開展有機化學綜合設計性實驗的研究與實踐

吳建麗，周 芳，侯巧芝，信建豪，張 強

(黃河科技學院 醫學院， 河南 鄭州 450000)

實驗教學作為高等學校教學工作的重要組成部分，是培養合格人才的基本環節，在學生能力培養和綜合素質提高方面有其獨特的作用[1]。有機化學實驗是藥學專業必修的一門專業基礎課程，讓學生把有機化學理論與實踐、知識與能力有機聯系起來，培養學生的科學思維和綜合運用知識的能力。原有的有機化學實驗項目以驗證性和操作性項目為主，對培養學生的實驗操作技能及數據處理技術等有顯著效果[2]，但對培養學生的獨立思考能力和創新精神顯得嚴重不足。設計性實驗是指結合或獨立于課程教學而進行的一種由學生自主完成的探索性實驗[3]，其特點在于實驗內容的探研性與學生學習的主動性，其目的在于培養學生的系統性科學思維和開拓創新意識，激發學生的參與性和創造性，提高學生分析問題和解決問題的能力[4-5]。 目前，各個高校都不同程度的引入了設計性實驗項目，我們的兩個設計性實驗項目已經寫入教學大綱，已經開設了三個學期，取得了不錯的效果。

1 綜合設計性實驗項目的選擇

設計性實驗是指學生根據教師給定的實驗任務，通過查閱文獻、小組討論、自行設計實驗方案、寫出具體實驗步驟、準備實驗儀器和藥品、獨立進行操作并得出結果的實驗、撰寫設計性實驗報告、匯報實驗結果及心得體會[6-7]。

鑒于傳統實驗項目學生參與度低、啟發性不夠等缺點，有機化學實驗組老師決定于2016-2017學年第一學期開始開設綜合設計實驗。課題組老師經過資料調研和討論論證，選擇了乙酰水楊酸的合成、馬齒莧多糖或總黃酮的提取和苯甲酸的綠色合成、洗潔精的制備等幾個備選項目。近三年在實驗室有序開展了4個設計性實驗項目，其中，以馬齒莧多糖或總黃酮的提取以綜合性強而最具代表性。

2 設計性實驗項目的實施過程

馬齒莧是世界衛生組織提名為最有用處的藥用植物之一，也是我國衛生部規劃的78種藥食同源野生植物之一，全草均可作為藥用。馬齒莧中含有多糖、黃酮、生物堿、香豆素等化學有效成分，馬齒莧多糖具有抗氧化、抗腫瘤、調節免疫力等表現出了可觀的潛在藥用價值；馬齒莧黃酮主要有抗衰老、提高心血管通暢、消炎與提高免疫力、平衡內分泌、抑制腫瘤擴增、 抗病毒、抗輻射和抑菌殺菌等作用[8]。整個實驗過程中過程中，學生的活動包括文獻查閱、小組討論、方案提交、實驗準備、實驗操作、過程記錄、結果分析和實驗結果匯報等具體環節。因此，該設計性實驗可以讓學生深入了解馬齒莧的同時，每個環節都需要綜合運用已經學過的知識點和新的知識點，從而有效的培養學生結合新舊知識來解決實際問題的能力，提高了他們的自身學習、團隊協作及分析解決問題等綜合素養，達到了綜合設計性實驗的教學目標[9]。

2.1 作業布置、查閱文獻和方案設計

教師在實驗前兩周進行實驗作業相關工作的布置。設計性實驗題目：馬齒莧中多糖的提取工藝研究、馬齒莧中總黃酮的提取工藝研究，二者中選取其中一個。多糖提取可用方法：水浸提法、微波輔助法、超聲波法、索氏提取法；總黃酮提取可用方法：回流法、微波輔助法、超聲波法等。.多糖提取工藝流程：馬齒莧干品→粉碎→提取→分離→濃縮→沉淀→離心分離→干燥→馬齒莧粗多糖→溶解定容→測吸光度→計算多糖含量； 黃酮提取工藝流程：馬齒莧干品→粉碎→提取→分離→濃縮→定容→測吸光度→計算黃酮含量。多糖含量測定：馬齒莧粗多糖→加入一定量的水溶解，定容→采用苯酚-硫酸法顯色→測吸光度→計算含量；

黃酮含量測定：濃縮液定容→加入顯色劑(NaNO2-AlCl3-NaOH)→測吸光度→計算含量。

每組4～5名學生，選出一個組長總體負責，各組討論選定題目，組長帶領組員利用學校圖書館數據庫資源查閱文獻；每位同學認真閱讀2～3篇文獻；組長組織組員討論，選擇出最佳的提取方法；討論制定詳細的實驗步驟，包括用到的儀器、試劑的濃度及用量、最佳反應的時間、最佳反應溫度等；組長負責安排本組同學的討論和記錄，并匯總成實驗方案提交。

這個學習環節發生在實驗室外，缺少老師的監管，因此很考驗組長的組織能力和小組的團結協作。好的學習效果會大大調動學生自主學習的積極性，活躍學生的思維，非常有助于挖掘學生的潛能，在原有有機化學實驗知識和技能的基礎上，進行馬齒莧多糖或總黃酮方案的設計和實施，對拓展學生的學習思路并對有機化學理論知識的學習起到積極的促進作用。

2.2 師生討論，確定方案和實驗步驟，并準備相關儀器、試劑和藥品

小組選定微波輔助、超聲輔助或者索氏提取法后確定實驗方案并提交給指導老師，老師指出方案中的不當之處進行修改后，由組長帶領成員制定詳細的實驗步驟。

比如其中一個小組選用索氏提取法進行馬齒莧中總黃酮的提取，其實驗步驟為：將粉碎后的馬齒莧取2.0g裝入茶包中，并塞入索氏提取器中；量取95%乙醇(稀釋)100mL(料液比1∶50)，加入圓底燒瓶中，并加入沸石；組裝儀器，調節電熱套的電壓為100V，進行虹吸5～6次；將提取液以11000r/min的轉速離心20 min；提取上清液轉移至250mL容量瓶用95%乙醇(稀釋)定容；取樣品溶液1mL加入4mL的顯色劑，混合后測定其吸光度；根據標準曲線y=0.0084x + 0.0127[10](x為濃度，y為吸光度)計算黃酮含量。

依據實驗步驟，該組學生需要的儀器包括：燒杯，紫外分光光度儀，250mL容量瓶，托盤天平，離心機，量筒，錐形瓶，索氏提取器，研缽，電熱套；試劑包括：馬齒莧，95%乙醇(分析純)，NaNO2，AlCl3，NaOH，蒸餾水。

2.3 實驗準備

因各組學生實驗方案不同而導致儀器和試劑有差別，因此正式實驗開始前，指導老師引導各組學生自行進行實驗準備。多糖提取和總黃酮提取均需用到顯色劑，每班配置一份供大家使用。自己精心準備的實驗，學生會更加珍惜試劑和儀器，也能體會到實驗準備老師的不易。

2.4 實驗實施

正式實驗課堂上，各小組分工合作獨立完成實驗。指導老師注意觀察，對操作不規范，理解不正確的地方進行強調和及時糾正，讓小組成員討論解決并進一步檢查實驗中存在的問題。由于學生以前的實驗項目中從未使用微波反應器、超生反應器和紫外-可見分光光度計因此指導老師需要集中給大家示范的這些儀器的規范使用方法。而學生在進行索氏提取裝置和蒸餾裝置組建的時候，指導教師注意提醒即可。

每組學生完成實驗后，老師檢查每組的實驗記錄過程是否完整，吸光度值是否符合規律，整個實驗過程當中涉及到微波反應器，超生反應器，索氏提取器，離心機，紫外分光光度計等儀器的操作，看他們的記錄是否規范完整。

2.5 實驗總結和匯報

實驗結束后，組長帶領成員整理原始數據，分析討論實驗結果，最后以論文形式提交設計性實驗報告，并以ppt形式進行匯報。

在小組ppt形式匯報過程中，指導老師進行點評并全面總結，表揚做的好的小組，總結和匯報環節對提高學生的科研素養和語言表達特別有幫助。

3 結語

本次設計性實驗項目考查了基礎實驗技能，并拓展了新的實驗技能，培養了學生調閱文獻，分工合作，分析問題，解決問題，論文寫作，匯報表達等能力，同時培養學生實驗就是的科學態度，幫助學生拓寬了學習思路，挖掘了學生的潛能，提高了學生的學習能力，增加他們的學習信心。總之，相對于傳統實驗項目，綜合性設計實驗項目的設計與開展過程中可能會出現這樣或者那樣的問題，對指導教師和學生均是是比較大的挑戰，但堅持下來收獲更多。