淺談藥物化學設(shè)計性實驗教學方案的構(gòu)建與實施

鐘霞 張俊清 任兆平 高炳淼 陳年根 黃艷

[摘 要] 我國現(xiàn)行藥物化學相關(guān)實驗教材中實驗內(nèi)容多以驗證性實驗為主，設(shè)計性實驗所占的比例不足，缺乏對于學生創(chuàng)新能力和綜合能力的培養(yǎng)。在藥物化學實驗中增加一些設(shè)計性實驗的教學內(nèi)容是對現(xiàn)有實驗課程的一次有益的探索。設(shè)計性實驗教學方案的構(gòu)建和實施需要從選擇課題、設(shè)計方案、準備實驗、實施實驗及分析結(jié)果等多個環(huán)節(jié)入手，要求學生自主完成查閱文獻、選擇合理的合成路線、具體操作實驗和分析總結(jié)的整個科研過程。這種教學方式在教學實踐中取得了良好的效果，不僅提高學生學習的主觀能動性和實驗操作技能，而且學生的科研興趣和創(chuàng)新能力也得到培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]藥物化學；設(shè)計性實驗；構(gòu)建；實施

中圖分類號：G64文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016） 01 （a）-0000-00

藥學專業(yè)作為藥學知識傳播應(yīng)用和創(chuàng)新的主要教育平臺，擔負起培養(yǎng)大量藥學專門人才的重任。現(xiàn)代醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和全球藥品研發(fā)領(lǐng)域的客觀現(xiàn)狀使得對藥物研發(fā)創(chuàng)新性人才的需求量大增。因此，高等藥學教育發(fā)展的方向和目標之一就是實施創(chuàng)新教育、培養(yǎng)創(chuàng)新型醫(yī)藥人才。藥學是一門以實踐教學為主的學科，藥學教學應(yīng)該緊緊加強實踐教學這一學科基石，著力啟發(fā)學生的創(chuàng)新意識、綜合能力和動手能力，造就理論知識扎實適應(yīng)社會需求的創(chuàng)新型高素質(zhì)人才。因此，實踐教學在藥學的專業(yè)教學體系中占據(jù)相當重要的作用。藥物化學的教學內(nèi)容涉及范圍很廣，包括了藥物的化學結(jié)構(gòu)、中英文名稱、理化性質(zhì)、合成方法、體內(nèi)代謝、作用機理和構(gòu)效關(guān)系等基礎(chǔ)內(nèi)容，還包括了藥物的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、優(yōu)化、新理論和新技術(shù)、新藥研發(fā)動向等。藥物化學的主要研究內(nèi)容就是先導化合物的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，它是新藥發(fā)現(xiàn)和研究的重要環(huán)節(jié)，對于藥學創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用[1]。

藥物化學的主要任務(wù)就是探索新藥開發(fā)的途徑和方法，創(chuàng)制安全高效的新藥，以滿足臨床的需要。開發(fā)有某種活性且有價值的先導化合物，對其結(jié)構(gòu)進行一系列的改造和優(yōu)化以期創(chuàng)造出療效較好、毒副作用較小的新藥；改造現(xiàn)有的藥物或有效化合物以期獲得更為安全和有效的藥物。故藥物化學是一門非常注重實驗教學的學科，實驗教學不僅是理論教學的重要補充，更是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合能力、提高學生綜合素質(zhì)的重要途徑。傳統(tǒng)的實驗教學的主要形式均是針對藥學專業(yè)的各門課程的驗證性實驗為主，在實驗過程中學生們按部就班地根據(jù)書本上已有的實驗步驟和方法去操作，這樣的教學形式雖然教授了學生基本的實驗技能，但卻沒有給學生以自我發(fā)揮的機會，很容易導致學生主動學習的意識不強，束縛了學生自由思維的空間，不利于創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。設(shè)計性實驗的引入旨在培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)，提高其創(chuàng)新能力和綜合能力。

那么如何在藥物化學實驗中實施設(shè)計性實驗教學呢？首先，由任課教師給出實驗?zāi)康募耙螅浯危瑢W生通過查閱相關(guān)文獻自行設(shè)計實驗方案并開展相關(guān)實驗操作[2-5]。這是以教師為引導、學生為主體的實驗教學方式，需要學生在學習過程中投入更多的精力、發(fā)揮更大的主觀能動性，教師則需要完成更多的課前準備工作：從課題選擇、方案設(shè)計、實驗準備、實驗實施、結(jié)果分析等多個環(huán)節(jié)入手進行準備，充實和完善設(shè)計性實驗的教學方案。在具體實施過程中，我校選擇了藥學本科已經(jīng)掌握了有機合成基本知識的大三學生進行設(shè)計性實驗教學[6-8]。

1 如何設(shè)計課題

1.1 實驗課題的選擇

如何進行設(shè)計性實驗課題的選擇呢？這首先需要教師完成很多的課前準備工作，譬如原料是否容易獲得、實驗儀器能否滿足、實驗操作的難易程度、實驗時間的長短、參與人數(shù)的多少等，同時還需要考慮學生的基礎(chǔ)知識掌握情況、《有機化學》課程的開展情況和學生具體學過了哪些基本操作，在藥物化學設(shè)計性實驗課程中如何從更深的層面來進行研究性學習。

我校學生在已有課程中已經(jīng)學過有機化學和藥物化學的理論知識，在設(shè)計性實驗課程中選擇撲熱息痛這一經(jīng)典的解熱鎮(zhèn)痛藥作為研究對象。針對藥物化學專業(yè)的基本要求、特點以及設(shè)計性實驗的題目和內(nèi)容設(shè)計的原則，討論后提出了《撲熱息痛的合成》這個題目和本實驗設(shè)計的一些基本要求。學生三到四人一組，采取組長負責制，各自選取不同的合成路線來進行方案設(shè)計。

1.2 實驗方案的設(shè)計

在以往的驗證性實驗中，通常都會給出具體的原料和試劑用量，以及詳細的實驗步驟，學生只需機械性、按部就班地完成實驗操作，即可獲得預(yù)期的實驗結(jié)果，雖然學生在實驗操作過程中發(fā)現(xiàn)的問題教師也都能及時幫助解決，但學生的實驗的主動性不能得以體現(xiàn)。

在設(shè)計性實驗教學中，沒有現(xiàn)成的實驗步驟供學生參考，實驗方案需要學生通過文獻調(diào)研自行設(shè)計，所以首先要培養(yǎng)學生如何進行查閱文獻、如何通過整理分析獲得所需要的信息。實驗方案在很大程度上決定了實驗的成敗與否。授課教師首先要講解如何進行專業(yè)文獻的查閱，并對學生的文獻查閱進行指導，譬如可以利用網(wǎng)絡(luò)搜索工具或現(xiàn)有的圖書期刊等，網(wǎng)上資源主要包括一些常用的中英文數(shù)據(jù)庫，如Scifinder和Beilstein檢索，以及中國知網(wǎng)、萬方、維普、Web of Science、ACS、Elesevier、Wiley-Blackwell等，另外還包括專利文獻的檢索和獲取，二次文獻的使用等等。之后每組學生再就各自選題查閱相關(guān)文獻，對文獻進行分類整理并討論分析。本著節(jié)省經(jīng)費、操作簡便、安全無毒的原則，討論每種合成方法的優(yōu)缺點及可行性，選定最優(yōu)的合成路線。接下來就各組實驗方案進行組間討論，教師給予一定的指導，引導學生互相交流、獨立思考并如何解決問題。各組學生經(jīng)過多次組間討論以及與教師的討論都可完成實驗方案，包括實驗題目、目的要求、儀器試劑、實驗步驟、預(yù)期結(jié)果及參考文獻等。這種以學生為主、教師為輔的設(shè)計性實驗教學方式不但提高了了學生學習的主觀能動性，而且鍛煉了學生查閱文獻和分析問題、解決問題的能力，還促進了學生的團隊協(xié)作精神。

2 如何實施實驗

2.1 實驗的前期準備

實驗的前期準備工作需要任課教師、實驗教輔人員和學生的相互配合。學生依據(jù)實驗方案列出所需設(shè)備和儀器試劑等，提前一周遞交給實驗室管理人員。實驗教輔人員再根據(jù)學生提交的實驗方案準備所需的實驗設(shè)備和儀器試劑，另外，實驗教輔人員還可以指導學生正確使用相關(guān)儀器。任課教師需進行預(yù)實驗，在學生提交的實驗方案的基礎(chǔ)上，對該藥物的合成方法進行全面而系統(tǒng)的檢索和總結(jié)，找出適合實驗室操作的多種合成方法和路線。在預(yù)實驗的過程中，認真記錄實驗現(xiàn)象和結(jié)果，列出實驗的注意事項，并對各條路線的優(yōu)缺點進行全面的分析，對每步反應(yīng)做到心中有數(shù)，這樣才能指導學生進行實驗操作。實驗前要向?qū)W生特別強調(diào)安全問題及注意事項。

2.2 實驗的具體實施

以“撲熱息痛的合成”為例，除了讓學生了解設(shè)計撲熱息痛的一般方法，培養(yǎng)學生靈活運用已掌握的理論知識和實驗技能，通過查閱有關(guān)資料，自行設(shè)計實驗方案，從而提高學生分析問題和解決問題的能力。圖1就是學生查閱的撲熱息痛的幾種常用合成路線及各條路線的優(yōu)缺點。

具體方案如下：①學生提前一周從網(wǎng)上查閱藥物的合成方法，完成相應(yīng)藥物合成方法的綜述，并說明現(xiàn)行的工業(yè)生產(chǎn)方法，設(shè)計出合理的實驗室合成工藝路線。②進行組間討論，方案經(jīng)教師審閱后，若方法合理，條件具備，學生可按照自己的設(shè)計方案進行實驗。③學生依據(jù)與教師研討的結(jié)果，在一周內(nèi)寫出相關(guān)藥物的合成方法的具體操作步聚，做出具體的實驗方案，包裝化學反應(yīng)方程式，原料的物化常數(shù)，原料的配料比，反應(yīng)所用的儀器設(shè)備和輔助材料，反應(yīng)的裝置圖，反應(yīng)的關(guān)健控制點，產(chǎn)品純化的方法，預(yù)期的收率等。④要求學生按事先規(guī)定的投料比進行實驗，仔細觀察實驗現(xiàn)象，認做好實驗記錄。⑤實驗結(jié)果和實驗報告作為學生藥物化學實驗考核的主要指標。

設(shè)計性實驗教學的開展就是為了促進學生主動思考，提高他們分析問題和解決問題的能力。在實驗過程中，教師不再講解實驗內(nèi)容，而是鼓勵學生按照各自查閱好的實驗方案完成具體操作，對于實驗過程中出現(xiàn)的問題教師并不立刻給出建議，而是鼓勵學生互相交流、共同研討解決方案。通過這種教學改革的嘗試，發(fā)現(xiàn)基本上每組學生都能完成實驗方案，達到預(yù)定的目標，取得了預(yù)期成果。但在實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些值得注意的問題：一是學生對實驗現(xiàn)象的觀察和記錄不夠仔細，很多學生的實驗記錄本上只有幾組簡單的實驗數(shù)據(jù)；二是部分學生實驗中遇到問題不能很好地處理，導致實驗進程的延緩或結(jié)果的誤差；三是教師對實驗可能出現(xiàn)的問題預(yù)計不足，譬如個別試劑短缺造成實驗進度減慢等等。這些問題在今后的教學實踐中都有待逐步解決，教師和學生共同努力才能更好地完善設(shè)計性實驗教學。

圖1 撲熱息痛的常用合成路線及各自的優(yōu)缺點

2.3 實驗的分析總結(jié)

在設(shè)計性實驗教學中，分析總結(jié)實驗結(jié)果也是非常重要的一個環(huán)節(jié)，學生通過對整個實驗過程的思考與整理，鍛煉了他們分析問題和解決問題的能力，奠定了他們從事初步的科學研究工作的基礎(chǔ)。

各組學生均要完成一份實驗報告，實驗報告內(nèi)容包括實驗?zāi)康摹嶒炓蟆嶒灢襟E、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果、實驗討論等幾部分，主要討論設(shè)計性實驗的過程和結(jié)果，對不同反應(yīng)路線的優(yōu)缺點進行討論和總結(jié)。分析實驗成功或者失敗的原因，然后師生一起總結(jié)交流，找出需要改進的地方并提出解決方案。教師對學生所采用的合成路線及實驗結(jié)果進行點評，分析利弊，使學生更好地了解如何設(shè)計藥物的合成路線并對其進一步研究。

3 如何分析總結(jié)實驗效果

在藥物化學設(shè)計性實驗教學中，教師為輔助，他們需要提出實驗課題，做好文獻調(diào)研工作和預(yù)實驗，與學生分析討論實驗方案，這樣不僅是教師引導幫助學生，學生的一些新思維、新想法也啟發(fā)了教師，使得教師對課堂及課題的掌控能力及對學生的引導能力都有了明顯的提高。以學生為主體，使學生由被動學習轉(zhuǎn)為主動學習，由以往驗證性實驗的機械操作者變?yōu)閷嶒炘O(shè)計者，積極主動地完成了實驗的每一個環(huán)節(jié)，極大地發(fā)揮了其主觀能動性，各方面能力都得到鍛煉和提高。通過設(shè)計性實驗的實施，更好地激發(fā)了學生的學習興趣，學生積極踴躍參與討論各種合成路線的優(yōu)勢和弊端，從而確定出最優(yōu)的實驗方案。通過這些動腦、動嘴、動手的環(huán)節(jié)，也讓學生們愛上了實驗課，變以往較為枯燥的實驗課為課堂氣氛活躍、科學思維活躍的創(chuàng)新課。

設(shè)計性實驗教學是開展素質(zhì)教育和培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神的重要方法[6]，這在一定程度上彌補了現(xiàn)有以驗證性為主的實驗教學的不足。通過設(shè)計性實驗的實施，更好地激發(fā)了學生的學習興趣，學生們能夠積極踴躍地參與討論各種合成路線的優(yōu)勢和弊端，從而確定出最優(yōu)的實驗方案。通過這些動腦、動嘴、動手的環(huán)節(jié)，也讓學生們愛上了實驗課，變以往較為枯燥的實驗課為課堂氣氛活躍、科學思維活躍的創(chuàng)新課。

總之，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的綜合型藥學人才離不開新技術(shù)、新方法的應(yīng)用。多年來，我校藥學實驗教學改革雖已取得了一定的成果，但這是一項長期而艱巨的任務(wù)，新時期要與時俱進，采取新的對策加快推進藥學實驗改革的步伐，積極構(gòu)建以綜合設(shè)計性實驗為主導的藥學專業(yè)實驗課程新體系。

參考文獻

[1] 夏金鑫，丁啟龍.藥學實驗教學改革探索[J].藥學研究，2015， 34（1）：53-54.

[2] 李佳常，田吉來，丁啟龍，等.藥學類高校構(gòu)建藥學多學科綜合性實驗的探索[J].藥學研究，2014，33（5）：305-306.

[3] 黃海英，胡聰，郄文娟..藥物化學設(shè)計性實驗初探：以阿司匹林的制備為例[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2012，6：82-83.

[4] 杜文婷，鄧衛(wèi)平，唐贊.大藥學背景下的藥物化學創(chuàng)新教育[J].藥學教育，2009，5：23.

[5] 中華人民共和國教育部.普通高等學校本科教學工作水平評估方案（試行）[s].2002.

[6] 余瑾，張藝，楊勁.八年制細胞生物學設(shè)計性實驗教學實踐[J]. 基礎(chǔ)醫(yī)學教育，2012，14（1）：41-42.