jì)多個(gè)子任務(wù)。不同的子任務(wù)可以難度平行，也可以復(fù)雜程度遞增。通過完成子任務(wù)逐步完成主任務(wù)，或者通過完成子任務(wù)逐步掌握解決主任務(wù)的方法技能。特別是主任務(wù)的解決需要用到多個(gè)章節(jié)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)課堂教學(xué)的進(jìn)度安排，將主任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)不同的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生要完成“運(yùn)用有機(jī)波譜技術(shù)來解析1 個(gè)新的天然產(chǎn)物”這個(gè)主任務(wù)，需要使用各種有機(jī)波譜分析技術(shù)，如紫外光譜、紅外光譜、質(zhì)譜、核磁共振等技術(shù)。這些波譜技術(shù)可分別反映結(jié)構(gòu)的某些特征，如紫外光譜反映結(jié)構(gòu)中的共軛信息，紅外光譜反映結(jié)構(gòu)中的特殊官能團(tuán)信息，質(zhì)譜反映化合物的元素組成信息，核磁共振譜反映結(jié)構(gòu)中元素的化學(xué)環(huán)境信息。在天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)解析時(shí)，這些有機(jī)波譜技術(shù)相互之間具有不可替代性。

在課程教學(xué)過程中，為了達(dá)成每種有機(jī)波譜技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)，可將總?cè)蝿?wù)分析成多個(gè)子任務(wù)。如在緒論教學(xué)過程中，提出子任務(wù)：總結(jié)該新化合物結(jié)構(gòu)解析過程中所運(yùn)用的有機(jī)波譜技術(shù)，對(duì)應(yīng)的知識(shí)目標(biāo)為熟悉結(jié)構(gòu)鑒定中常用的測(cè)試技術(shù)；在核磁共振氫譜的教學(xué)過程中，提出子任務(wù)：歸屬該新化合物結(jié)構(gòu)中的氫的化學(xué)位移，對(duì)應(yīng)的知識(shí)目標(biāo)為掌握不同原子基團(tuán)在核磁共振氫譜中的化學(xué)位移及耦合常數(shù)的概念及應(yīng)用。學(xué)生在進(jìn)行每個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)后，通過解決子任務(wù)，逐漸獲得解決總?cè)蝿?wù)所需的知識(shí)儲(chǔ)備，為解決總?cè)蝿?wù)奠定基礎(chǔ)。

2.2 自主學(xué)習(xí)

任務(wù)具有信息差的特點(diǎn)[5]。完成任務(wù)的過程，就是通過不斷的學(xué)習(xí)、消除信息差的過程。在有機(jī)波譜分析課程的教學(xué)中，采用任務(wù)型教學(xué)法的主要目的，就是要消除課堂理論教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生今后科研或生產(chǎn)實(shí)際問題脫節(jié)的問題。將天然藥物化學(xué)相關(guān)學(xué)科及產(chǎn)業(yè)的研究過程中解析新天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的實(shí)際問題作為學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，在課程推進(jìn)過程中，應(yīng)當(dāng)著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生分析：完成任務(wù)除了需要課堂教學(xué)的知識(shí)外，還要用到哪些知識(shí)能力。在學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程中，要充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的作用[8]。這些資源包括有：有機(jī)波譜譜圖數(shù)據(jù)庫，比如開放的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SDBS：NIMC 有機(jī)物譜圖庫以及商業(yè)數(shù)據(jù)庫微譜數(shù)據(jù)庫；還有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，比如中國(guó)大學(xué)MOOC 的系列在線波譜分析課程，以及可汗學(xué)院的Spectroscopy 課程。

在實(shí)際工作中，解析復(fù)雜天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)時(shí)，往往會(huì)推測(cè)出多個(gè)可能的結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)沒有實(shí)際的核磁譜圖分別去驗(yàn)證。課堂教學(xué)過程中會(huì)介紹經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，但這些基于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)在面對(duì)復(fù)雜的天然產(chǎn)物時(shí)，往往難以應(yīng)用或達(dá)不到好的效果。這時(shí)就需要借助一些專業(yè)的化學(xué)軟件，快捷方便地去模擬波譜數(shù)據(jù)。教師可指導(dǎo)學(xué)生自主地學(xué)習(xí)ChemDraw、MestRenova 等專業(yè)軟件[9]。運(yùn)用這些軟件及網(wǎng)絡(luò)資源上的數(shù)據(jù)庫，學(xué)生可自主探索與任務(wù)目標(biāo)成分有相似結(jié)構(gòu)的波譜數(shù)據(jù)特征，更加真實(shí)地反映科學(xué)研究以及實(shí)際工作的情況，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)際環(huán)境的融合[10]。

2.3 成果展示

在前期解決任務(wù)的過程中，學(xué)生已經(jīng)通過自主性學(xué)習(xí)，利用網(wǎng)絡(luò)或其他方式獲得了新的知識(shí)。在成果展示階段，應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓其充分享受解決任務(wù)后帶來的滿足感。因此適宜采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式，學(xué)生以PPT 展示的方式，闡述所選定的新合物結(jié)構(gòu)解析過程，分析作者的解析思路，提出自己的思考，并作出“自評(píng)”。教師及學(xué)生對(duì)匯報(bào)的內(nèi)容進(jìn)行“師生”評(píng)價(jià)以及“生生”評(píng)價(jià)。

學(xué)生在“自評(píng)”時(shí)，主要從解決任務(wù)所需的課堂教學(xué)知識(shí)、自主獲取知識(shí)、學(xué)習(xí)體會(huì)以及授課建議四個(gè)方面展開。在課堂活動(dòng)的組織方面，教師要在“師生”評(píng)價(jià)階段，注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)實(shí)際問題。不同結(jié)構(gòu)類型的化合物，在結(jié)構(gòu)解析時(shí)，對(duì)各種波譜技術(shù)應(yīng)用的側(cè)重不盡相同，除了應(yīng)用常規(guī)的波譜儀器測(cè)試數(shù)據(jù)，還會(huì)恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用化學(xué)衍生、計(jì)算碳譜等輔助手段；在“生生”評(píng)價(jià)階段，及時(shí)解答學(xué)生的疑惑，比如有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中的譜圖有雜峰，提出為什么不純樣品的譜圖也可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)解析。這時(shí)，教師要結(jié)合實(shí)際的工作情況，向?qū)W生解釋樣品的純度不夠、溶劑殘留或者結(jié)構(gòu)互變等情況都可以引起譜圖出現(xiàn)雜峰，這樣的譜圖能否用于結(jié)構(gòu)解析，要視具體情況而定。

2.4 實(shí)施成效

本課程團(tuán)隊(duì)運(yùn)用任務(wù)型教學(xué)法，在生物制藥專業(yè)進(jìn)行了3年的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果，課程考試的優(yōu)秀率由58.3%上升至77.2%。學(xué)生普遍反映，在明確了任務(wù)后，為了能夠更好地完成任務(wù)目標(biāo)，上課時(shí)會(huì)更加注重知識(shí)的理解，而不是死記硬背。一個(gè)特別明顯的變化是，課堂上學(xué)生更加積極地參與討論，課后主動(dòng)找教師討論問題的學(xué)生也越來越多。在以往的考試過程中，得分率最低的題型為綜合解譜題，這種題型要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用各種光譜譜圖中的信息，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)碎片，最終拼接并確定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，考查的是學(xué)生的綜合能力。采用新的教學(xué)方法后，該題型的平均得分率由66.7%提升到80.0%。充分說明了新的教學(xué)方法拉近了課堂教學(xué)與生產(chǎn)研究實(shí)踐的距離，提高了學(xué)生綜合解決實(shí)際問題的能力。

在教學(xué)反思時(shí)，多數(shù)學(xué)生覺得在新教學(xué)模式下，在確定任務(wù)的過程中，通過大量學(xué)科前沿文獻(xiàn)的查閱，拓寬了他們的知識(shí)面，了解了學(xué)科發(fā)展的前沿信息，也進(jìn)一步明確了本門課程在學(xué)科發(fā)展中的地位，這些都是傳統(tǒng)課堂教學(xué)難以達(dá)到的教學(xué)效果。通過新的教學(xué)方法，學(xué)生利用已有的知識(shí)儲(chǔ)備，通過自主探索解決了實(shí)際問題，從而激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，提高了自主學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)，通過分組合作，還培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

3 存在的問題及建議

3.1 任務(wù)難度

當(dāng)學(xué)生設(shè)定好總?cè)蝿?wù)后，教師必須對(duì)任務(wù)的難度進(jìn)行評(píng)估。任務(wù)既要有一定的難度，也要和教學(xué)實(shí)際高度關(guān)聯(lián)[11]，具有可操作性，以便于學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)以及適量的自主學(xué)習(xí)后，可以達(dá)成任務(wù)目標(biāo)。天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)有些結(jié)構(gòu)無法通過單晶確定絕對(duì)構(gòu)型時(shí)，會(huì)采用大量的計(jì)算來輔助結(jié)構(gòu)解析。計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析技術(shù)并非有機(jī)波譜分析課程的教學(xué)內(nèi)容，而且在計(jì)算化合物結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，需要使用大型的商業(yè)軟件，如Gaussian 軟件。相關(guān)軟件的使用需要豐富的專業(yè)知識(shí)和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)施。因此選擇這樣的任務(wù)會(huì)超出學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，而當(dāng)超出的部分無法通過短期的自主性學(xué)習(xí)來掌握時(shí)，就會(huì)影響任務(wù)的達(dá)成，從而會(huì)降低學(xué)生的成就感。

教師可以建立“天然產(chǎn)物波譜庫”[6]，并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。國(guó)際著名的天然產(chǎn)物期刊《Natural Product Reports》每?jī)蓚€(gè)月會(huì)刊出一篇《Hot off the Press》論文，藥學(xué)學(xué)報(bào)雜志也會(huì)定期刊出中藥與天然產(chǎn)物研究的亮點(diǎn)[4]。教師可以從中選擇天然產(chǎn)物領(lǐng)域最新的結(jié)構(gòu)信息。近年來發(fā)現(xiàn)的新骨架類型天然產(chǎn)物，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聚合程度高，其有機(jī)波譜數(shù)據(jù)量大，任務(wù)難度較大。但是在教學(xué)過程中，不可因難度較高而不選擇這些合物作為結(jié)構(gòu)解析任務(wù)的對(duì)象，因?yàn)檫@將是今后學(xué)生在科研或生產(chǎn)實(shí)際工作環(huán)境中要面對(duì)的真實(shí)情況，尋找一些簡(jiǎn)單的任務(wù)將達(dá)不到教學(xué)效果。同時(shí)教師也要在“天然產(chǎn)物波譜庫”中及時(shí)補(bǔ)充一些經(jīng)典結(jié)構(gòu)類型的新天然產(chǎn)物，控制好經(jīng)典天然產(chǎn)物與新穎結(jié)構(gòu)類型化合物之間的比例，作為任務(wù)來源供學(xué)生選擇參考。

3.2 及時(shí)指導(dǎo)

任務(wù)型教學(xué)法應(yīng)充分貫徹“以學(xué)生為中心”的教育理念，以學(xué)生為主體[12]。因?yàn)榻滩膬?nèi)容與學(xué)科前沿往往具有不可避免的滯后性，而受課時(shí)的限制，在課堂中教師無法教授學(xué)生完成任務(wù)時(shí)所需的所有知識(shí)。為了縮小課堂教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際情況的差距，任務(wù)需要解決現(xiàn)實(shí)問題，往往需要更全面的知識(shí)結(jié)構(gòu)。因此，教師要及時(shí)掌握學(xué)生完成任務(wù)的動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)任務(wù)實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的問題，并引導(dǎo)學(xué)生制訂解決方案。

近年來，期刊上發(fā)表新天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)解析的文章，一般都會(huì)運(yùn)用二維核磁共振技術(shù)[13,14]。因?yàn)檎n時(shí)的限制，很多本科院校的有機(jī)波譜分析課程課堂教學(xué)并不會(huì)涉及這部分知識(shí)點(diǎn)的傳授，從而導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)科研或生產(chǎn)實(shí)際工作中，解析復(fù)雜天然產(chǎn)物時(shí)，出現(xiàn)知識(shí)儲(chǔ)備不夠的現(xiàn)象。學(xué)生在完成核磁共振氫譜及碳譜學(xué)習(xí)后，已經(jīng)具備了自學(xué)二維核磁共振所需的相關(guān)理論的基礎(chǔ)。這時(shí)可以安排一定的自主性學(xué)習(xí)課時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)二維核磁共振的相關(guān)知識(shí)，并及時(shí)解答學(xué)生遇到的問題。

在此過程中，教師可以利用在線教學(xué)平臺(tái)等相關(guān)信息化平臺(tái)，為學(xué)生搭建任務(wù)分享平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)完成進(jìn)度，輔助任務(wù)的執(zhí)行以及任務(wù)結(jié)果的反饋與評(píng)價(jià)。分工合作是完成任務(wù)的有效手段之一，在任務(wù)型教學(xué)模式下，除了要達(dá)成學(xué)習(xí)知識(shí)、鍛煉能力的目標(biāo)，教師還要鼓勵(lì)學(xué)生分工合作、加強(qiáng)交流，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。