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基于大学生创新性实验项目的药学本科生研究性学习探索

2022-10-30刘丹丹梁蕾蕾

高教学刊 2022年30期
关键词:青阳药学研究性

刘丹丹,梁蕾蕾

(1.昆明医科大学 药学院暨云南省天然药物药理重点实验室,昆明 650500;2.昆明医科大学 基础医学院,昆明 650500)

党的十九大报告提出,创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑,建立产学研深度融合的技术创新体系,造就具有国际水平的青年科技人才和高水平创新团队,是高校教育的重要任务。大学低年级的主要教学方式是以课堂讲授为主的理论教学,辅以验证性实验教学,内容、方法在知识全面化、系统化和可运用化等方面有欠缺,难以催发学生的创造性。进入高年级后,通过引入科研实验项目、技能大赛和科技节等新型教学模式,帮助大学生进行研究性的学习探讨,培养学生独立思考、自主学习和协同合作等利于提升创新能力的综合素质,对创新人才队伍建设起到特别关键的作用。

研究性学习,是指学生在教师指导下选择专题,展开相关的探索性学习和研究,特点包括开放性、自主性、过程性和合作性等。研究性学习的优势在于以学生为主体,重视学生的主观能动性,养成钻研习惯,多互动增加教与学之间的亲和力,使学生能够减少厌倦、抵触心理,更轻松地接受教育,并且数门学科相互交叉,让学生可以了解多样化的知识,能灵活地应用知识。

药物化学以化学学科为基础,涉及药物分析学、药物合成学及药理学等,具有很强的综合性和实践性,是药学专业本科生的一门必修课程。而实验作为药物化学必不可少的关键环节,既是连接理论与实践的桥梁,也是培养学生创新能力、执行能力的根本抓手。传统的药物化学实验教学中,学生往往被动应付,根据讲义边看边做,简单地重复操作,致使教学效果不理想。于是导师在实验课外,还组织药学专业大三、大四学生参与青阳参苷类化合物的提取工作,并申报大学生创新性实验项目“基于响应面设计的青阳参苷元超声提取工艺优化研究”,获得了国家级大学生创新训练项目的资助,以求增加对学生的有效培养。本文以该项目为例,探究通过开展药物化学方向的创新性实验项目,进行研究性学习训练,对激励药学专业本科生提升自主创新实践能力具有推动作用。

一、立项基础

(一)明确意义

从导师课题的引入、实验方法的改进和优化设计的运用等方向进行项目构建,既注重内容的新颖性,也兼顾实验的可实施性。学生尽量全面参与药物化学科研项目的构思、申请、实验和结题,在创新思维和实践技能方面都获益,有利于锻炼和培养学生的综合素质和创造能力。

(二)主动参与

加入项目的学生皆已经过了两年药学专业本科学习,对科学研究有基本概念,自身具备浓厚兴趣与热情,有意向继续接受研究生教育甚至将来从事科研工作,结成团队后主动、自愿联系导师,积极完成项目全过程。

(三)独立实践

参与项目的学生在导师指导下,先自主学习相关背景、理论知识,熟悉涉及的技术方法、软件应用,然后规划项目进度安排,独立开展实验,最后整理数据、分析结果和总结报告,再参加各级科技竞赛。

二、项目内容

青阳参为云南传统药用植物,包含的化合物多为C甾体苷元与糖基结合而成的皂苷,其中C甾体苷元主要有青阳参苷元和告达庭。本项目采用超声法提取、高效液相色谱法(HPLC)检测,以青阳参苷元的提取率为指标,通过响应面法优化工艺,获得青阳参苷元的最佳超声提取工艺参数。

具体实验内容及流程如图1、表1 所示。

图1 青阳参苷元超声提取工艺流程图

表1 响应面法优化青阳参苷元超声提取工艺的步骤与内容

三、项目实施

(一)选择主题

项目启动阶段,在导师指引下,学生通过学校图书馆数据库查阅文献、收集资料。青阳参具有抗癫痫、抗病毒和抗肿瘤等临床应用前景,其主要成分之一为青阳参苷元,针对该成分的作用机制、结构修饰等研究都非常缺乏,因此将青阳参苷元作为探索对象对药物开发很有意义。大量获得苷元是开发的基础,也是必须攻克的技术重点,所以提取工艺改进可以成为理想的药物化学创新性实验项目主题。

目前,青阳参苷元提取方法主要是加热回流法,有时间长、温度高和效率低的问题。学生通过对其他天然产物提取文献的阅读、总结,再结合昆明医科大学实验室情况,拟定选择使用设备简单、操作方便、运行时间短和成本低廉的超声法提取。搭配高效液相色谱法测定目标物含量,分析速度快,检测灵敏度高,能得到非常准确的提取率数据。响应面设计是天然产物提取分离的科学优化方法之一,较过去常见的正交试验设计更为先进,查询资料后证实,青阳参苷元的提取中尚未见到以响应面设计辅助优化工艺的报道,所以此工作具备新颖性。以网络为媒介,学生马上自学了响应面法实验流程、Design Expert 软件的操作运行及数据分析方式,为后续实验的开展提供支持。至此,项目的具体内容、范围得以明确,天然产物提取方法、色谱分析技术和统计学原理等均有涉猎,可以让学生从中获得丰富多样的体验和科学知识,体现了研究性学习的综合性特征。

(二)规划统筹

完成信息采集、确认研究题材后,导师帮助学生设计项目技术路线和实验方案,规划预期进度,制订各阶段的具体工作内容与目标,并将任务、责任分解到每位参与者手中。

大学生创新性实验项目的任务是艰巨的。提取实验部分,除了考察单个因素对青阳参苷元提取效果的影响,还需按照响应面设计编制方案,进行不同工艺组合的实验。高效液相色谱检测时,要反复摸索色谱条件,绘制合格的标准曲线,确证方法的精密度、稳定性和重复性良好,才能完成样品定量。执行后期,大量繁杂的数据待整理,采用统计学处理后再全面分析、预测和优化结果,补充验证性实验。最终要撰写项目总结,制作PPT、视频,填写竞赛资料,参加答辩汇报,以及形成科研成果。项目的申请人和主体团队都是本科生,同时期还兼顾着其他的学业课程,每位学生的力量有限,恰当的时间安排与合理的分工协作就成为项目顺利完成的关键。规划进度时,既要考虑资助单位对项目实施的期限要求,又要根据学生各自不同的学习、生活计划综合部署,做好前后交接、信息传递等工作,使项目尽量按照预想的时间节点有序展开,也实现学生在本项目与其他课程上的双赢。分配任务时,充分地讨论每位参与者的擅长与短板,自愿承担的项目角色,以及对科研的具体兴趣点,这样更容易增加学生的主观能动性,形成愉悦的团队气氛,充分发挥合作优势,也显露出不同学生的特色,体现了研究性学习“因材施教”的理念。

(三)组织实施

项目执行起始,导师首先带领团队开展了实验预做。一方面,学生可以通过预实验改进技能水平,纠正操作中出现的失误。例如学生没有将药粉与提取试剂混合均匀,提取过程不够充分,或是加热超声后提取液未凉至室温就调整酸碱度,令pH 测量不准确,都导致实验结果出现较大波动,3 次平行实验提取率RSD(相对标准偏差)超过5%,严重影响了结果的稳定性。这就警醒学生要注意混匀、降温等细节,确保每一个操作步骤都做到精准到位,坚决杜绝偷工减料,使平行实验各项条件完全一致,达到良好的重复性。另一方面,预实验能挖掘规划阶段未考虑到的各种问题,提出解决方法,以便修订、完善研究方案。例如先期设计了以pH 试纸检查酸碱度,但预实验中学生发现试纸的精密度不够,所测得的提取液pH 有偏差,造成结果不可信,于是讨论决定改为使用仪器监测,购买了新型的便携式pH 计,以保证每一份提取液都能准确中和至pH≈7。此外,针对不熟悉或没有接触过的仪器,预实验为学生提供事先学习的机会,减少了正式实验中由于设备操作不当带来的时间损失和结果错误。项目包含的高效液相色谱仪,较药物分析实验课中使用的型号更为先进、复杂和昂贵,负责检测的学生通过请教专业老师和自学,花费约1 个月时间逐步熟练掌握,确定了色谱柱型号、流动相组成、进样量、检测波长和标准曲线等关键信息,并对方法进行了可行性验证。

正式实验时,因为有扎实的理论功底和熟练的实践技能,学生得以快速、准时地完成工作。即使依旧会遇到超出知识面的问题,学生也可凭借前期提升的自学能力和积累的丰富经验,利用线上、线下渠道收集信息,与自身实验情况比对,分析原因、寻找方法,或进一步和导师探讨,最终解决问题,实现了研究性学习锻炼学生发现问题、提出问题和解决问题的能力的目标。

(四)总结收获

研究尾声,创新性实验项目得到了完整、有效的实验结果,既达到优化超声提取青阳参苷元工艺条件的科学目标,也形成了可交付的学术成果,获得一系列奖项。团队依托项目,申请了一项国家发明专利,已公开;撰写一篇科技论文,由省级专业期刊录用发表;参与昆明医科大学大学生科技节暨大学生课外学术科技作品竞赛,获二等奖;推送云南省大学生课外学术科技节,获三等奖。

回顾整个过程,总结各环节的经验和体会,学生对这种研究性学习模式都给予了充分肯定,切身感受得到提高。从项目里,学生扩展了药物化学、药物分析、统计设计和软件应用等领域的知识广度,掌握了超声提取仪、pH 计和高效液相色谱仪等多种机器的使用方法,巩固了化学实验的操作技术,同时通过参与申报、结题、竞赛和文章撰写,开拓了信息提炼、沟通表达和组织策划能力。学生真正体会到“理论指导实践,实践检验理论”的含义,并且自我认知水平极大改善,有效调动探索科学的好奇心、求知欲和积极性,不受课本约束,充分发挥创造力,培养出浓厚的研究兴趣,为将来进一步深造奠定坚实基础。此外,学生也培养出严格的自我要求精神,学会保持谦逊、诚信并勇于承担责任,意识到团队的重要性。合作难免产生摩擦,需要参与者以大局为重,尊重不同观点,信任队员能力,欣赏彼此长处,宽容他人错误。在科学探索中,学生不仅得到知识、成果,激起创新欲望和学习热情,也获得友谊,产生了集体荣誉感。

四、管理经验

导师在立题、目标制定和过程控制等方面,都坚持“以人为本”的理念进行管理,确保创新性实验项目与研究性学习的有效实施。首先,学生由于认知片面和经验缺乏,会草率或仅凭兴趣选题,导师根据自身课题方向,结合药学本科生的知识结构、爱好特点,引导其选择合适的研究内容,既保证项目的可行性、科学性和创新性,也避免学生对题材完全无感,成为机械的“打工者”。其次,项目如何评价影响着学生的学习态度,合理的研究目标和适当的功利成果对推动学生内驱力、持久力和创造力有重要作用。目标成果要求过低可能丧失激励效应,但若制定得“好高骛远”,又将增加学生压力,触发焦虑、退缩心理。所以导师与学生反复交流,了解个人希望从此次学习中取得哪些收获,再切合项目水平与本科生的实际能力,确定并最终圆满地完成了预期目标。过程控制部分,导师一是对学生提出的学术咨询耐心解答,对设备、人员问题积极协调,指导解决技术难题;二是定期组织项目进展汇报,发掘管理、研究中存在的弊端并及时处理,平时也随机抽查实验情况,督促学生保质、保期完成任务;三是指定专门的学生担任财务秘书,使用学校、国家给予的项目配套经费时遵守国家法令、维护财经纪律,除编制好项目费用预算外,保证专款专用、严格审核及勤俭节约,做到资金利用的合理化、最优化;四是创建微信群,便于学生与导师、团队成员之间能快捷沟通,传递文献、数据等信息,为导师及时、高效辅导学生,以及共享资源、交流经验和展示成果提供机会与平台;五是鼓励学生自行撰写文章材料初稿,然后严格审核把关,监督修改完善,最后定稿。

五、结束语

药学创新人才培养是医学院校的重要任务之一。依托国家大学生创新性实验项目,结合研究性学习概念,以青阳参苷元超声提取工艺的响应面法优化为内容,从立题、规划、实施和总结等环节,对药学本科生进行创新实践与科学研究的训练,启发创新意识,提升自学能力,锻炼思维技巧,增强操作技能,树立学生战胜困难、勇于进取的精神。同时,导师也在管理中不断思考、积累经验,为探索药学创新人才培养的新模式,促进药学本科生综合素质全面发展继续努力。

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