陳勇，陳佩東，尹蓮

（南京中醫(yī)藥大學 藥學院，江蘇南京 210023）

自2015年我國科學家屠呦呦關于青蒿素的研究獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎以來，國內外再次掀起了研究中藥與天然藥物有效成分的熱潮。天然產物研究的一項重要內容是運用現(xiàn)代有機波譜技術進行化學結構的鑒定。有機波譜分析是藥學和中藥學類專業(yè)的必修課程之一，是利用現(xiàn)代波譜技術和方法，對有機化合物的結構進行分析和鑒定，從分子水平上認知化合物，是后續(xù)學習天然藥物化學、中藥化學、中藥分析以及藥物分析等課程的專業(yè)基礎課。通過課程學習，在專業(yè)技能方面，要求學生熟悉各種光譜信息與化合物結構之間的關系，正確解釋各種有機波譜譜圖信息，最終推導確定有機化合物的結構。為學生以后從事藥物研究與開發(fā)、藥物生產、藥品質量控制以及監(jiān)督管理等工作奠定專業(yè)基礎。

有機波譜分析課程的教學內容具有抽象、復雜、交叉性的特點[1]。在教學過程中，為了揭示普遍規(guī)律以及方便教學，經(jīng)常使用簡單的有機小分子結構作為實例進行波譜解析教學。天然產物是藥物開發(fā)的寶庫，全球超過一半的上市藥物來源于天然產物及其衍生物[2]。將天然藥物化學或中藥化學課程與有機波譜分析課程進行融合教學，在教學過程中引入經(jīng)典的天然產物結構作為解析實例，可以激發(fā)學生的學習興趣，同時提高兩門課程的學習效果[3]。然而天然藥物結構復雜多樣，近年來發(fā)現(xiàn)的新骨架化合物絕大多數(shù)不屬于經(jīng)典的天然產物結構類型[4]，未知骨架的天然產物結構解析是一項系統(tǒng)而復雜的過程。因此，很多學生到了研究生階段或工作實際環(huán)境中，無法將所學的知識靈活地運用于實際的天然產物結構解析，從而反映出有機波譜分析課程課堂教學與生產實際存在一定的脫節(jié)。為了解決這個問題，本文進行了有機波譜課程的教學探索，緊扣學科發(fā)展前沿，以任務為導向，旨在實現(xiàn)學生課堂理論知識學習、自主性學習以及解決實際問題能力的提升。

1 任務型教學法

任務型教學法是一種基于任務，或以任務為基礎的教學途徑[5]。該教學方法興起于20世紀80年代，最初廣泛應用于語言學類課程的教學實踐中，后來不斷地被應用于其他類型的課程，取得了良好的教學效果[6]。在教學過程中，為學生安排合適難度的任務，通過課堂教學與學生的自主性學習，借助多種信息獲取渠道，分工合作，最終共同完成任務，達到教學目的和鍛煉學生綜合能力的效果。在這種教學模式下，教師的“教”和學生的“學”都圍繞解決任務而展開，強調在“做中學”。

運用任務型教學法可以充分發(fā)揮學生的學習主體作用。為了完成任務，學生一方面主動地吸收、運用課堂教學的知識，另一方面自主學習解決任務所需的課外知識。在此訓練過程中，學生的學習主觀能動性、思考以及知識的重新構建能力得到了提升，產生一種學習應用于實踐的效果。隨著學習的不斷推進，學生通過自己努力解決任務后獲得的成就感，是其在課堂教學中無法收獲的，這將極大地增強學生的自信心。學生在解決任務過程中，難免會遇到困難，通過分工合作、相互溝通來解決任務，可鍛煉其團隊精神、探索精神及意志力。

全世界每年有大量的結構新穎的天然產物被發(fā)現(xiàn)，在結構鑒定過程中，不斷有新技術與新方法被開發(fā)出來。在有機波譜課程教學中，組織學生選擇教學科研或生產實際過程中發(fā)現(xiàn)的新天然產物作為結構解析任務的對象，盡量模擬真實環(huán)境，可以縮小課堂教學與學科前沿以及生產實際的差距，使學生在學校學習的知識和技能在今后的實際工作環(huán)境中能夠得到應用，提高學生解決實際問題的能力。

2 任務型教學法的實施

2.1 提出任務

任務是整體教學活動的一部分[7]。任務設計需以學生的學習目標達成為中心，面向學生的學習需求，緊緊圍繞課程總體目標，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有機化合物的結構。因此，在課程學習的開始，教師提出本課程的總任務為：運用有機波譜技術來解析1 個新的天然產物，引導學生通過文獻查閱，選擇近五年發(fā)表在天然產物領域權威期刊上的新天然產物，作為完成這個任務的對象。

教師可視任務的難易程度，進一步圍繞主任務設計多個子任務。不同的子任務可以難度平行，也可以復雜程度遞增。通過完成子任務逐步完成主任務，或者通過完成子任務逐步掌握解決主任務的方法技能。特別是主任務的解決需要用到多個章節(jié)教學知識點時，應根據(jù)課堂教學的進度安排，將主任務分解為多個子任務，分別對應不同的教學知識點。學生要完成“運用有機波譜技術來解析1 個新的天然產物”這個主任務，需要使用各種有機波譜分析技術，如紫外光譜、紅外光譜、質譜、核磁共振等技術。這些波譜技術可分別反映結構的某些特征，如紫外光譜反映結構中的共軛信息，紅外光譜反映結構中的特殊官能團信息，質譜反映化合物的元素組成信息，核磁共振譜反映結構中元素的化學環(huán)境信息。在天然產物結構解析時，這些有機波譜技術相互之間具有不可替代性。

在課程教學過程中，為了達成每種有機波譜技術的教學目標，可將總任務分析成多個子任務。如在緒論教學過程中，提出子任務：總結該新化合物結構解析過程中所運用的有機波譜技術，對應的知識目標為熟悉結構鑒定中常用的測試技術；在核磁共振氫譜的教學過程中，提出子任務：歸屬該新化合物結構中的氫的化學位移，對應的知識目標為掌握不同原子基團在核磁共振氫譜中的化學位移及耦合常數(shù)的概念及應用。學生在進行每個章節(jié)的學習后，通過解決子任務，逐漸獲得解決總任務所需的知識儲備，為解決總任務奠定基礎。

2.2 自主學習

任務具有信息差的特點[5]。完成任務的過程，就是通過不斷的學習、消除信息差的過程。在有機波譜分析課程的教學中，采用任務型教學法的主要目的，就是要消除課堂理論教學內容與學生今后科研或生產實際問題脫節(jié)的問題。將天然藥物化學相關學科及產業(yè)的研究過程中解析新天然產物結構的實際問題作為學生的學習任務，在課程推進過程中，應當著重培養(yǎng)學生分析問題的能力，引導學生分析：完成任務除了需要課堂教學的知識外，還要用到哪些知識能力。在學生的自主學習過程中，要充分發(fā)揮網(wǎng)絡學習資源的作用[8]。這些資源包括有：有機波譜譜圖數(shù)據(jù)庫，比如開放的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫SDBS：NIMC 有機物譜圖庫以及商業(yè)數(shù)據(jù)庫微譜數(shù)據(jù)庫；還有網(wǎng)絡教學資源，比如中國大學MOOC 的系列在線波譜分析課程，以及可汗學院的Spectroscopy 課程。

在實際工作中，解析復雜天然產物結構時，往往會推測出多個可能的結構，而這些結構沒有實際的核磁譜圖分別去驗證。課堂教學過程中會介紹經(jīng)驗公式計算，但這些基于簡單結構總結的經(jīng)驗在面對復雜的天然產物時，往往難以應用或達不到好的效果。這時就需要借助一些專業(yè)的化學軟件，快捷方便地去模擬波譜數(shù)據(jù)。教師可指導學生自主地學習ChemDraw、MestRenova 等專業(yè)軟件[9]。運用這些軟件及網(wǎng)絡資源上的數(shù)據(jù)庫，學生可自主探索與任務目標成分有相似結構的波譜數(shù)據(jù)特征，更加真實地反映科學研究以及實際工作的情況，促進理論教學與實際環(huán)境的融合[10]。

2.3 成果展示

在前期解決任務的過程中，學生已經(jīng)通過自主性學習，利用網(wǎng)絡或其他方式獲得了新的知識。在成果展示階段，應充分發(fā)揮學生的主體作用，讓其充分享受解決任務后帶來的滿足感。因此適宜采用翻轉課堂的模式，學生以PPT 展示的方式，闡述所選定的新合物結構解析過程，分析作者的解析思路，提出自己的思考，并作出“自評”。教師及學生對匯報的內容進行“師生”評價以及“生生”評價。

學生在“自評”時，主要從解決任務所需的課堂教學知識、自主獲取知識、學習體會以及授課建議四個方面展開。在課堂活動的組織方面，教師要在“師生”評價階段，注重引導學生進一步發(fā)現(xiàn)實際問題。不同結構類型的化合物，在結構解析時，對各種波譜技術應用的側重不盡相同，除了應用常規(guī)的波譜儀器測試數(shù)據(jù)，還會恰當?shù)剡\用化學衍生、計算碳譜等輔助手段；在“生生”評價階段，及時解答學生的疑惑，比如有些學生發(fā)現(xiàn)文獻中的譜圖有雜峰，提出為什么不純樣品的譜圖也可以應用于結構解析。這時，教師要結合實際的工作情況，向學生解釋樣品的純度不夠、溶劑殘留或者結構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構解析，要視具體情況而定。

2.4 實施成效

本課程團隊運用任務型教學法，在生物制藥專業(yè)進行了3年的教學實踐，取得了良好的教學效果，課程考試的優(yōu)秀率由58.3%上升至77.2%。學生普遍反映，在明確了任務后，為了能夠更好地完成任務目標，上課時會更加注重知識的理解，而不是死記硬背。一個特別明顯的變化是，課堂上學生更加積極地參與討論，課后主動找教師討論問題的學生也越來越多。在以往的考試過程中，得分率最低的題型為綜合解譜題，這種題型要求學生能夠綜合運用各種光譜譜圖中的信息，推導出結構碎片，最終拼接并確定有機化合物的結構，考查的是學生的綜合能力。采用新的教學方法后，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方法拉近了課堂教學與生產研究實踐的距離，提高了學生綜合解決實際問題的能力。

在教學反思時，多數(shù)學生覺得在新教學模式下，在確定任務的過程中，通過大量學科前沿文獻的查閱，拓寬了他們的知識面，了解了學科發(fā)展的前沿信息，也進一步明確了本門課程在學科發(fā)展中的地位，這些都是傳統(tǒng)課堂教學難以達到的教學效果。通過新的教學方法，學生利用已有的知識儲備，通過自主探索解決了實際問題，從而激發(fā)了學習熱情，提高了自主學習的能力。同時，通過分組合作，還培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作精神。

3 存在的問題及建議

3.1 任務難度

當學生設定好總任務后，教師必須對任務的難度進行評估。任務既要有一定的難度，也要和教學實際高度關聯(lián)[11]，具有可操作性，以便于學生通過課堂學習以及適量的自主學習后，可以達成任務目標。天然產物結構復雜，當有些結構無法通過單晶確定絕對構型時，會采用大量的計算來輔助結構解析。計算機輔助結構解析技術并非有機波譜分析課程的教學內容，而且在計算化合物結構參數(shù)時，需要使用大型的商業(yè)軟件，如Gaussian 軟件。相關軟件的使用需要豐富的專業(yè)知識和相應的計算機硬件設施。因此選擇這樣的任務會超出學生的知識儲備，而當超出的部分無法通過短期的自主性學習來掌握時，就會影響任務的達成，從而會降低學生的成就感。

教師可以建立“天然產物波譜庫”[6]，并進行實時更新。國際著名的天然產物期刊《Natural Product Reports》每兩個月會刊出一篇《Hot off the Press》論文，藥學學報雜志也會定期刊出中藥與天然產物研究的亮點[4]。教師可以從中選擇天然產物領域最新的結構信息。近年來發(fā)現(xiàn)的新骨架類型天然產物，往往結構復雜、聚合程度高，其有機波譜數(shù)據(jù)量大，任務難度較大。但是在教學過程中，不可因難度較高而不選擇這些合物作為結構解析任務的對象，因為這將是今后學生在科研或生產實際工作環(huán)境中要面對的真實情況，尋找一些簡單的任務將達不到教學效果。同時教師也要在“天然產物波譜庫”中及時補充一些經(jīng)典結構類型的新天然產物，控制好經(jīng)典天然產物與新穎結構類型化合物之間的比例，作為任務來源供學生選擇參考。

3.2 及時指導

任務型教學法應充分貫徹“以學生為中心”的教育理念，以學生為主體[12]。因為教材內容與學科前沿往往具有不可避免的滯后性，而受課時的限制，在課堂中教師無法教授學生完成任務時所需的所有知識。為了縮小課堂教學與生產實際情況的差距，任務需要解決現(xiàn)實問題，往往需要更全面的知識結構。因此，教師要及時掌握學生完成任務的動態(tài)，預測任務實施過程中可能出現(xiàn)的問題，并引導學生制訂解決方案。

近年來，期刊上發(fā)表新天然產物結構解析的文章，一般都會運用二維核磁共振技術[13,14]。因為課時的限制，很多本科院校的有機波譜分析課程課堂教學并不會涉及這部分知識點的傳授，從而導致學生在后續(xù)科研或生產實際工作中，解析復雜天然產物時，出現(xiàn)知識儲備不夠的現(xiàn)象。學生在完成核磁共振氫譜及碳譜學習后，已經(jīng)具備了自學二維核磁共振所需的相關理論的基礎。這時可以安排一定的自主性學習課時，引導學生學習二維核磁共振的相關知識，并及時解答學生遇到的問題。

在此過程中，教師可以利用在線教學平臺等相關信息化平臺，為學生搭建任務分享平臺，實時監(jiān)測任務完成進度，輔助任務的執(zhí)行以及任務結果的反饋與評價。分工合作是完成任務的有效手段之一，在任務型教學模式下，除了要達成學習知識、鍛煉能力的目標，教師還要鼓勵學生分工合作、加強交流，培養(yǎng)學生的團隊合作精神。