從基礎實驗到專業實驗
——在實驗中認識藥學

張霽頤 馮琦琦 蔣雪云

(首都醫科大學藥學院,北京 100069)

在國家的發展過程中,人民的衛生健康安全是重中之重[1],加之新冠肺炎疫情的暴發,保護人民衛生安全的公共衛生醫藥事業正式成為了社會中心。隨之而來的巨大挑戰是培養一代代優秀的衛生健康人才守護人民的生命安全,各大醫學院校紛紛嘗試在教學方法和設計中進行改革,以求佳效[2]。首都醫科大學藥學院自2004年建院以來,緊跟上級政策方針,堅持走改革創新之路,嘗試新鮮特色的教學模式、打造國家級實驗教學中心、開設特色實驗課程、建設虛擬仿真項目等,多位一體,將科研、教育置于首位不斷努力,力求做到敢為人先、精品教學。在2021 年6 月22 日高等教育評價專業機構軟科發布專業排名中,藥學專業共有121 所院校參與,首都醫科大學藥學院四年制藥學專業排名第11,這讓我們作為藥學院一份子倍感驕傲。

藥學院為培養藥學生的科研能力和動手能力,建立了規范的實驗教學中心,并配備專業老師及規范化的實驗儀器和設備;同時搭載了線上虛擬實驗中心,保證學生能夠及時復習鞏固并有機會接觸危險性高、環境要求高的實驗。線上利用虛擬實驗鞏固知識和操作,線下動手實操及時提問并答疑,這種混合式藥學實驗教學模式的應用頗有成效。課程負責人設計實驗教學計劃,匹配相應的理論課程。通過基礎化學實驗Ⅰ到基礎化學實驗Ⅳ的基礎實驗課程的學習,讓學生掌握實驗的基本技能。為了進一步深化專業藥學知識,大三年級下學期設置專業藥學實驗課程與專業理論課程相互匹配,使學生在本科階段可以接觸新藥研究的整個過程,通過反復練習掌握技術操作方法,培養學生對科研的興趣、對專業的熱愛。

1 實驗課程設置與意義

1.1 課程設置

藥學院學生平均每學年實驗課與理論課的課時比為1 ∶2,僅大三一年就長達199 學時,是所有課程中占比最大的。藥學學科的特色是建立在實驗操作的基礎上的。通過長時間的練習讓學生理解理論知識、掌握實驗技能。實驗課程設置分為3 個階段,第一階段是基礎化學實驗,任課教師對化學實驗課程進行合理的設計與安排,撰寫了《基礎化學實驗I》等共四冊實驗講義,匹配基礎課程無機化學到物理化學的基本內容,保證藥學專業的學生夯實基礎;第二階段是波譜解析實驗,學生通過使用磁共振儀、質譜儀等大型儀器來對化合物進行結構解析,進一步深化了對波譜解析課程的認識,明確大型儀器在藥學中的重要地位和應用方法;第三階段是專業藥學實驗,課程內容及工作量區別于前述基礎化學實驗,專業藥學實驗課時增加,內容涉及藥物設計、藥物合成、藥物鑒定、藥物活性評價、藥物處方篩選、藥物劑型制備、利用活性評價的結果指導藥物結構優化、討論構效關系等環節,開拓學生的視野,引領學生走進科研創新之路(圖1)。課程設置分成3 個階段,層層遞進,逐步從普通的理學學科轉化到醫學應用性學科,實現了從基礎化學實驗過渡到專業藥學實驗的目的,對于學生的教育也實現了從簡單到復雜的遞進,使學生對專業知識易于接受和理解。

圖1 首都醫科大學藥學院實驗課程設置

1.2 搭載虛擬實驗

藥學實驗在設計和進行過程中存在許多限制性。由于條件的制約和儀器的需求等原因,使學生只能在專業的實驗室進行實驗,加之部分實驗對實驗環境的要求高,如細胞操作、生物安全相關實驗、應用于反應材料危險性高如乙醚、氫氣等、操作特殊性如生產車間相關技術導致無法在教學水平開設相關實驗[3],許多實驗無法在實驗室直接操作,也無法實現讓學生按照自己的學習節奏多次反復鞏固練習,做到融會貫通,熟練掌握[4]。藥學院設計虛擬仿真實驗,將實驗安全置于首位的同時,幫助學生設計多種操作軟件,在虛擬界面上盡量實現操作的真實化。通過預習、考核等多個不同模塊和不同的操作要求,讓學生在線上不受上述限制條件制約,能夠隨時操作想要復習的實驗技術、近距離真實接觸難以在實驗室實現的GMP 生產車間的實驗等[5]。藥學院致力于保證能實不虛、虛實結合的線上搭載虛擬實驗平臺、線下依托國家級實驗教學示范中心混合教學、夯實基礎,幫助學生在藥學的專業學習上打牢根基[6]。

1.3 設置意義

從基礎化學實驗到專業藥學實驗,在基礎課程中我們不斷積累基礎操作技能,如分析化學中的滴定、柱色譜、HPLC 操作,以及吸量管的基本使用等,在夯實基礎的情況下,又不斷深化課內基礎知識的學習,做到學習理論知識的同時聯系實驗操作,進一步加深對理論課程的認識。實驗操作能力是學生培養創新、創業、創造三大能力的踏板[7]。首都醫科大學藥學院把自己發表的SCI 論文中的1 個化合物,串聯藥化、藥分、藥劑和藥理等專業實驗課,模擬新藥研究中的藥物設計、合成、分析與鑒定、藥物制劑和藥效學評價的全過程,再討論藥物的結構和藥效學之間的關系,使藥學專業本科生通過本課程體會到新藥研究的完整過程(圖2)[8]。力求在教學中實現多種實驗教學法并行,同時綜合實驗技術。啟發、互動、研究的思路搭配技術的組合、信息及現代化的技術[9]。通過特色的課程設計,實現教育改革,緊隨習近平總書記對于教育教學的指導方針,嚴格落實本科教育的優質化。

圖2 首都醫科大學藥學院專業技能實驗課基本流程

2 基礎化學實驗與專業藥學實驗的對比

基礎化學實驗課程中,每次的實驗課相互獨立,彼此互不干擾,如某次課固定學習酸堿滴定、某次課固定學習柱色譜,不同的基礎技術在不同的課堂上進行學習并掌握;同時,基礎化學實驗對于課前預習、課后實驗數據的處理要求比較基本,采用上交活頁實驗報告紙的方式對學生進行檢查和指導;此外,在學習基礎化學實驗時,為了讓學生明白實驗本身的意義,每一個獨立的實驗單元都是非常成熟的,實驗結果基本上是固定的,且需要老師在實驗室內進行實驗前的指導、實驗中的答疑、實驗后的總結,指導老師在課上的任務是繁重的,學生具有的自主性和思考性雖然高于單獨上理論課,但仍然具有限制性。

專業藥學實驗課的時間和頻率由每學期90變化的時間學時的基礎實驗課跨越到144 學時的實驗課,每周延長實驗課單門課程5 學時,讓師生提前體驗到了藥學人“以實驗為基礎、以實驗室為家”的感覺。即每周半天的實驗課延長為每周一整天的實驗課程。從基礎化學實驗中機械化的操作到專業藥學實驗中,每一個實驗從開始到結束,實驗中所有的環節都需要詳細準確地記錄下來,結果的精密準確與否一直牽動著學生自己的思考。在專業藥學實驗中,我們從使用活頁的實驗報告紙改為利用實驗數據記錄本,以便于在下一次實驗操作時回顧上一次的結果,及時發現問題、分析問題并解決問題。事實上,學生平日里上課的動機也逐漸在改變,撰寫實驗報告的目的原來單純是賞心悅目同時獲得優秀的成績,逐漸轉變為記錄給自己看、發現問題和解決問題。另外,指導老師在實驗課上有針對性地介紹原理和實驗操作步驟,其余均需要學生自行把控,給了學生很大的思考空間。從老師幫助解決問題,到學生自己提出問題、分析問題并解決問題,這種轉變也是基礎化學實驗到專業藥學實驗不斷深化的過程。

基礎化學實驗是對基本化學知識的熟悉和掌握,明確基本的操作技術。在首都醫科大學,除了藥學專業學生需要學習基礎化學實驗課程,其他專業學生也設置了相關課程,是一種通識的教學內容。作為未來的科研人員,我們必須要掌握移液管、天平等的標準使用方法,保證實驗過程的準確性和可重復性。但是藥學基于化學卻不完全是化學,其中擴充了生物化學、分子生物學等多學科的知識,是交叉領域的應用[10]。藥學專業學生的研究要以應用價值為導向,要明確每一次研究目的,確定研究價值,同時基礎化學實驗收獲的知識和技能都需融會貫通并加以利用。專業藥學除了基本的化學,結合藥劑學、藥物分析學等專業知識,研究地更加深入。

3 專業藥學實驗課的收獲

我們的專業藥學實驗課,對比其他高校的藥學專業實驗課,沒有按照理論課程的藥理、藥化等分開涉獵,是選擇將其融為一體,提前感受到了未來在工作中相對較為準確的順序和可能出現的問題。在專業知識問題上,逐步深化理論與實驗的學習,我們的收獲是莫大的。而在科研意識、新藥合成的基本操作和實驗設計思路等方面都會面臨的問題上,我們提前與之相見,打有準備之仗必然是有利的。

3.1 理論知識的深化

在基礎化學實驗中,學生通過理論與實驗的交叉式學習,能夠深化理論課基本知識點的掌握,如理論課上講授相圖的原理,實驗課上學習相圖的應用,同時掌握基本的化學實驗操作,為后續的學習和實驗扎實基礎。在專業藥學實驗中,以藥物化學、藥理學、藥劑學為基礎,對基礎化學進行融合,能夠掌握與藥物化學相關的重要有機反應的機制并準確應用在實驗中,如有機課中學習基團保護的方法,實驗中進行實操,深化基團保護的應用。“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行。”理論與實踐統一結合,在失敗中不斷進步,只有對原理的準確把握,才能在每一次的操作中找到問題所在,優化實驗方案,獲得目標結果。

3.2 實驗技能的提高

理論學習是第一步,但以化學為核心的藥學學科終須學生掌握實驗技能,結論建立在實驗現象的基礎上,實驗現象的準確建立在基本規范的實驗操作上。首都醫科大學藥學院以實驗課程學時長,課程特色鮮明著稱。長期的基礎實驗課訓練可形成系統扎實的實驗技能,面面俱到,將標準的各項操作技術全面掌握,移步到專業藥學實驗,在通盤的基礎操作中綜合利用,學生會在一次次的嘗試中找到最適合自己的實驗節奏、找到最舒服的實驗操作規程。通過不斷選擇更優需求,掌握更常用的技術手段,化繁為簡,為以后的工作提供便利。

3.3 科研操作的規范

實驗操作僅是完成科研任務最基本的技能。隨著專業學習的深入,我們越發明確對于基礎科研領域,發文章、好的實驗結果是基礎科研工作者們的目標,急功近利會造成學術造假,由此被撤稿的例子比比皆是。而對于化學實驗,可重復性的重要性不容小覷,因為捏造數據是最簡單的捷徑。在專業藥學實驗中,學生不斷深化學術的嚴謹性,要求實驗記錄得真實、準確、完整;同時,做實驗要具有條理性、專業性、邏輯性。不能想起一出是一出,專業藥學實驗要求學生能夠自行收拾一套完整的實驗儀器,為自己的儀器負責,小到清洗儀器如反應過程中發現玻璃器皿污漬影響實驗結果需要重新來過為自己的粗心負責,大到有效數字的取舍,學術態度的端正均能在專業藥學實驗中得以明確和建立。

3.4 新藥研發的臨床前研究思路

通過專業理論課的學習,學生在藥物化學、藥理學、藥劑學等課程中不斷明確新藥研發的思路,將所學運用才是學習的目標。在專業藥學實驗課中,從計算機輔助藥物設計開始進行初步模擬分子篩選,選擇最合適的化合物為目標,利用逆合成分析合成化合物,后續的純化、波譜解析、劑型的制備、藥理活性的確定,基本囊括了藥物設計的前期具體步驟,明確了新藥合成思路的流程,在藥物研發的臨床前研究階段,讓學生在兩個學期的專業實驗中都盡可能地了解多數實驗技術。學生不僅在教學中心做合成,還可以在科研樓對大型儀器進行探索,從合成到活性評價均有所涉獵。讓學生在實驗的同時對于藥學人的基本工作思路有了具象的認識,理解作為基礎科研工作者在工作中的基本框架和邏輯順序,對日后的工作有了更清晰的認識。

3.5 科研表達能力的提升

基礎科研工作不只是案前的實驗、完成后的數據處理。我們同樣需要與其他工作者的溝通交流合作能力。要能夠傾聽他人的實驗思路、實驗結果,探索問題、解決問題;同時也要能夠表達自己的實驗思路、實驗進程、存在的問題,要有解決問題的方案,能回答出他人提出的問題。在交流和探討的過程中,科研能力才能進步。在課程結束后,學生會以提交科研論文以及小組匯報的形式進行試講,答辯過程中觀眾可以進行提問和相互交流,促進更加深入的理解和思考。這類啟發式教學可全面推動師生交流,培養學生獨立創新的思維[11]。展示匯報不僅是課堂翻轉,也是展示自我的機會,能夠自主思考厘清邏輯,提升了自我科研表達能力[12]。在專業藥學的課程徹底結束后,我們還需要上交論文,總結整個學期的成果和內容,這鍛煉了我們撰寫論文、厘清實驗思路的能力。

4 結語

層層遞進的藥學實驗課的設計讓學生不斷感受到藥學的學習就像是在走臺階一樣,在基礎化學實驗中打牢堅實的地基,在專業藥學實驗課上認識并理解藥學科研工作思路與方向,逐步深化。這種設計讓學生即使是馬上走上工作崗位也毫無畏懼,論基礎有過硬的基本操作能力和理論知識的儲備,提升了解藥物臨床前研究的必要步驟和流程操作。

2019 年至今,新冠肺炎疫情的暴發和持續不斷,醫藥衛生事業的發展成為了捍衛人民衛生健康的重要保障。藥學院力求育人育才,打造特色的教育教學方法,實現教學改革。在不斷改革嘗試的過程中,實現培養藥學優秀人才,為祖國的醫藥衛生事業做出基礎貢獻[13]。同理,正是新冠肺炎疫情發展至今,讓我們不斷敲響警鐘,藥學專業對于祖國乃至國際衛生安全的重要性。我們必須認真對待每一次的實驗課,將上述在專業藥學實驗的收獲內化于心、外化于行。落實操作方法、明確藥學基礎臨床前研究的根本目的是研發出有用的藥物并用于疾病。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明張霽頤:撰寫論文;馮琦琦:修改論文,對實驗課程的設置提供支持;蔣雪云:審訂論文,明確文獻引用