大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗的構(gòu)建與實踐
——L（934）實驗設(shè)計優(yōu)化三顆針有效成分鹽酸小檗堿精制工藝的研究

李俊平，聶立勇，王林玲，何雪君，廖伊茜，朱蘭寸，馬廷升

大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗的構(gòu)建與實踐
——L（934）實驗設(shè)計優(yōu)化三顆針有效成分鹽酸小檗堿精制工藝的研究

李俊平，聶立勇，王林玲，何雪君，廖伊茜，朱蘭寸*，馬廷升

（湖南醫(yī)藥學(xué)院藥學(xué)院，湖南 懷化 418000）

為了加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，探索并建立以問題和課題為核心的教學(xué)模式，結(jié)合湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗項目“L9（34）實驗設(shè)計優(yōu)化三顆針有效成分鹽酸小檗堿精制工藝的研究”，探索以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實驗實踐，調(diào)動學(xué)生主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)其創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，進(jìn)一步推動天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)改革。

天然藥物化學(xué)；研究性學(xué)習(xí)；實驗設(shè)計

為貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》的精神，大力加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，探索并建立以問題和課題為核心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實驗，調(diào)動學(xué)生主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，使其逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高創(chuàng)新能力和實踐能力［1］。天然藥物化學(xué)是藥學(xué)專業(yè)的一門重要課程，是運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)理論與方法研究天然藥物化學(xué)成分的一門應(yīng)用學(xué)科，實驗?zāi)繕?biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握從天然藥物中提取、分離有效成分的基本操作技能，具有一定的創(chuàng)新性。我們結(jié)合天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)，申報了大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗項目“L9（34）實驗設(shè)計優(yōu)化三顆針有效成分鹽酸小檗堿精制工藝的研究”，獲得了湖南省教育廳立項資助。該項目的實施帶動了學(xué)生在大學(xué)階段進(jìn)行科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造，形成了創(chuàng)新教育的氛圍，進(jìn)一步推動了天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)改革，提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立獲取知識及應(yīng)用知識能力，有效提升了創(chuàng)新能力和科研綜合素質(zhì)。

1　項目構(gòu)建思路

1.1 L9（34）實驗設(shè)計簡介

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散、齊整可比”的特點(diǎn)［2］。正交試驗設(shè)計表是一整套規(guī)則的設(shè)計表格，L為正交表的代號，n為試驗的次數(shù)，t為水平數(shù)，c為列數(shù)，也就是可能安排最多的因素個數(shù)。正交試驗設(shè)計表有很多類型，如L4（23）、L8（27）、L9（34）、L16（45）等，其中L9（34）實驗設(shè)計簡單、最常用，它表示需做9次實驗，最多可觀察4個因素，每個因素均為3水平。正交試驗設(shè)計步驟為：確定試驗因素及水平數(shù)，選用合適的正交表，列出試驗方案及試驗結(jié)果，對正交試驗設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析，包括極差分析和方差分析、確定最優(yōu)或較優(yōu)因素水平組合。正交試驗設(shè)計的關(guān)鍵在于試驗因素的安排，通常在不考慮交互作用的情況下，可以自由地將各因素安排在正交表的各列，只要不在同一列安排兩個因素即可。因素所在列是隨意的，一旦安排完成，試驗方案即確定，之后的試驗以及后續(xù)分析將根據(jù)這一安排進(jìn)行，不能再改變。正交試驗設(shè)計是分析因式設(shè)計的主要方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實驗設(shè)計方法，在很多領(lǐng)域的研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在天然藥物化學(xué)研究中，L9（34）實驗設(shè)計常用于天然藥物的提取、分離工藝的優(yōu)化［3］。

1.2設(shè)計背景

三顆針為小檗科植物，其干燥根莖因常生三叉狀針刺而得名。此屬植物的根含小檗堿、小檗紅堿、小檗胺、藥根堿等化學(xué)成分，具有多種生理活性和抗癌等活性，有抗菌、降壓作用。其主要成分小蘗堿具有清熱燥濕、瀉火解毒的作用，用于細(xì)菌性痢疾、胃腸炎、副傷寒等治療，療效確切［4］。在藥物生產(chǎn)中，原料藥鹽酸小蘗堿的純度是關(guān)鍵，是藥物制劑的質(zhì)量保證。目前相關(guān)報道多為三顆針有效成分小蘗堿的提取、分離條件的優(yōu)化，得到小蘗堿粗品［5］，但未見有關(guān)小檗堿粗品經(jīng)精制為鹽酸小蘗堿工藝優(yōu)化的報道。我們根據(jù)教學(xué)計劃開設(shè)的學(xué)生實驗“三顆針有效成分小檗堿的提取、分離”，運(yùn)用L9（34）實驗設(shè)計優(yōu)化三顆針提取的小檗堿粗品精制為鹽酸小蘗堿的工藝條件，以提高產(chǎn)品收率。

1.3設(shè)計內(nèi)容

我校天然藥物化學(xué)實驗課程開設(shè)的學(xué)生實驗內(nèi)容：稱取三顆針根粗粉50 g，用0.3%硫酸溶液室溫浸泡24 h，過濾，收濾液；藥渣同法操作一次，合并兩次濾液，用石灰乳調(diào)濾液pH值為10～12，靜置過夜，過濾，濾液加入精制食鹽使含鹽量達(dá)6%的濃度，靜置過夜，布濾，即得小檗堿粗品。將得到的粗制小檗堿（無需干燥）置于燒杯中，加入約50倍純化水，水浴上回流煮沸半小時，迅速抽濾，不溶物可再加純化水30～40m l煮一次，過濾，合并濾液，加濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1～2，放冷即可析出鹽酸小檗堿精制品，減壓過濾，并用少量70%乙醇洗滌結(jié)晶，于80℃以下干燥，稱重，計算提取率。采用L9（34）實驗設(shè)計進(jìn)行精制工藝條件的優(yōu)化，實驗因素為浸泡溶劑硫酸溶液的濃度、浸泡時間、提取pH值、提取溫度，分別設(shè)計3個合適水平，以提取率為考查指標(biāo)。學(xué)生分組按L9（34）正交試驗表進(jìn)行實驗，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，確定最佳工藝。這樣我們將一個經(jīng)典、簡單的實驗經(jīng)綜合設(shè)計后，內(nèi)容更豐富，學(xué)生思維方式更靈活。

2　項目組織實施

2.1組織團(tuán)隊，精勤協(xié)作

大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗項目主體是學(xué)生團(tuán)隊，團(tuán)隊協(xié)作精神是項目順利實施的支柱，分工與合作能聚集團(tuán)隊中每個人的能量并使其發(fā)揮到最大。在該項目中，學(xué)生按L9（34）正交試驗表進(jìn)行實驗，3個水平，4個因素，實驗任務(wù)非常重，既要分工也要合作。雖然大家的目標(biāo)一致，但在團(tuán)隊合作中難免會因觀點(diǎn)不同而產(chǎn)生摩擦，這便需要我們以團(tuán)隊為重、以項目為主，全身心投入，并充分尊重團(tuán)隊成員的意見和建議。筆者所在組從項目立項之初成員之間不太了解發(fā)展為關(guān)系很好的隊友、朋友，這也說明了團(tuán)隊合作精神的重要性。

2.2查閱資料，確定方案

正交試驗設(shè)計是天然藥物有效成分提取、分離的科學(xué)方法之一，在實際工作中運(yùn)用較廣，但在天然藥物化學(xué)實驗教材中很少提及。雖然正交試驗設(shè)計較復(fù)雜，難度較大，但能很好地提升學(xué)生主動性、創(chuàng)造性和綜合實踐能力。首先，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過學(xué)校圖書館數(shù)據(jù)庫查閱文獻(xiàn)、收集資料。本項目共查閱了國內(nèi)外參考文獻(xiàn)50余篇，通過對新技術(shù)、新動態(tài)的查詢，學(xué)生獲得了新知識，并產(chǎn)生濃厚的研究興趣。然后，學(xué)生討論方法的可行性，擬定切實可行的具體實驗設(shè)計方案，包括詳細(xì)的實驗步驟、儀器試劑計劃、注意事項等，交由教師審閱通過。此外，教師在指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗時，向?qū)W生詳細(xì)介紹三顆針提取小檗堿的正交試驗設(shè)計原理以及如何合理確定提取工藝因素和水平，確保實驗順利進(jìn)行。

2.3精心組織，認(rèn)真實施

實驗方案確定后，讓學(xué)生分組按正交試驗設(shè)計表進(jìn)行實驗，提取得到產(chǎn)品，計算收率。在項目實施中，學(xué)生遇到的問題往往比預(yù)期要多，如影響三顆針鹽酸小檗堿精制提取率因素主要為溶液pH值，其次為回流時間、乙醇濃度、純化水用量，試驗號A2B3C1D2為最佳工藝條件［6］，但方差分析表明以提取率為考查指標(biāo)4個因素中，純化水用量對其有顯著影響（P＜0.05），且是關(guān)鍵因素，方差分析與直觀分析結(jié)果不一致。在這種情況下，沒有人能直接告訴學(xué)生問題出現(xiàn)的原因，學(xué)生就要自己分析，并通過網(wǎng)絡(luò)資源及相關(guān)書籍進(jìn)行學(xué)習(xí)，與自己的實驗條件等信息進(jìn)行比較，經(jīng)不斷修改調(diào)試解決問題。又如，在精制鹽酸小檗堿過程中，發(fā)現(xiàn)提取率普遍較低，學(xué)生感到很困惑，不知什么原因。經(jīng)反復(fù)研究分析和查閱資料發(fā)現(xiàn)，原來是煮沸后的溶液應(yīng)趁熱迅速抽濾，以免溶液冷卻而析出鹽酸小檗堿結(jié)晶，造成提取率降低。因此，通過實驗學(xué)生自主創(chuàng)新能力得到顯著提高，在掌握天然藥物化學(xué)基本理論和基本技能的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)了濃厚的研究興趣，享受到理論與實踐相結(jié)合帶來的成果，提高了學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)新能力。

2.4認(rèn)真總結(jié)，撰寫論文

實驗結(jié)束后，各小組學(xué)生對實驗方案和結(jié)果進(jìn)行討論，總結(jié)實驗各環(huán)節(jié)的經(jīng)驗和體會，切身感受這個過程帶來的鍛煉和收獲，并撰寫一篇論文作為成績評定依據(jù)之一。該課題組已有2篇學(xué)生論文在《中國藥業(yè)》和《衛(wèi)生職業(yè)教育》這兩個國家級刊物上發(fā)表。學(xué)生對這種實驗?zāi)Ｊ浇o予了充分肯定，認(rèn)為在實驗中可以充分發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力，有效調(diào)動了探索科學(xué)奧秘的好奇心和求知欲望。我校在天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)中引入正交設(shè)計法，獲得了校教學(xué)成果一等獎。

3　項目開展經(jīng)驗

3.1保障機(jī)制

為確保大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實驗項目得到有效實施，我院成立工作領(lǐng)導(dǎo)小組，并制訂了詳細(xì)的管理制度。本著以人為本的工作理念，領(lǐng)導(dǎo)小組指導(dǎo)學(xué)生完成項目研究的各項準(zhǔn)備工作，耐心接受學(xué)生咨詢，協(xié)調(diào)解決學(xué)生科研過程中遇到的問題，為學(xué)生項目研究做好服務(wù)工作。此外，學(xué)校給予了項目配套經(jīng)費(fèi)支持，嚴(yán)格專項使用。

3.2過程管理

大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗項目的開展，注重的是過程而非結(jié)果，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實際動手能力和自主學(xué)習(xí)能力的提高、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，所以項目的過程管理就顯得尤為重要。參與項目的5位學(xué)生對科學(xué)研究或創(chuàng)造發(fā)明有濃厚興趣，在興趣驅(qū)動及導(dǎo)師指導(dǎo)下完成了項目申報和實驗過程。項目組學(xué)生自主設(shè)計課題、完成課題、管理課題，并在實施過程中不斷調(diào)整優(yōu)化。為了督促學(xué)生按期完成研究任務(wù)，要求學(xué)生明確責(zé)任和目標(biāo)，院（部）定期開展項目中期檢查，針對項目管理和項目研究中存在的問題，及時協(xié)同有關(guān)部門進(jìn)行處理。通過過程管理，加強(qiáng)對項目的監(jiān)督，促使學(xué)生順利按計劃完成實驗任務(wù)。

3.3搭建平臺

為開拓學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣，展示大學(xué)生創(chuàng)新性實驗成果，我們創(chuàng)建了大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目組QQ群和網(wǎng)絡(luò)平臺，以便項目組成員之間、成員與教師之間相互交流，支持項目組學(xué)生參加校內(nèi)外學(xué)術(shù)會議，為學(xué)生提供交流經(jīng)驗、展示成果、共享資源的機(jī)會。

4結(jié)語

“教學(xué)有法，教無定法”。長期以來天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)模式較單一，導(dǎo)致學(xué)生思維單一，難以適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等實際工作需要。天然藥物化學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗的構(gòu)建與實踐，改進(jìn)了經(jīng)典實驗，不僅培養(yǎng)了學(xué)生掌握基本操作技能、理論實踐融會貫通、靈活解決實際問題能力，還增強(qiáng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科研意識、敢于進(jìn)取的創(chuàng)新開拓精神。對學(xué)生強(qiáng)調(diào)的是“做”而不是“知”，對教師的要求是進(jìn)行方法指導(dǎo)而不是灌輸，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，在實訓(xùn)中培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

［1］劉佳，張敬敬.指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目的幾點(diǎn)體會［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2014，16（5）：38-39.

［2］郝拉娣，于化東.正交試驗設(shè)計表的使用分析［J］.編輯學(xué)報，2005，17 （5）：334-335.

［3］王艷，張愛珍，任春生.正交試驗設(shè)計與優(yōu)化的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用進(jìn)展［J］.分析試驗室，2008，9（2）：151-152.

［4］程詠梅，陳仁華.小檗堿提取工藝的研究［J］.時珍國醫(yī)國藥，2007，18 （6）：1445-1447.

［5］楊宏健，肖美風(fēng).正交實驗優(yōu)選三顆針中小檗堿的提取工藝［J］.中國藥師，2005，8（8）：673.

［6］朱蘭寸，李俊平，聶立勇，等.三顆針有效成分鹽酸小檗堿精制工藝的優(yōu)化［J］.中國藥業(yè)，2014，23（7）：38-39.

（*通訊作者：朱蘭寸）■

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1671-1246（2016）17-0017-03