高階能力導向進階式研究性學習模式探索與實踐
——以“藥物化學”課程為例

郭文婷，趙麗，汪寶堆，馬妍，趙仲麗

1 蘭州交通大學化學化工學院，蘭州 730070

2 蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

1 引言

新時期我國高等教育全面推進“四新”建設，以提高人才培養質量。課程建設必須以提升學生高階能力為核心，調動學生主觀能動性，激發學生探究興趣，促進學生有效思考，將學生學習引向高階思維發展和高階能力培養。

藥物化學是一門連接化學與生命科學并使其融為一體的交叉學科，是關于藥物發現、發展和確證，并在分子水平研究藥物作用方式的一門學科[1]。藥物化學也是探究各類藥物分子與生物大分子之間相互作用規律的綜合性學科[2]。藥物化學課程具有較強的理論性和實踐性，且內容繁多、更新快、與多學科交叉融合，教學內容涉及新藥發明與發現、化學藥物合成、化學藥物性質、藥物結構與藥效關系、藥物在體內化學變化過程等[3,4]。應用化學專業學生首次接觸時缺少跨專業知識背景，普遍感覺課程難度大。面對教學效果不佳的問題，課程組教師通過課前問卷調查方式發現學生學習內驅力不足、學習力不強、思辨與創新意識不夠(圖1)。通過常態化教學調查反饋，得出藥物化學教學痛點：基礎藥化思維比較欠缺、高階藥化思維難以建立(圖2)。

圖1 課前問卷調查數據分布

圖2 常態化教學調查——藥物化學的教學痛點

在“健康中國”戰略背景下，教育作為支持學生面向未來的重要途徑[5]，如何才能支持面向未來的學習是課程組教師需要思考的問題。課程組教師不斷反思，從教學存在的痛點問題出發，結合近幾年指導研究生科研工作反映出的創新性不強、研究性學習能力薄弱等情況，反饋到本科藥物化學教學中[6]。本科階段的主要任務是知識的學習和積累，因此在藥物化學課程中開展研究性學習，通過設計進階式教學活動，可以培養學生的創新意識和科學思維[7]。

藥物化學是應用化學專業二年級專業課，也是培養學生具備藥物創新研發能力的基礎課程[8]。需要學生具有跨學科整合分析能力，將創新思維和專業知識相融合，從而具備發現問題、分析并解決復雜工程問題的能力。課程創新以高階能力為導向，需要學生具備研究性思維方式[9]。因此，在藥物化學課程教學創新中，我們開展了研究性學習(Inquiry-Based Learning，IBL)。課程教學設計以學生的知識基礎與學習規律為基準，將科學研究的方法用于課程學習。構建研究性教學模式，以進階式學習活動為載體，引導學生在學習活動中探索未知、發現問題、自主探究、尋找解決方法、開展科學分析、展示學習成果，實現“教學引導”與“學生探究”的同頻共振。課程教學“以學生為中心”，充分調動學生學習的自驅力，通過小組互助，主動探索，完成知識體系自主建構。在研究性學習過程中，學生的學習狀態、創新思維、問題意識、科學精神、科研方法和團隊合作精神都明顯提高。

藥物化學課程在開展研究性學習過程中以課堂為主陣地，拓展教學時空，搭建以“案例+項目”驅動“課堂活動+課外拓展”的P-MASE(Problem-Method-Analysis-Solution-Evaluation)研究性學習模型，建立教學生態圈，推動主課堂與拓展課堂無縫對接。通過P-MASE研究性學習環節完成知識探究、能力培養、思維提升、價值塑造“四位一體”的課程目標，落實立德樹人根本任務。

2 藥物化學課程P-MASE模型教學實施

藥物化學課程創新采用P-MASE模型(圖3)，該模型是由國家級教學名師張偉剛教授設計構建[10]。藥物化學課程組于2020年開始應用于課程教學實踐，采用螺旋上升的P-MASE模型，教學過程也從原來“內容為王”向“活動主導”轉變，通過引入問題(Problem)、尋找方法(Method)、科學分析(Analysis)、有效解決(Solution)及效果評價(Evaluation)五個環節讓學生自主構建藥物化學“知識體系+實踐應用”[11,12]。依據課程目標設計學習活動，遵循“學習是中心，學生是主體”理念，學習活動以問題為基點、以方法為指導、以案例為載體，以項目為牽引、以評價為動力，各環節相互關聯，相互促進，實現螺旋上升的P-MASE模型。按照學生的認知能力和探究過程設計“案例趣研+創研活動+項目挑戰”逐層遞進的教學活動。創設情境并設定進階目標，教學活動分步實施，實時觀察學習效果，收集反饋數據，不斷優化，迭代提升，教師引導與學生探索相呼應，優化師生學習共同體，促進藥物化學課程教學質量的提升。

圖3 P-MASE研究性學習模型

2.1 引入問題(Problem)——建立鏈接

抗精神病類藥物是藥物化學精神神經疾病治療藥中的重要內容，首先提出問題：精神病成因是什么？結合世界精神神經疾病發病人數上升數據和我國大學生心理健康評估數據，引發學生興趣，探究此類疾病發病原因，引出專業問題“精神病成因與多巴胺緊密相關？”鼓勵學生發現并提出不甚了解但感興趣的其他專業問題，培養學生發現問題能力，啟發學生的問題意識。從學生提問中篩選價值問題，建立“問題鏈”，將問題邏輯化，梳理思考方向，聚焦藥物設計。

2.2 尋找方法(Method)——案例趣研

針對提出的問題尋找方法，明確有哪些解決問題的方法。精神分裂癥病因是由于腦內多巴胺神經系統功能亢進，使腦部多巴胺過量，或者是由于多巴胺受體超敏所致，但當巴胺太少，又會引起帕金森病。因此，通過問題對比分析，尋找針對精神病治療的方法：既要控制多巴胺的量，又不能過度抑制造成多巴胺缺少帶來其他疾病。通過推測、類比、綜合分析等辯證方法確定藥物設計策略，可選擇多巴胺受體阻斷劑，阻斷中腦-邊緣系統及中腦-皮質通路的多巴胺受體，減低多巴胺功能，發揮抗精神病作用。但同時也會導致多巴胺受體被抑制之后，引起運動功能障礙，產生錐體外系的副反應。繼續引導學生思考其他路徑，擴充前沿藥物化學知識，在確保有效性和可行性基礎上，探索新的抗精神病藥，減少錐體外系的副反應，靈活選擇藥物設計的策略。

2.3 科學分析(Analysis)——創研活動

研究抗精神病類藥物的構效關系，開展科學分析。對比吩噻嗪類藥物、噻噸類藥物、丁酰苯類藥物結構與藥效、結構與代謝、結構與毒性的關系，選擇思維導圖或樹圖等可視化方法對比分析；開展小組研討，分析評價各類代表藥物優缺點，提出改造方法。一方面鼓勵學生積極思考，查閱文獻，拓展思維；另一方面指導學生通過小組協作，解決學習問題，匯報展示。為此，我院專業課開展小班精英化教學，每班人數不超過30人，保證學生都能參與小組學習探究。

2.4 有效解決(Solution)——項目挑戰

開展項目挑戰活動，借助科研方法和工具，以小組為單位，開展項目挑戰，調研目前臨床用于治療精神分裂癥及抑郁癥的藥物，設計既無鎮靜副作用，也無椎體外系副反應的藥物。完成研究性學習過程，小組提交調研報告和設計方案，完成匯報展示及答辯。

2.5 效果評價(Evaluation)——持續改進

效果評價是衡量研究性學習成果達成度的重要環節[13,14]，課程組教師在課程大綱中規范了學業評價要求。一方面，“以學生為中心”的評價要具體化且可量化；另一方面，基于學習活動開展學業評價，將評價作為學生學習活動環節之一，與學習活動相融合，并持續改進。對于學生，可通過參與評價活動訓練自己的批判性思維；對于教師，評價活動的設計是學生達成學習目標的手段。

(1)教學評價重過程，方式匹配教學目標。

我們創新教學評價，從標準化評判轉向個性化反饋，評價目標明確，準確恰當，建立激勵學生成長的多元過程性精準評價體系，覆蓋學習全過程，既鼓勵投入，也關心產出(圖4)。

圖4 多元化過程精準評價體系

創新評價活動，不同評價活動對應特定學習目標，評價內容與學習目標緊密一致，與學習活動相匹配，評價活動合理，評價結果才能可靠[15–17]。怎么評價往往是由評價什么來決定，不同評價目標決定不同評價方式。在日常教學實踐中，經常出現評價目標與評價活動錯位的情況。例如在分組任務中，我們對小組合作的有效性展開評價，設計評價方法匹配學習目標，通過學生在小組討論中的參與度，以及對小組任務的貢獻值排位，通過自評與互評衡量學習目標中的集體意識與集體精神。通過線下研討課中，小組最后展示的藥物結構優化方案或設計策略報告，可衡量團隊分工合理性，而團隊成員溝通的高效性則可通過課后的學生反思報告來反映。最后依據團隊任務報告可衡量小組項目挑戰活動中合作的整體成效。評價過程中，我們突出“以評促學”，課上使用學習積分，從完成任務轉為爭取表現；期末改變考試題型，從死記硬背變為分析推演；課后任務也從外在總結性評價變為內在診斷性評價，通過層級打分+平行打分方式，保證標準一致(圖5、圖6)。

圖5 創新性評價活動衡量標準

圖6 創新性評價活動——學生主體性變化

將教學創新試點采集調研的數據進行分析，相比2017級學生，2018級和2019級學生在自主意識、能力和預期方面都有顯著提升。我們也對近三年學生課程目標達成度開展分析，結果表明，學生解決復雜工程問題能力增強，課程目標達成度顯著提升(圖7)，學習投入、學業產出形成良性循環。

圖7 課程目標達成度

(2)積極導向評價體系。

積極導向評價體系是本課程以評促學的重要保障，將高階思維能力作為課程過程性考核的評估核心，重點關注激發學生學習內驅力，主要采取三種創新方式：

i)案例分析：課堂小組探究，針對提出的問題，分析藥物小分子在不同環境中的有效性，從結構推導化學性質并評述。小組5分鐘展示，組間評價，共享打分。

ii)項目挑戰：首先創設情境，讓同學經歷小組討論，拆解任務，查閱文獻，發散思維，分析推理，初步設計，調研論證，提出質疑，優化完善，最后完成項目匯報。

iii)項目挑戰頒獎禮。向在某方面有突出表現的小組頒發小獎品，對各組活動完成情況進行總結評價。優秀學生推薦參加省級以上大學生化學競賽。鼓勵學生參與開放實驗室及大創項目，提升科研能力。

3 P-MASE研究性學習模型與進階式教學活動設計相結合

藥物化學課程采用P-MASE模型與進階式教學設計相結合，課程建設以高階能力為導向，創新思維培養為核心，創新課堂為主陣地，拓展教學時空，根據每一章內容設計“案例趣研+創研活動+項目挑戰”梯度遞進立體化教學活動[18,19]。推進課程教學創新，科學方法至關重要，教學提供的不是現成知識，而是進一步研究的出發點和供這種研究使用的方法。藥物化學課程教學中，我們堅持問題導向、系統觀念，注重對科學方法論的學習和運用，透過現象看本質，關注教學創新整體框架和局部設計，關注學生當下狀態和未來發展，把握好課程的宏觀育人功能和藥物設計的微觀靶向方法，將世界觀和方法論相互聯系、有機統一。以學生團隊為主體開展P-MASE研究性學習，以“案例+項目”為驅動，以發現問題為起點，以自主探究為基礎，以科研方法為指導，以藥物構效關系為研究主線，以解決問題為目的，總結規律，提高辯證思維能力，實現對學生創新思維及能力培養。

課程組分析藥物化學課程支撐的畢業要求指標點，走進學生，了解學情，服務人才培養方案。在“以學生為中心”理念下，以“案例趣研+創研活動+項目挑戰”為載體，開展P-MASE研究性學習。學生被賦予設計高階能力導向的學習活動，強化創新思維能力培養，建立教學生態圈，推動學習活動更新迭代。

針對學生基礎藥化思維欠缺，高階藥化思維難以建立的痛點問題[20]，主課堂設計了20個教學活動，由輕到重、由易到難，分為“案例趣研–創研活動–項目挑戰”3個層次的進階任務。按照任務量、難度值以及能力培養邏輯組織教學環節(圖8–圖10)，將創新實踐能力培養嵌入課堂教學活動，貫穿理論課程教學。設計環環相扣、層層遞進的學習活動，更好地滿足學生學習和成長需求。通過學習活動，讓學生在活動中提出問題、思考問題，提高對問題的分析認知水平，經過深度思考和實踐，學會解決問題的方法和思路，培養學生高階能力和創新思維。

圖8 藥物化學課程活動分布

圖9 藥物化學課程活動量級圖

圖10 藥物化學課程活動具體分布

3.1 案例趣研——理論聯系實際，案例貼近生活

課上案例分析+研討+感悟，如講授“鎮靜催眠藥”時，引入“邁克爾?杰克遜臨終前服用超量鎮靜催眠藥”案例，學生提出問題：“鎮靜催眠藥為什么會導致死亡？其長效和短效是如何劃分的？”“這些藥物結構都一樣嗎？有哪些性質？”“鎮靜催眠藥治療失眠應當如何正確使用？”“鎮靜催眠藥不良反應有哪些？”教學過程還可由學生來講述自己生活中的案例，并且發現問題、分析問題、解決問題。教學活動結束前給出偵察案例“假設你是一名藥學信息中心工作人員，協助警察完成以下工作：在一起案件中對死者尸體進行采集，發現血樣中有苯并二氮卓類鎮靜催眠藥，并在血液中檢測出三種物質，請幫助警察，分析死者在死前曾服用什么藥？”通過藥物代謝過程完成案例分析，談分析感悟。整個教學活動由案例引入，由案例結束，通過提出問題、分析總結、層層推進，抽象出解決問題的一般性方法，學生在案例趣研中逐漸養成主動探索知識的學習習慣，在分析研討中引發思考，談分析感悟，鍛煉學生的協作、決策、表達能力，激發學生的創造思維。

3.2 創研活動——堅持問題導向，深化教學過程

創研活動是能力轉化的樞紐環節[21]，設計初衷在于解決學生淺思考、難研究的問題(圖11)。教學過程以“沖突”驅動學生自主探究：一是突出問題意識，將問題而非結論作為藥物化學學習起點，反思經典藥物發現實例，增強教學針對性，提升學習實效性；二是突出重點意識，通過結構優化把握主要矛盾，聚焦藥物治療作用與毒副作用，從解決經典藥物“結構-活性”問題著手，延伸到前沿新藥的設計策略；三是突出邏輯意識，以環環相扣的“問題鏈”引導學生，探索藥物“構-性→構-效→構-代→構-毒”關系。

圖11 創研活動的樞紐環節

課外小組合作拍攝情景劇，使學生從創作者角度體驗創研轉化過程，點燃學生興趣，激活學生思維，培養創新意識與能力，并引入小組競爭，讓小組學習活動擺脫安逸，不斷提高自我認知。

3.3 項目挑戰——滲透專業思想，反映學科前沿

以項目引領課程，引入真實場景，通過案例引導學生發現科學問題，小組合作探索問題解決路徑，藥物化學課程教學生態圈給予支持，在校內外導師幫助下，小組學生逐步分析和解決問題，項目挑戰過程深度融合新藥研發與創新理念。例如，我們已經學習了腎上腺素能藥物，激動β3受體可以分解脂肪，興奮心臟，開開心心去減肥，但始終沒有代表藥物上市？設置任務卡，例如許亮同學的任務卡，在保證安全性前提下，利用結構調控，設計選擇性作用于β3受體的減肥藥物。為了解決這個問題，小組需要在六周時間里完成四個節點任務，最后進行匯報，這是很有挑戰性的。他們首先需要分析問題，掌握工具，在課堂上和小組成員進行交流討論，了解不同靶點的作用機制，我們還讓同學們有機會接觸來自社會的真實聲音，最后進行討論、設計、篩選、決策、匯報。圖12是許亮小組的研究框架和項目執行各個階段的內容。項目挑戰將學習變為主動過程，將學習過程置于項目挑戰環境中，讓學生自己構建知識，在交互體驗中內化知識，從分析問題入手到解決問題，學生在解決有意義、開放性及具有挑戰性的項目任務中，實現有效學習，在完成任務過程中高階能力自然生成，全面提升藥物研究的創新與思辨能力。

圖12 項目挑戰過程

4 結語

教學改革與創新探索是一項復雜的系統化工程，也是任重而道遠的工作，課程組在教學實踐中采用P-MASE研究性學習模型與進階式教學設計相結合，將“項目+案例”融入教學，并通過P-MASE研究性學習模型提高學習效果和教學質量，完成從“教為中心”到“學為中心”的轉變。藥物化學課程創新實踐效果表明，該方法能夠明顯提升課程教學效果，關注學生個體差異，引發學生好奇心，激發學生提出問題，培養學生自主探究意識，提高學生學習自驅力，促進學生創新思維形成。在最終實現了從“學會知識”到“具備能力”的轉變。