药物化学设计性实验的开设和教学效果

段建利 束家有

(武汉大学药学院 湖北武汉430071)

药物化学设计性实验的开设和教学效果

段建利 束家有*

(武汉大学药学院 湖北武汉430071)

选择尼群地平的合成作为药物化学设计性实验，实验的实施过程分为实验准备、实验操作和实验总结3个阶段，有助于提高学生的学习兴趣及科研能力。

药物化学是药学专业的必修课，其实验课能充分体现对理论知识的综合和运用。长期以来，药物化学实验的教学内容几乎是清一色的验证性实验。验证性实验的特点是:理论课后紧跟实验，实验原理清楚、方法明确，易于理解和操作，学生只需按照规定的操作步骤做一些重复性的工作即可。验证性实验能够训练学生的基本操作，但对锻炼学生解决问题、分析问题的能力，启发学生的思维和培养创新意识力度不够，有时，还容易使部分学生产生惰性。为了提高教学质量，发挥学生的主观能动性和创造性，我们在药物化学实验中加入了设计性实验。

1 开设设计性实验的重要性

设计性实验既不是基础实验的重复，又有别于毕业论文和科学研究，它是在学生掌握了相关的理论知识、原理、基本实验方法与技巧，完成了一些综合性实验并能分析解决一定实际问题的基础上，利用已学的理论知识和方法原理，针对特定的问题，进行实验方案的设计、优化和创新，其核心是设计和选择实验方案，并检验方案的正确性、合理性。

设计性实验一般没有现成的实验指导书，学生需要带着设计性实验课题，查阅大量相关的文献资料，然后对文献资料进行综合分析，提出实验方案。这种方式既能提高学生查阅文献资料的能力，也有利于培养学生创新意识和创新能力。设计性实验往往具有一定的难度，学生在实验过程中会遇到一些困难，克服困难的过程也是培养学生发现问题、思考问题和独立解决问题能力的过程，一旦问题解决，学生不仅提高了能力，还会产生成就感，从而可提高学生对实验课的兴趣和主动性、积极性。

2 设计性实验的开设时间和内容选择

学生在前期的学习过程中已经系统地学习了有机化学理论知识并进行了有机化学实验训练，具备了基本的有机化学实验技能。考虑到以上情况，我院药物化学实验选择在大三上学期开设，采用验证性实验和设计性实验相结合的方式进行。先开设验证性实验，目的是使学生进一步熟悉并掌握一些基本操作，学会判断合成路线的优劣。在验证性实验完成后，再安排设计性实验。这样就有了一个循序渐进的过程，使学生能逐渐进入状态，有利于发挥学生的主动性和创造性。

设计性实验的选题是整个设计性实验的关键所在，应着眼于提高学生对所学知识的应用能力。所选课题应该覆盖面广、综合性强、难度适宜。若课题过于简单，则难以达到培养学生创新能力的目的;而若课题过于复杂，超出学生的能力范围，又容易使学生丧失信心，难以得到预期的效果。药物化学设计性实验应选择典型、难度适当、具有多条合成路线的实验，以体现设计性实验的探索性和创造性。

到目前为止，1，4-二氢吡啶类化合物仍然被认为是最有效的钙离子拮抗剂，对这类化合物的设计和研究仍然是当前的热点。尼群地平是这类化合物的典型代表，因其疗效确切，毒副作用小，价格便宜，已广泛用于轻、中度高血压患者的临床治疗。因此，选择尼群地平的合成作为设计性实验。Hantzsch吡啶合成法是合成对称的1，4-二氢吡啶类化合物的经典方法。对不对称的尼群地平可采用改良的Hantzsch吡啶合成法。

该设计性实验的优点为:

(1)反应步骤多。学生经过有机化学和前期的药物化学验证性实验学习后，已经掌握了基本操作和典型制备方法，有能力进行多步合成的尝试。本反应为3步，反应之间具有连续性，而且该合成工艺来源于工业生产，具有很强的实践性，这些有助于激发学生的学习兴趣。

(2)合成路线多。合成路线的选择至关重要，学生目前只能根据所查找的文献资料，并结合实验原料的易得性、现有实验室条件等因素，对合成路线进行分析，选择最佳路线。若合成路线太少，将失去设计性实验的意义。

(3)反应时间紧凑。虽然本实验是多步反应，但每一步反应时间都不太长，如果进行顺利的话，一天就可以完成所有反应，得到最终产物。在进行实验时，由于每一步的反应时间都不长，学生一直处于忙碌状态，有助于提高学生的积极性。相对而言，有些验证性实验的反应时间很长，学生在等待反应进行时无事可做，久而久之就会对实验产生厌倦情绪。

(4)有气体参加反应。在以往的实验中，反应物多为液体或固体，而本实验中有氨气作为气体参加反应，这是该设计性实验的一个特点。学生在实验过程中学会了在反应中引入气体的方法，同时还了解了使用气体进行实验的安全知识。

3 设计性实验的实施

整个设计性实验的实施分为3个阶段。

3.1 实验准备阶段

教师在学生进行设计性实验前一个月布置实验题目。学生利用业余时间查阅文献资料，找出可能的合成路线及反应条件，并对路线进行汇总、分析，提出自己的实施方案。学生以组为单位以报告的形式上交实验方案。实验方案要求对实验原理、所需原料和试剂、所需仪器和装置、实验步骤等进行详细说明，并附参考文献。教师根据实验室现有条件和方案的可行性、安全性，对学生上交的实验方案进行修改。教师和学生之间反复沟通，形成最终的实验方案。

具体反应路线如下:

①β-氨基巴豆酸甲酯的合成:

②2-(3-硝基亚苄基)乙酰乙酸乙酯的合成:

③尼群地平的合成:

虽然都是采用改良的Hantzsch吡啶合成法，但可有不同的选择。在第一步反应中，可用的氨源比较多，综合考虑产率和技术成熟度，80%的学生选择氨气作为氨源，其余学生选择乙酸铵作为氨源;对于相同的氨源，也可以选择不同的催化剂和溶剂。在第二步反应中，选择硫酸和乙酸为催化剂的学生各占50%。

3.2 实验操作阶段

在这一阶段，学生要根据拟定的实验方案完成实验。为了充分发挥学生的自主性和创造性，教师不再集中强调操作要点和注意事项，而由学生自己统筹安排实验进程。但教师并不是完全放任自流，而是及时纠正学生的错误操作，保证实验室安全，协助学生解决实验中出现的问题。

反应完成后，样品的纯化、干燥、熔点测定由学生独立完成，IR、MS、NMR由大型仪器主管教师指导学生完成。整个设计性实验完成后，要求学生提交论文样式的实验报告。

3.3 实验总结阶段

在这一阶段，教师根据学生实验过程中的表现、实验结果、实验报告的书写等情况，给出设计性实验的最后成绩。

4 设计性实验的开设效果

教学效果是反映实验教学改革是否成功的重要指标。我院药物化学设计性实验的教学效果主要体现在以下几个方面:

(1)提高了学生的学习兴趣。

设计性实验没有具体的实验方案，学生带着实验题目，自己去寻找实验方法，这需要查阅大量的文献资料并安排实验。设计性实验有一定的难度，学生在文献查阅、实验方案设计和实验过程中通常都会遇到一些问题，而设计性实验又是以学生为主体，让学生充分发挥自己的自主性和创造性，所有遇到的问题首先都需要学生自己来思考、解决，从而提高了学生分析问题、解决问题的能力，激发了学生的学习积极性和学习兴趣。

(2)使学生掌握了科研的方法。

整个科研过程可分为查阅文献、讨论并确定方案、进行实验、结果讨论这样几个步骤。而设计性实验也是给出实验题目，让学生自己去查阅文献，寻找实验方案，写出实验报告。药物化学设计性实验的开设可使学生对如何进行科研工作有初步的了解;对实验过程中问题的分析可使学生把理论知识和实验结合起来，有助于提高对知识的应用能力和实践能力。

(3)提高了学生的科研能力。

药物化学设计性实验不仅改变了学生对实验课的态度，而且也培养了学生的科研能力，激发了学生的科研兴趣。学校为了培养“三创”人才，每年都会资助一些本科生业余科研项目。我院的药物化学设计性实验开设后，申报武汉大学本科生业余科研项目的人数有明显上升。目前，我院每年都有8～9个本科生业余科研项目在学校成功立项。而且，开设药物化学设计性实验后，教师普遍反应参加教师课题组做业余科研的本科生的科研能力明显提高，学生毕业论文的质量也有显著提高。

不仅学生收获颇多，教师也在设计性实验中获益匪浅。设计性实验的教学方式与常规的实验教学完全不同，教师要把握好自己在设计性实验中的作用，充分发挥学生的自主性和创造性，同时，也要很好地掌控全局。设计性实验涉及到的知识点比较多，综合性比较强，教师需要多花时间来钻研，对学生的实验方案提出合理化的建议。在实验过程中，学生可能遇到的问题也比较多，教师必须具备应付突发事件的能力。

总之，设计性实验能适应当前教学改革的要求，突出学生的主导地位，调动学生的积极性和主动性，同时，对教师业务水平的提高和实验室的建设发展也能起促进作用。

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