樊玲玲，湯 磊，李 永

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

實驗教學(xué)是高等院校本科及研究生教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，在提高學(xué)生動手能力、創(chuàng)新精神和實踐能力方面發(fā)揮著重要作用。目前，傳統(tǒng)的藥學(xué)及化學(xué)專業(yè)本科實驗教學(xué)大多數(shù)是將有機化學(xué)、儀器分析、藥物化學(xué)等課程的實驗分開開設(shè)，實驗內(nèi)容由教師指定，操作模式為“照方抓藥”。此類教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生對實驗課缺乏積極性，同時也不會主動對實驗過程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象和結(jié)果進行分析，且學(xué)生修完課程后對各個學(xué)科所學(xué)知識不能融會貫通和靈活運用，創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力沒有得到有效提高[1-5]。根據(jù)國家實現(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)模式已不能滿足國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。因此，探索與尋找新的實驗教學(xué)方式對人才的培養(yǎng)具有重要意義。

近幾年，開放性實驗作為一種新興的教學(xué)方式，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的改革和補充，其特點是學(xué)生作為實驗主體，且實驗內(nèi)容兼具設(shè)計型和綜合型。實踐證明，開放性實驗不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和綜合素質(zhì)，而且對學(xué)生個性發(fā)展和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有顯著作用[6-11]。因此，為了彌補現(xiàn)有實驗教學(xué)效果的不足，秉承“以人為本”的教學(xué)理念，我校鼓勵學(xué)生充分利用課余時間，將多個學(xué)科相關(guān)知識交叉融合進行開放性實驗申報，并在教師的指導(dǎo)下獨立完成整個項目，力爭提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)科學(xué)研究思維、團隊協(xié)作精神及創(chuàng)新意識，為后期的進一步深造學(xué)習(xí)和相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

1 教學(xué)組織與實施

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

1.1 查閱文獻確定實驗內(nèi)容

在本科學(xué)習(xí)階段，學(xué)生很少接觸到國內(nèi)外學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫，對如何檢索專業(yè)文獻也知之甚少。因此，為了提高學(xué)生對科技論文的檢索能力和閱讀能力，同時提高其學(xué)術(shù)英語水平。我們根據(jù)本校圖書館現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫資源，對學(xué)生進行文獻檢索課程的培訓(xùn)，主要包括中國知網(wǎng)、維普、萬方等中文數(shù)據(jù)庫及ScienceDirect、PubMed和Web of Science等外文數(shù)據(jù)庫。學(xué)生通過檢索文獻可以了解自己所選研究方向的最新動態(tài)，及所選課題的科學(xué)意義、研究價值。

經(jīng)過文獻調(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道。鑒于此，學(xué)生選擇以丁苯酞為研究對象，進行衍生物的合成、分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定和抑菌活性測試等工作。

1.2 教學(xué)組織

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

圖1 開放性實驗實施流程Fig.1 The open experiment implementation process

1.3 薄層層析板制備

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

1.4 化合物的合成

在有機化學(xué)實驗中，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，同時很少用到紫外燈、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等儀器設(shè)備。因此，在開放性實驗中加入各種類型的有機合成反應(yīng)，不僅有利于學(xué)生對有機化學(xué)理論知識的理解，還能掌握其他的分離純化手段及儀器設(shè)備使用方法。

本次實驗涉及到有機化學(xué)理論課程中有機含氮雜環(huán)化合物的制備相關(guān)知識，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，常見的為Fe/HCl、Sn/HCl等。通過分析現(xiàn)有文獻報道的合成方法，實驗操作難易程度，同時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作為還原試劑來制備丁苯酞衍生物(圖2)。在合成實驗準(zhǔn)備過程中，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)和價格，同時根據(jù)整個實驗的用量進行購買，避免試劑的浪費和所造成的環(huán)境污染。在化合物的合成過程中，學(xué)生首先根據(jù)實際需要確定反應(yīng)的投料量，同時密切跟蹤反應(yīng)進程，并根據(jù)反應(yīng)效果對反應(yīng)條件進行優(yōu)化。通過該環(huán)節(jié)的鍛煉，不僅加深了學(xué)生對有機化學(xué)反應(yīng)機理的理解，而且增強了學(xué)生對整個實驗的統(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，但靈活運用所學(xué)知識解析新化合物的能力較差。因此，我們借助學(xué)院的大型儀器實驗平臺，通過讓學(xué)生觀摩和動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。同時結(jié)合1HNMR、13CNMR和HRMS譜圖對所合成的6-硝基丁苯酞(圖3)和6-氨基丁苯酞(圖4)進行了結(jié)構(gòu)確認，讓學(xué)生結(jié)合真實的圖譜了解有機化合物各官能團氫原子和碳原子的出峰位置，基本學(xué)會了根據(jù)多種譜圖信息解析化合物結(jié)構(gòu)的方法。進一步將理論與實踐教學(xué)有機結(jié)合，使學(xué)生對現(xiàn)代儀器分析有了更深刻的認識。

圖3 6-硝基丁苯酞氫譜和碳譜Fig.3 The 1HNMR and 13CNMR spectra of compound 6-nitrobutylphthalide

圖4 6-氨基丁苯酞氫譜和碳譜Fig.4 The 1HNMR and 13CNMR spectra of compound 6-aminobutyphthalide

1.6 化合物抑菌活性測試

在藥學(xué)本科開設(shè)的課程中，沒有涉及到對有機化合物的活性篩選實驗，學(xué)生無法深刻體會到科學(xué)研究的意義和價值。植物病原真菌作為常見的植物病害之一，對全球糧食產(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)書籍上了解過其形態(tài)和特征，從未實際接觸過，同時也不清楚農(nóng)藥抑菌劑開發(fā)的整個過程。因此，結(jié)合教師的科研內(nèi)容和實驗可操作性，學(xué)生采用菌絲生長速率法[13]，親自動手測試了所合成化合物對五種常見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)的基本過程和科學(xué)研究的價值，而且掌握了化合物抑菌活性測試方法。

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

2 開放性實驗教學(xué)效果

為了更客觀的評價本次開放性實驗的教學(xué)效果，為以后此類實驗的開設(shè)積累經(jīng)驗。我們要求學(xué)生從實驗操作技能、文獻檢索能力、團隊合作能力、數(shù)據(jù)分析能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)等多個方面對本次開放性實驗的教學(xué)效果進行了總結(jié)和評價。從總結(jié)報告可以看出，學(xué)生對于本次開放性實驗的教學(xué)內(nèi)容和效果表示非常滿意，認為此次開放性實驗將有機化學(xué)、天然產(chǎn)物化學(xué)、儀器分析和波譜解析等課程所學(xué)的零散知識進行了相互結(jié)合，同時加入了活性測試環(huán)節(jié)的科研訓(xùn)練，整個課題難度適宜，實驗環(huán)節(jié)雖然具有挑戰(zhàn)性，但又充滿了樂趣。其次，學(xué)生通過克服實驗中遇到的各種困難深刻感受到了科學(xué)研究的不易，體會到了科學(xué)研究的價值。從他們的反饋中也充分證明了開放性實驗在增強學(xué)生動手能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識方面有著傳統(tǒng)教學(xué)方式不可比擬的優(yōu)勢。此外，部分學(xué)生也對本次實驗提出了些許意見和建議，希望學(xué)校在經(jīng)費允許的條件下，多開設(shè)開放性實驗課題，提高整個學(xué)院學(xué)生的參與度。

3 結(jié) 語

開放性實驗作為第二課堂，是對傳統(tǒng)教學(xué)的補充和完善，其在提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、思維能力、創(chuàng)新水平和核心競爭力方面發(fā)揮著重要作用。此次開放性實驗將化合物的合成與生物活性測試相結(jié)合，綜合了有機化學(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，不僅使學(xué)生了解了科學(xué)研究的基本環(huán)節(jié)和思路，而且加強了學(xué)生的基礎(chǔ)實驗技能，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識?？梢?，開放性實驗教學(xué)模式值得在各個學(xué)科之間進行推廣和完善。