藥物化學設計性實驗的開設和教學效果

段建利 束家有

(武漢大學藥學院 湖北武漢430071)

藥物化學設計性實驗的開設和教學效果

段建利 束家有*

(武漢大學藥學院 湖北武漢430071)

選擇尼群地平的合成作為藥物化學設計性實驗，實驗的實施過程分為實驗準備、實驗操作和實驗總結3個階段，有助于提高學生的學習興趣及科研能力。

藥物化學是藥學專業的必修課，其實驗課能充分體現對理論知識的綜合和運用。長期以來，藥物化學實驗的教學內容幾乎是清一色的驗證性實驗。驗證性實驗的特點是:理論課后緊跟實驗，實驗原理清楚、方法明確，易于理解和操作，學生只需按照規定的操作步驟做一些重復性的工作即可。驗證性實驗能夠訓練學生的基本操作，但對鍛煉學生解決問題、分析問題的能力，啟發學生的思維和培養創新意識力度不夠，有時，還容易使部分學生產生惰性。為了提高教學質量，發揮學生的主觀能動性和創造性，我們在藥物化學實驗中加入了設計性實驗。

1 開設設計性實驗的重要性

設計性實驗既不是基礎實驗的重復，又有別于畢業論文和科學研究，它是在學生掌握了相關的理論知識、原理、基本實驗方法與技巧，完成了一些綜合性實驗并能分析解決一定實際問題的基礎上，利用已學的理論知識和方法原理，針對特定的問題，進行實驗方案的設計、優化和創新，其核心是設計和選擇實驗方案，并檢驗方案的正確性、合理性。

設計性實驗一般沒有現成的實驗指導書，學生需要帶著設計性實驗課題，查閱大量相關的文獻資料，然后對文獻資料進行綜合分析，提出實驗方案。這種方式既能提高學生查閱文獻資料的能力，也有利于培養學生創新意識和創新能力。設計性實驗往往具有一定的難度，學生在實驗過程中會遇到一些困難，克服困難的過程也是培養學生發現問題、思考問題和獨立解決問題能力的過程，一旦問題解決，學生不僅提高了能力，還會產生成就感，從而可提高學生對實驗課的興趣和主動性、積極性。

2 設計性實驗的開設時間和內容選擇

學生在前期的學習過程中已經系統地學習了有機化學理論知識并進行了有機化學實驗訓練，具備了基本的有機化學實驗技能。考慮到以上情況，我院藥物化學實驗選擇在大三上學期開設，采用驗證性實驗和設計性實驗相結合的方式進行。先開設驗證性實驗，目的是使學生進一步熟悉并掌握一些基本操作，學會判斷合成路線的優劣。在驗證性實驗完成后，再安排設計性實驗。這樣就有了一個循序漸進的過程，使學生能逐漸進入狀態，有利于發揮學生的主動性和創造性。

設計性實驗的選題是整個設計性實驗的關鍵所在，應著眼于提高學生對所學知識的應用能力。所選課題應該覆蓋面廣、綜合性強、難度適宜。若課題過于簡單，則難以達到培養學生創新能力的目的;而若課題過于復雜，超出學生的能力范圍，又容易使學生喪失信心，難以得到預期的效果。藥物化學設計性實驗應選擇典型、難度適當、具有多條合成路線的實驗，以體現設計性實驗的探索性和創造性。

到目前為止，1，4-二氫吡啶類化合物仍然被認為是最有效的鈣離子拮抗劑，對這類化合物的設計和研究仍然是當前的熱點。尼群地平是這類化合物的典型代表，因其療效確切，毒副作用小，價格便宜，已廣泛用于輕、中度高血壓患者的臨床治療。因此，選擇尼群地平的合成作為設計性實驗。Hantzsch吡啶合成法是合成對稱的1，4-二氫吡啶類化合物的經典方法。對不對稱的尼群地平可采用改良的Hantzsch吡啶合成法。

該設計性實驗的優點為:

(1)反應步驟多。學生經過有機化學和前期的藥物化學驗證性實驗學習后，已經掌握了基本操作和典型制備方法，有能力進行多步合成的嘗試。本反應為3步，反應之間具有連續性，而且該合成工藝來源于工業生產，具有很強的實踐性，這些有助于激發學生的學習興趣。

(2)合成路線多。合成路線的選擇至關重要，學生目前只能根據所查找的文獻資料，并結合實驗原料的易得性、現有實驗室條件等因素，對合成路線進行分析，選擇最佳路線。若合成路線太少，將失去設計性實驗的意義。

(3)反應時間緊湊。雖然本實驗是多步反應，但每一步反應時間都不太長，如果進行順利的話，一天就可以完成所有反應，得到最終產物。在進行實驗時，由于每一步的反應時間都不長，學生一直處于忙碌狀態，有助于提高學生的積極性。相對而言，有些驗證性實驗的反應時間很長，學生在等待反應進行時無事可做，久而久之就會對實驗產生厭倦情緒。

(4)有氣體參加反應。在以往的實驗中，反應物多為液體或固體，而本實驗中有氨氣作為氣體參加反應，這是該設計性實驗的一個特點。學生在實驗過程中學會了在反應中引入氣體的方法，同時還了解了使用氣體進行實驗的安全知識。

3 設計性實驗的實施

整個設計性實驗的實施分為3個階段。

3.1 實驗準備階段

教師在學生進行設計性實驗前一個月布置實驗題目。學生利用業余時間查閱文獻資料，找出可能的合成路線及反應條件，并對路線進行匯總、分析，提出自己的實施方案。學生以組為單位以報告的形式上交實驗方案。實驗方案要求對實驗原理、所需原料和試劑、所需儀器和裝置、實驗步驟等進行詳細說明，并附參考文獻。教師根據實驗室現有條件和方案的可行性、安全性，對學生上交的實驗方案進行修改。教師和學生之間反復溝通，形成最終的實驗方案。

具體反應路線如下:

①β-氨基巴豆酸甲酯的合成:

②2-(3-硝基亞芐基)乙酰乙酸乙酯的合成:

③尼群地平的合成:

雖然都是采用改良的Hantzsch吡啶合成法，但可有不同的選擇。在第一步反應中，可用的氨源比較多，綜合考慮產率和技術成熟度，80%的學生選擇氨氣作為氨源，其余學生選擇乙酸銨作為氨源;對于相同的氨源，也可以選擇不同的催化劑和溶劑。在第二步反應中，選擇硫酸和乙酸為催化劑的學生各占50%。

3.2 實驗操作階段

在這一階段，學生要根據擬定的實驗方案完成實驗。為了充分發揮學生的自主性和創造性，教師不再集中強調操作要點和注意事項，而由學生自己統籌安排實驗進程。但教師并不是完全放任自流，而是及時糾正學生的錯誤操作，保證實驗室安全，協助學生解決實驗中出現的問題。

反應完成后，樣品的純化、干燥、熔點測定由學生獨立完成，IR、MS、NMR由大型儀器主管教師指導學生完成。整個設計性實驗完成后，要求學生提交論文樣式的實驗報告。

3.3 實驗總結階段

在這一階段，教師根據學生實驗過程中的表現、實驗結果、實驗報告的書寫等情況，給出設計性實驗的最后成績。

4 設計性實驗的開設效果

教學效果是反映實驗教學改革是否成功的重要指標。我院藥物化學設計性實驗的教學效果主要體現在以下幾個方面:

(1)提高了學生的學習興趣。

設計性實驗沒有具體的實驗方案，學生帶著實驗題目，自己去尋找實驗方法，這需要查閱大量的文獻資料并安排實驗。設計性實驗有一定的難度，學生在文獻查閱、實驗方案設計和實驗過程中通常都會遇到一些問題，而設計性實驗又是以學生為主體，讓學生充分發揮自己的自主性和創造性，所有遇到的問題首先都需要學生自己來思考、解決，從而提高了學生分析問題、解決問題的能力，激發了學生的學習積極性和學習興趣。

(2)使學生掌握了科研的方法。

整個科研過程可分為查閱文獻、討論并確定方案、進行實驗、結果討論這樣幾個步驟。而設計性實驗也是給出實驗題目，讓學生自己去查閱文獻，尋找實驗方案，寫出實驗報告。藥物化學設計性實驗的開設可使學生對如何進行科研工作有初步的了解;對實驗過程中問題的分析可使學生把理論知識和實驗結合起來，有助于提高對知識的應用能力和實踐能力。

(3)提高了學生的科研能力。

藥物化學設計性實驗不僅改變了學生對實驗課的態度，而且也培養了學生的科研能力，激發了學生的科研興趣。學校為了培養“三創”人才，每年都會資助一些本科生業余科研項目。我院的藥物化學設計性實驗開設后，申報武漢大學本科生業余科研項目的人數有明顯上升。目前，我院每年都有8～9個本科生業余科研項目在學校成功立項。而且，開設藥物化學設計性實驗后，教師普遍反應參加教師課題組做業余科研的本科生的科研能力明顯提高，學生畢業論文的質量也有顯著提高。

不僅學生收獲頗多，教師也在設計性實驗中獲益匪淺。設計性實驗的教學方式與常規的實驗教學完全不同，教師要把握好自己在設計性實驗中的作用，充分發揮學生的自主性和創造性，同時，也要很好地掌控全局。設計性實驗涉及到的知識點比較多，綜合性比較強，教師需要多花時間來鉆研，對學生的實驗方案提出合理化的建議。在實驗過程中，學生可能遇到的問題也比較多，教師必須具備應付突發事件的能力。

總之，設計性實驗能適應當前教學改革的要求，突出學生的主導地位，調動學生的積極性和主動性，同時，對教師業務水平的提高和實驗室的建設發展也能起促進作用。

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