基于QBD理念和PAT技術(shù)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

孫林林，趙 盼，齊冬梅，徐凱勇，鞏麗麗，蔣海強(qiáng)*

(1.山東中醫(yī)藥大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心,山東 濟(jì)南 250355；2.山東中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院,山東 濟(jì)南 250355)

儀器分析課程是藥學(xué)、中藥學(xué)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是一門實(shí)用性較強(qiáng)的工具課程，內(nèi)容繁多，應(yīng)用廣泛，不僅是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)化學(xué)的重要支柱，而且在生命科學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域也扮演者重要角色。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種高靈敏度、高選擇性、自動(dòng)化、智能化、信息化和微型化的分析儀器及相關(guān)的新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)[1]，加之雙創(chuàng)時(shí)代的到來，社會對中醫(yī)藥創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求：不僅要熟練掌握各種新型大型儀器操作的基本技能，而且要提高運(yùn)用綜合知識解決問題的能力和創(chuàng)新能力。結(jié)合中醫(yī)藥院校的特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)，將QBD理念和PAT技術(shù)融入到儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過頂層設(shè)計(jì)和過程質(zhì)量監(jiān)控， 推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高中醫(yī)藥創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)能力。

質(zhì)量源于設(shè)計(jì)(quality by design，QBD)，這一理念來自制藥領(lǐng)域的質(zhì)量管理與評價(jià)[2]，即質(zhì)量是通過良好的設(shè)計(jì)而生產(chǎn)出來的，這就要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)管的控制點(diǎn)要逐漸前移，從過去單純依賴最終考試，到對教學(xué)過程中多個(gè)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，通過過程控制和良好的設(shè)計(jì)，規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。過程控制技術(shù)(Process analysis technology，PAT)同樣源于醫(yī)藥等領(lǐng)域[3]，強(qiáng)調(diào)在過程中直接應(yīng)用過程分析技術(shù)，在線、直接、實(shí)時(shí)的控制質(zhì)量，教學(xué)過程中同樣需要提前評估教學(xué)方案的可靠性和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的時(shí)效性，進(jìn)而制定創(chuàng)新培養(yǎng)的教學(xué)過程中質(zhì)量控制方法。

聯(lián)合QBD理念和PAT技術(shù)，從頂層設(shè)計(jì)和具體執(zhí)行兩個(gè)方面設(shè)計(jì)中醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，厘清中醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證培養(yǎng)的創(chuàng)新性和中醫(yī)藥方向，做到以實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系創(chuàng)新提高中醫(yī)藥創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)能力。

1 改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善教學(xué)體系

近年來，基于國家級中醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)及山東省一流學(xué)科建設(shè)，山東省中醫(yī)藥大學(xué)得到了雄厚的資金支持，相繼購置了一批大型高精尖的儀器設(shè)備，搭建了藥學(xué)平臺?；诖耍覀儗⒏呔獾膬x器設(shè)備用于本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本著強(qiáng)化基礎(chǔ)、注重提高、源于理論、高于理論的原則，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，合理安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并自行編寫實(shí)驗(yàn)講義，不斷完善儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)根據(jù)不同儀器設(shè)備、不同分析方法的特點(diǎn)，把握其共性、個(gè)性和相互關(guān)系，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的順序，簡化學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

1.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能并掌握基本實(shí)驗(yàn)方法，此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為一些經(jīng)典的、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如紫外分光光度法測定有機(jī)化合物的含量、紙色譜法分離分析有機(jī)酸，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中應(yīng)當(dāng)有選擇地予以保留，以解決中醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生操作不規(guī)范的現(xiàn)象。

1.2 增加應(yīng)用性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

為引導(dǎo)學(xué)生深入鉆研本學(xué)科的前沿內(nèi)容，通過科研成果進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑[4]，我們選取質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，課題組老師根據(jù)自己的科研內(nèi)容，經(jīng)反復(fù)研究，以液質(zhì)聯(lián)用儀器為媒介，選取“五種三七皂苷的二級質(zhì)譜分析”和“槲皮素、蘆丁的精確分子量測定”作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，取得了良好的效果，并在整個(gè)中藥學(xué)專業(yè)學(xué)生中推廣施行。

2 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果

儀器分析屬于難度較大的一門課程，學(xué)生只能從課本上獲得一些理論上的知識，對儀器的結(jié)構(gòu)，具體的實(shí)驗(yàn)原理等缺乏直觀直覺上的認(rèn)知。不斷探索多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，采用靈活多樣的教學(xué)方式不僅可以激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情和興趣，讓學(xué)生在不知不覺中挖掘?qū)W習(xí)潛能，還能使其真正理解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.1 多功能直錄播系統(tǒng)教學(xué)方法的運(yùn)用

多功能直錄播系統(tǒng)可以整合PowerPoint演示文稿、音頻、視頻、電子設(shè)備的圖像信號，生成流媒體文件[5]。由教師在攝像機(jī)前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解，輔以多媒體課件對復(fù)雜、抽象的內(nèi)容進(jìn)行演示，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型高精尖儀器設(shè)備的原理和使用，理論講解同時(shí)借助多媒體進(jìn)行視頻、動(dòng)畫庫和圖像庫展示，學(xué)生可以更加形象生動(dòng)、清晰全面地學(xué)習(xí)，將能得到更好的教學(xué)效果。

教師進(jìn)行操作演示的同時(shí)，使用實(shí)驗(yàn)室的多功能直錄播系統(tǒng)進(jìn)行錄制。學(xué)生分組練習(xí)時(shí)，可以有針對性的回放教師操作演示視頻，進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程和細(xì)節(jié)；課后復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)生可以通過多媒體終端回顧課堂實(shí)景，進(jìn)一步鞏固實(shí)驗(yàn)原理和操作流程。不僅提高了教學(xué)效率，而且節(jié)約了寶貴的教學(xué)資源，大大提高了資源共享程度。

2.2 在實(shí)驗(yàn)課程中穿插對比教學(xué)

儀器分析課程中有大量相似的概念、方法，為了加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程及原理的理解，采用對比教學(xué)的方式。如在色譜實(shí)驗(yàn)中，比較高效液相色譜儀和氣相色譜儀各部件結(jié)構(gòu)功能的異同，兩者適用對象的異同，兩者用于定量分析時(shí)所采用方法的異同。同理，在光譜實(shí)驗(yàn)中，可對紫外分光光度計(jì)和紅外色譜儀實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。通過對比，學(xué)生對所用儀器結(jié)構(gòu)的組成特征會有進(jìn)一步認(rèn)識，同時(shí)也會加深對儀器工作原理和理論部分知識的理解。

2.3 “探究式”教學(xué)方法的運(yùn)用

“探究式”教學(xué)方法是指導(dǎo)教師給學(xué)生提供一些與課程內(nèi)容相關(guān)的課題或?qū)W生自主選擇感興趣的課題[6]，在指導(dǎo)教師給出一些提示或啟發(fā)后，學(xué)生成立研究小組，通過查閱文獻(xiàn)、制定方案、設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)、分析總結(jié)等環(huán)節(jié)從而解決實(shí)際問題。這也與我校開展的大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃(Student Research Training，SRT)相吻合。自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是“探究式”教學(xué)方法的重要體現(xiàn)，在這個(gè)過程中，學(xué)生能做到“以我為主”，不僅提高了對儀器分析知識的拓展性思考，掌握解決具體問題的基本方法和手段，而且調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，變被動(dòng)接受知識為主動(dòng)探究知識，培養(yǎng)了獨(dú)立思考和敢于懷疑的批判精神。

3 改革實(shí)驗(yàn)過程，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課堂管理

實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會尤為重要，動(dòng)手能力的強(qiáng)弱直接反映出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成功與否。目前高等中醫(yī)藥院校一些大型儀器設(shè)備難以滿足日益增多的學(xué)生的需要，不可避免的造成動(dòng)手操作的機(jī)會的缺失，進(jìn)而影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和綜合素質(zhì)的提高。面對該情況，在充分調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，我們制定了“優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、合理分組進(jìn)行”的解決方案，充分挖掘教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的資源和潛力，確保每位學(xué)生都有獨(dú)立動(dòng)手操作的機(jī)會。如在“高效液相色譜法定量分析”中，我們主張每組4名學(xué)生分工合作，分別負(fù)責(zé)流動(dòng)相配制、溶液配制、手動(dòng)進(jìn)樣、數(shù)據(jù)采集。

科學(xué)有效的課堂管理，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方面。為了達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，實(shí)驗(yàn)開始之前，要求學(xué)生撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告，減少學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的盲目性和隨意性，并對出現(xiàn)的疑點(diǎn)難點(diǎn)問題進(jìn)行有針對性的講解；實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格要求學(xué)生認(rèn)真操作，觀察現(xiàn)象、如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，針對本次實(shí)驗(yàn)的全過程組織學(xué)生進(jìn)行充分討論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以鞏固所學(xué)知識。

4 構(gòu)建多元化考試模式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式是衡量實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹饕椒?，目前?shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式的改革進(jìn)程明顯滯后于理論教學(xué)改革的進(jìn)程，探索科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式旨在培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)熱情和積極性，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到反饋和相互促進(jìn)的作用[7]。針對儀器分析實(shí)驗(yàn)課程考核方式，我們從每次實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程中的具體表現(xiàn)及操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后報(bào)告撰寫、最后的期末課程考試等貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的跟蹤式考察，以期能對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ψ龀隹陀^、正確、綜合的評價(jià)，從而系統(tǒng)性反映出實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，具體考察內(nèi)容及實(shí)施辦法如表1所示。

表1 儀器分析實(shí)驗(yàn)課程成績評定權(quán)重表

備注：對于具有創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生給予適當(dāng)?shù)念~外加分。

5 改善中醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)

通過對儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握基本原理方法以及操作技能，但對科研過程和生產(chǎn)實(shí)踐仍缺乏系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)。依托山東省中醫(yī)藥研究院、山東辰欣藥業(yè)、齊魯制藥等，構(gòu)建校-院、校-企實(shí)踐教學(xué)平臺，在解決資源相對于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)中場所不夠或不逼真、儀器不全或不實(shí)用、師資與生產(chǎn)一線或科研一線嚴(yán)重脫節(jié)的問題的同時(shí)，還可以讓學(xué)生深入科研過程及生產(chǎn)實(shí)踐中，開闊了眼界，增長了見識，進(jìn)一步掌握儀器分析在多領(lǐng)域的應(yīng)用，為學(xué)生畢業(yè)就業(yè)創(chuàng)造更多的機(jī)會。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中最核心的人才資源，我們形成了一支教學(xué)理念先進(jìn)、知識結(jié)構(gòu)合理、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、創(chuàng)新能力突出的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)(包括專職實(shí)驗(yàn)教師、企業(yè)技術(shù)人員、科研人員、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和專職管理人員)，構(gòu)建了科學(xué)的職稱評定制度及考核培訓(xùn)機(jī)制，完善了實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)規(guī)劃，并為其搭建個(gè)人發(fā)展平臺，以提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員綜合素質(zhì)，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

6 結(jié)語

中藥學(xué)是高等中醫(yī)藥院校特色優(yōu)勢專業(yè)，儀器分析是中藥學(xué)專業(yè)學(xué)生的主干課程之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能、科研創(chuàng)新能力及綜合能力的重要環(huán)節(jié)。我們根據(jù)QBD理念和PAT技術(shù)全過程精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，大幅度提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對中藥學(xué)專業(yè)學(xué)生知識體系的掌握及創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要推動(dòng)作用。儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革不應(yīng)該僅僅如上所述，我們將不斷地探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對出現(xiàn)的問題不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，加強(qiáng)同兄弟院校的學(xué)習(xí)交流，為提高學(xué)生的綜合素質(zhì)提供一個(gè)更好的教學(xué)平臺，為培養(yǎng)創(chuàng)新型中醫(yī)藥高級人才提供基礎(chǔ)。