多學(xué)科交叉開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)在藥學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用*

樊玲玲，湯 磊，李 永

(貴州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校本科及研究生教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，在提高學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面發(fā)揮著重要作用。目前，傳統(tǒng)的藥學(xué)及化學(xué)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多數(shù)是將有機(jī)化學(xué)、儀器分析、藥物化學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)分開(kāi)開(kāi)設(shè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由教師指定，操作模式為“照方抓藥”。此類(lèi)教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課缺乏積極性，同時(shí)也不會(huì)主動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析，且學(xué)生修完課程后對(duì)各個(gè)學(xué)科所學(xué)知識(shí)不能融會(huì)貫通和靈活運(yùn)用，創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力沒(méi)有得到有效提高[1-5]。根據(jù)國(guó)家實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的目標(biāo)，傳統(tǒng)“照方抓藥”的教學(xué)模式已不能滿足國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。因此，探索與尋找新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式對(duì)人才的培養(yǎng)具有重要意義。

近幾年，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)作為一種新興的教學(xué)方式，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革和補(bǔ)充，其特點(diǎn)是學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)主體，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兼具設(shè)計(jì)型和綜合型。實(shí)踐證明，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和綜合素質(zhì)，而且對(duì)學(xué)生個(gè)性發(fā)展和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有顯著作用[6-11]。因此，為了彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的不足，秉承“以人為本”的教學(xué)理念，我校鼓勵(lì)學(xué)生充分利用課余時(shí)間，將多個(gè)學(xué)科相關(guān)知識(shí)交叉融合進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)申報(bào)，并在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成整個(gè)項(xiàng)目，力爭(zhēng)提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)科學(xué)研究思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神及創(chuàng)新意識(shí)，為后期的進(jìn)一步深造學(xué)習(xí)和相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

1 教學(xué)組織與實(shí)施

首先，學(xué)生根據(jù)已掌握的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，并結(jié)合自身興趣、指導(dǎo)教師的科研方向及學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研確定課題研究方向及內(nèi)容；其次，通過(guò)可行性分析確定研究方案并購(gòu)買(mǎi)相關(guān)合成及生物活性測(cè)試所需試劑、材料；最后，在指導(dǎo)教師的協(xié)助下獨(dú)立完成整個(gè)化合物合成，譜圖解析、活性測(cè)試和數(shù)據(jù)分析工作。

1.1 查閱文獻(xiàn)確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在本科學(xué)習(xí)階段，學(xué)生很少接觸到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)如何檢索專業(yè)文獻(xiàn)也知之甚少。因此，為了提高學(xué)生對(duì)科技論文的檢索能力和閱讀能力，同時(shí)提高其學(xué)術(shù)英語(yǔ)水平。我們根據(jù)本校圖書(shū)館現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)資源，對(duì)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)檢索課程的培訓(xùn)，主要包括中國(guó)知網(wǎng)、維普、萬(wàn)方等中文數(shù)據(jù)庫(kù)及ScienceDirect、PubMed和Web of Science等外文數(shù)據(jù)庫(kù)。學(xué)生通過(guò)檢索文獻(xiàn)可以了解自己所選研究方向的最新動(dòng)態(tài)，及所選課題的科學(xué)意義、研究?jī)r(jià)值。

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，并結(jié)合指導(dǎo)教師的研究方向和自身的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生發(fā)現(xiàn)臨床上用于治療急性缺血性腦卒中的天然藥物丁苯酞，在抗氧化、抗凝血、抗炎等醫(yī)用活性方面研究較多，而基于農(nóng)用生物活性的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，學(xué)生選擇以丁苯酞為研究對(duì)象，進(jìn)行衍生物的合成、分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定和抑菌活性測(cè)試等工作。

1.2 教學(xué)組織

本次開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)共24學(xué)時(shí)，12名同學(xué)參加，二人一組。其中文獻(xiàn)檢索2學(xué)時(shí)、薄層層析板制備2學(xué)時(shí)，6-硝基丁苯酞和6-氨基丁苯酞的合成各4學(xué)時(shí)，結(jié)構(gòu)鑒定及譜圖解析2學(xué)時(shí)，化合物抑菌活性測(cè)試8學(xué)時(shí)，結(jié)果分析及報(bào)告撰寫(xiě)2學(xué)時(shí)。

圖1 開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程Fig.1 The open experiment implementation process

1.3 薄層層析板制備

在合成藥物研究過(guò)程中，薄層層析制備板作為有機(jī)化合物及天然產(chǎn)物分離純化常用的實(shí)驗(yàn)材料，在本校藥學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中未曾用到。因此，為了開(kāi)闊學(xué)生眼界和鍛煉其動(dòng)手能力，我們通過(guò)讓學(xué)生親自制備薄層層析板[12]并進(jìn)行化合物的分離純化，實(shí)踐與理論相結(jié)合加深學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的理解。

1.4 化合物的合成

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常很少涉及到多步反應(yīng)的合成，化合物的純化也均采用重結(jié)晶的方法，同時(shí)很少用到紫外燈、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等儀器設(shè)備。因此，在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)中加入各種類(lèi)型的有機(jī)合成反應(yīng)，不僅有利于學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)理論知識(shí)的理解，還能掌握其他的分離純化手段及儀器設(shè)備使用方法。

本次實(shí)驗(yàn)涉及到有機(jī)化學(xué)理論課程中有機(jī)含氮雜環(huán)化合物的制備相關(guān)知識(shí)，主要分為硝化和還原兩步反應(yīng)。首先，硝化反應(yīng)是制備芳香族硝基化合物的主要方法，也是重要的親電取代反應(yīng)之一，常用的硝化試劑為濃硝酸和濃硫酸的混合物；其次，硝基還原有多種方法，常見(jiàn)的為Fe/HCl、Sn/HCl等。通過(guò)分析現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的合成方法，實(shí)驗(yàn)操作難易程度，同時(shí)考慮到丁苯酞特有的內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)，學(xué)生選擇以濃H2SO4/KNO3作為硝化試劑，F(xiàn)e/NH4Cl作為還原試劑來(lái)制備丁苯酞衍生物(圖2)。在合成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，學(xué)生需要在指導(dǎo)教師推薦的各大試劑網(wǎng)上查閱所用到的各種化學(xué)試劑的品質(zhì)和價(jià)格，同時(shí)根據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的用量進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)，避免試劑的浪費(fèi)和所造成的環(huán)境污染。在化合物的合成過(guò)程中，學(xué)生首先根據(jù)實(shí)際需要確定反應(yīng)的投料量，同時(shí)密切跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，并根據(jù)反應(yīng)效果對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)該環(huán)節(jié)的鍛煉，不僅加深了學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的理解，而且增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力。

圖2 化合物合成路線及分離純化過(guò)程圖Fig.2 The synthesis and purification of compounds

1.5 化合物結(jié)構(gòu)鑒定

在波譜解析課程教學(xué)中，雖然學(xué)生學(xué)習(xí)了氫譜、碳譜、質(zhì)譜、紅外等化合物結(jié)構(gòu)鑒定的常用手段，但靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解析新化合物的能力較差。因此，我們借助學(xué)院的大型儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)讓學(xué)生觀摩和動(dòng)手操作核磁共振儀及高分辨質(zhì)譜儀，使其更加深刻了解了這些儀器的構(gòu)造和工作原理。同時(shí)結(jié)合1HNMR、13CNMR和HRMS譜圖對(duì)所合成的6-硝基丁苯酞(圖3)和6-氨基丁苯酞(圖4)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)確認(rèn)，讓學(xué)生結(jié)合真實(shí)的圖譜了解有機(jī)化合物各官能團(tuán)氫原子和碳原子的出峰位置，基本學(xué)會(huì)了根據(jù)多種譜圖信息解析化合物結(jié)構(gòu)的方法。進(jìn)一步將理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代儀器分析有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

圖3 6-硝基丁苯酞?dú)渥V和碳譜Fig.3 The 1HNMR and 13CNMR spectra of compound 6-nitrobutylphthalide

圖4 6-氨基丁苯酞?dú)渥V和碳譜Fig.4 The 1HNMR and 13CNMR spectra of compound 6-aminobutyphthalide

1.6 化合物抑菌活性測(cè)試

在藥學(xué)本科開(kāi)設(shè)的課程中，沒(méi)有涉及到對(duì)有機(jī)化合物的活性篩選實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法深刻體會(huì)到科學(xué)研究的意義和價(jià)值。植物病原真菌作為常見(jiàn)的植物病害之一，對(duì)全球糧食產(chǎn)量及食品安全具有重要影響，而我們的學(xué)生僅從相關(guān)書(shū)籍上了解過(guò)其形態(tài)和特征，從未實(shí)際接觸過(guò)，同時(shí)也不清楚農(nóng)藥抑菌劑開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程。因此，結(jié)合教師的科研內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)可操作性，學(xué)生采用菌絲生長(zhǎng)速率法[13]，親自動(dòng)手測(cè)試了所合成化合物對(duì)五種常見(jiàn)植物病原真菌的抑制作用，并發(fā)現(xiàn)了具有一定抑菌活性的化合物(圖5)。通過(guò)該階段的學(xué)習(xí)，使學(xué)生不僅了解了微生物培養(yǎng)的基本過(guò)程和科學(xué)研究的價(jià)值，而且掌握了化合物抑菌活性測(cè)試方法。

圖5 化合物對(duì)植物病原真菌菌絲抑制作用Fig.5 The inhibitory effect of compounds on plant pathogenic fungi

2 開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

為了更客觀的評(píng)價(jià)本次開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，為以后此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。我們要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)操作技能、文獻(xiàn)檢索能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、數(shù)據(jù)分析能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)等多個(gè)方面對(duì)本次開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)。從總結(jié)報(bào)告可以看出，學(xué)生對(duì)于本次開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和效果表示非常滿意，認(rèn)為此次開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)將有機(jī)化學(xué)、天然產(chǎn)物化學(xué)、儀器分析和波譜解析等課程所學(xué)的零散知識(shí)進(jìn)行了相互結(jié)合，同時(shí)加入了活性測(cè)試環(huán)節(jié)的科研訓(xùn)練，整個(gè)課題難度適宜，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)雖然具有挑戰(zhàn)性，但又充滿了樂(lè)趣。其次，學(xué)生通過(guò)克服實(shí)驗(yàn)中遇到的各種困難深刻感受到了科學(xué)研究的不易，體會(huì)到了科學(xué)研究的價(jià)值。從他們的反饋中也充分證明了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)在增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)方面有著傳統(tǒng)教學(xué)方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。此外，部分學(xué)生也對(duì)本次實(shí)驗(yàn)提出了些許意見(jiàn)和建議，希望學(xué)校在經(jīng)費(fèi)允許的條件下，多開(kāi)設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)課題，提高整個(gè)學(xué)院學(xué)生的參與度。

3 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)作為第二課堂，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的補(bǔ)充和完善，其在提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、思維能力、創(chuàng)新水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力方面發(fā)揮著重要作用。此次開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)將化合物的合成與生物活性測(cè)試相結(jié)合，綜合了有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、波譜分析、儀器分析和微生物學(xué)等學(xué)科專業(yè)知識(shí)，不僅使學(xué)生了解了科學(xué)研究的基本環(huán)節(jié)和思路，而且加強(qiáng)了學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)?？梢?jiàn)，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式值得在各個(gè)學(xué)科之間進(jìn)行推廣和完善。