“那是一个黑暗且暴风雨之夜……”：利用犯罪故事应用（不限于）入门级核磁共振(NMR)波谱学

这里提出了一种以游戏为基础的最终课程环节，旨在向高中生介绍核磁共振(NMR)波谱学。其意图是以犯罪故事的形式提供游戏情节，鼓励学生团队合作，以使科学、技术、工程与数学(STEM)学科更加直观和有趣。该活动包括4至6小时的NMR波谱学入门课程，以帮助学生理解如何解析简单分子的波谱。此后，犯罪调查耗时2小时，故事以虚构报纸文本的形式逐步分发给学生。事件链条、线索以及科学调查过程中使用的方法将揭示罪犯的身份。 instructors 可以修改该故事，以向学生介绍其他分析技术。运行这一活跃的最终环节所需的所有材料，包括原始数据和电子演示文稿，均作为支持信息提供。

研究背景与开展意义

在传统以教师为中心(Teacher-centric)的科学、技术、工程与数学(STEM)学科教学模型中，教师处于课堂核心，引导学生按照课程大纲学习，几乎完全依赖教科书，个体表达或解决现实问题的空间有限。相反，在近期越来越多应用的以学生为中心(Student-centric)方法中，教师致力于唤醒学生的兴趣并巩固其学习，或简单地使课堂更具吸引力。游戏化学习（Game-based learning，即游戏是设计一部分的学习活动）和 gamification（即在学习中加入积分、排行榜、徽章等游戏元素）代表了提高师生动机、兴趣和好奇心的有效途径。此外，这类活动不一定涉及新工具或应用的使用，因为旧有活动可以以更具吸引力的方式呈现给受众。游戏通常具有一系列目标、明确的规则、故事情节元素、高度互动性和持续反馈。学生可以自由探索、尝试和失败而无后果，并利用团队合作提高沟通技能。教学用犯罪故事常被用于以促进以吸引人和刺激的方式应用知识的能力。这一主题允许使用问题解决(Problem-solving)方法，旨在培养解决问题和应对关键情况的能力，提出创造性、创新性和情境适当的解决方案。

本研究由研究人员提出，其目的是利用犯罪故事来鉴定一种分子。借鉴悬疑推理大师的手法，这里设置了一个犯罪现场，使学生作为调查者参与搜寻罪犯，而其身份将因其解析化学线索的能力而被揭露。重要的是，该活动并不旨在向学生介绍法医化学（Forensic chemistry，仅边际涉及），因为该领域极其复杂且跨学科。更准确地说，应将该标题活动视为进入核磁共振(NMR)波谱学的互动教育之旅的最终（且吸引人的）步骤。论文发表在化学教育领域权威期刊《Journal of Chemical Education》上。

主要关键技术方法

研究人员设计了一项基于角色扮演的游戏化学习活动，对象为意大利四年制技术高中（17岁）学生。该方法包括前期的理论教学阶段（NMR波谱学入门课3小时、NMR波谱习题讨论2至3小时，可选补充红外光谱(IR)和质谱(MS)入门课2至8小时），随后进行2小时的犯罪故事推演与波谱解析实践。研究人员准备了虚构的犯罪剧本（涉及三位嫌疑人教授 Roberto Radon、Laura Lantanio 和 Carlo Cobalto，关联分子为尼古丁、咖啡因和沙丁胺醇），制作了相应的 NMR、IR 和 MS 波谱数据及线索卡片作为教学材料，并设计了最终的个人测试（1小时，含^{1H NMR 积分波谱解析及概念选择题）和匿名调查问卷以评估活动效果。}

研究结果

引言(Introduction)

研究人员指出，传统的教师中心模型限制了学生在STEM学科中的真实问题解决能力，而游戏化学习（Game-based learning）和 gamification 通过目标、规则、故事、互动和反馈等元素，能有效提升学生的动机、兴趣及团队合作与沟通技能。教学用犯罪故事可作为应用知识的有效载体，培养创造性与情境化的问题解决能力。本研究提出的活动利用犯罪故事鉴定分子，实质是NMR波谱学互动教学的终极趣味环节，而非深入的法医化学训练。

活动描述(Description of the Activity)

目标(Target)

该故事及准实验活动针对面临广泛化学课程的高中学生，也可用于本科生。学生需具备光谱学概念以理解NMR波谱学基础（如电磁辐射、辐射-物质相互作用、波长与激发的关系、仪器简易构型：源、样品、检测器）。若全面应用活动，学生还应了解红外光谱(IR)和质谱(MS)基础，否则需提供相应入门课；也可利用在线资源补充。解开谜题只需理解三种技术中至少一种即可鉴定罪犯，故活动可模块化实施，无需全部使用。研究中，活动面向已学过IR光谱的四年制技术高中学生，补充NMR波谱学入门课，并可增加MS模块。

脚本(The Script)

故事设定在大学校园的正常早晨，理学院院长 Vittorio Vanadio 教授在一间教室被发现死亡。初步审讯确定三名嫌疑人（Roberto Radon 教授、Laura Lantanio 教授、Carlo Cobalto 教授），三者均有动机和机会。尸体旁留言似乎误导调查，但现场痕迹锁定凶手。每名嫌疑人可能留下与其近期接触分子（尼古丁、咖啡因或沙丁胺醇）相关的特定痕迹。学生需根据 NMR、IR 和 MS 波谱分析来确定凶手。

教学方案(Didactic Scheme)

对于已掌握IR光谱的学生，活动含4至6小时NMR波谱学入门（可结合在线资源甚至翻转课堂），另可加2至8小时IR和MS入门课。犯罪调查占2小时，学生分3至4人小组，故事按序以虚构报纸形式逐步发放，各组需建立并更新时间线。依次进行：谋案介绍、初步信息、审讯 Radon、审讯 Lantanio、审讯 Cobalto、故事更新。此时警察看似无头绪，现场破译留言似指向某人，但留言上的物质表明其为误导，真凶另有人。接着教师提供三张线索卡（对应现场可能的三种物质分子），提供证据物质的 NMR 和 IR 波谱及相关对照表，学生需判断对应分子（无需归属每个信号，只需找出兼容分子并解释）。为确认猜测，随后提供 MS 波谱。鉴定分子后，结合时间线信息可自主确定罪犯。最后教师可主持“解谜”场景（类似阿加莎·克里斯蒂笔下 Hercule Poirot 风格），或引导最终头脑风暴，让学生扮演侦探以锻炼问题解决与批判性思维及讨论能力，教师可用幻灯片总结步骤及波谱分析并讲述尾声。

进一步的最终活动(Further Final Activities)

头脑风暴步骤可包含匿名调查以评估调查成功度及活动有效性（如问卷）。过去两年收集的调查结果显示高度正向反馈，活动在参与度和学习成果上均有效；大多参与者认为挑战程度适中，理论准备足以得出结论。研究中活动在大学进行，课后学生可选向母校汇报体验。NMR波谱解析能力在项目结束通过个人测试（1小时）评估，含8道^{1H NMR 积分波谱相关的简答或选择题（附分子结构以引导化学位移和信号多重性解读），以及2道基础概念简答或选择题（如待测原子核属性、外磁场作用、屏蔽、波谱关键特征）。优秀（>8/10）、良好（6-8/10）、不满意（<6/10）的界定下，多数学生获优秀或良好，能在简单分子波谱分析中识别全部或大部分关键信号特征，掌握适合其学生水平的 foundational NMR 概念。}

变体(Variants)

故事可不提供IR或MS波谱；也可替换其他技术及相应输出（如紫外-可见(UV-vis)、拉曼(Raman)、荧光光谱；原子吸收与发射光谱；电化学分析；液相与气相色谱；联用技术），或替换物质（金属、药物、有机/无机毒物、生物痕迹）及对应分析技术，修改角色名、现场与结局，更换现场物质波谱与留言文本即可改变凶手。活动原为面对广泛化学课程的高中生设计，也可用于熟悉不同分析工具的本科生（增加技术及输出）。活动为课堂活动，也可置于 e-learning 平台作为异步独立活动，逐步解锁故事部分并给予自动反馈。活动也可用更低难度：在欧洲科研人员之夜（European Researchers’ Night）中面向无特定科学背景的不同年龄学生，此时无需解析波谱，仅需与参考波谱比对以“找不同”的方式鉴定分子和凶手。

安全注意事项(Safety Notes)

活动仅涉及简单课堂教学，未遇到意外或异常高的安全隐患。

结论(Conclusions)

研究人员报告了一种游戏化学习方法，向高中生介绍NMR波谱学或更广义的分析技术，旨在利用游戏的学习与社会益处使STEM学科更易消化和吸引人。将先前学习的概念关联并应用到准实验和现实场景中，有助于在不同学术环境中更好地同化概念。该方法的较不足方面是仍包含便于教师的传统教育成分（如教师的 moderator 角色、讲座），但为解决问题遵循的程序建议降低了（但未消除）学生的自主程度和决策能力。活动被定制为独立的简短体验，而非完整游戏化课程的一部分，可由不同教师在一年中不同时期提案给独立高中学生小组。迄今过去两年已提供给约40名技术高中学生。活动在大学进行，包括研究人员的两节NMR波谱学入门课及第三节课的游戏环节。虽然调查的真正目的不是找出凶手，而是理解波谱背后的分子并激发学习体验的乐趣，但能找出凶手的小组数量量化了活动的成功。活动具有吸引力，参与通常具互动性；团队合作受鼓励，每组成员必须共同寻找故事文本中的线索并解析波谱（至少归属最相关信号）以鉴定分子及凶手。

伦理考量(Ethics Considerations)

该项目涉及技术高中学生，在意大利大学与研究部(MUR)教育计划“Piano Lauree Scientifiche”(PLS) 和 “Percorsi per le competenze trasversali e per l’orientamento”(PCTO，由意大利法律 No. 53/2003 和 No. 145/2018 确立)框架内进行。PCTO 是强制性教育计划，使高中生强化学校所学知识，通过实践经验逐步增强自我认知，帮助实现个人与社会规划；PLS 旨在刺激对STEM学科的兴趣并鼓励注册科学学位课程。开展活动前，学校与大学签订了特定培训协议，界定活动特征、持续时间、自愿参与学生名单、参与学生保险详情及安全与隐私说明。活动经东皮埃蒙特大学(Uiversità del Piemonte Orientale)伦理委员会批准。未包含参与者数据（即便非敏感且匿名化），仅报告结果的一般讨论。

研究结论总结

研究人员开发并实施了以犯罪故事为情节的游戏化学习环节，作为高中生NMR波谱学（及可选IR、MS）教学的终端实践活动。该环节通过角色扮演、逐步披露的故事文本、时间线构建、波谱解析（NMR/IR/MS）及分子鉴定来锁定“凶手”，促进学生团队合作、问题解决能力与概念应用。活动可模块化、可变体调整（技术、物质、难度、线上化），并附带完整支持材料。反馈调查显示活动高度吸引学生，挑战适中，理论准备足够；后续测试表明学生能有效解析简单^{1H NMR波谱并掌握基础概念。该方法为STEM学科特别是分析波谱技术教学提供了可操作、可迁移的互动教学案例。}