科教融合在天然产物化学课程中的应用探究

王立娟，罗 沙，迟文锐，刘若婷

（东北林业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150040）

天然产物是指从植物、动物及微生物中分离出来的次生代谢产物，通常为分子量小于2 000 的物质，例如生物碱、苷类、黄酮类、强心甙类和醌类等[1-2]。天然产物化学是运用现代科学理论与方法研究各类生物中化学成分的一门重要分支学科，研究内容包括天然产物化学成分的结构类型、物理化学性质、提取分离方法和结构鉴定等内容[3]。除了药物，保健品、食品和化妆品等很多领域都涉及天然产物化学知识[4]。学习该课程使学生掌握天然产物化学基本概念，熟悉植物源天然产物的化学结构、物理化学性质、生物功效以及提取、纯化和初步鉴定[5]。培养学生判断、分析、归纳总结的逻辑思维和解决技术应用中复杂工程问题的能力。培养学生创新意识、创新思维与“生态文明”和“双碳”理念协同的创新能力。然而，传统的教学方法以灌输式的知识传授为主，学生容易形成“死记硬背”的“搬运式”学习习惯，对所学知识无法深入理解并内化，难以提升解决实际问题的能力和创新意识。

教学和科学研究是高等教育的两大支柱，但是，科学研究的育人功能被长期忽略。科教融合是当今世界重要的高等教育理念，将科学研究与教学获得有机结合，发挥科学研究的育人特性，提高教学的科学性和前沿性，以提升人才培养质量。对于一门课程来说，科教融合的实施在强化课程的高阶性、创新性和挑战度方面发挥着重要作用[6]。

一 天然产物化学课程存在的问题

天然产物化学是面对东北林业大学林产化工和林业工程成栋班三年级学生开设的专业必修课，其先修课程包括无机化学、分析化学、物理化学、有机化学和仪器分析等，课程内容多、理论性强、实践范围广且学习难度大；天然产物结构繁杂，相关知识分散，难于形成体系，学生的类比性逻辑思维培养困难，学生深度学习能力不足，热情难以持续；教材中的某些经典案例缺少深刻的理论支撑，不利于学生内化知识的能力培养，容易使学生形成“死学硬记”的“搬砖”式学习习惯；学生的知识学习与能力提升割裂，理论与实践脱节，学难致用，为了考试而学习的倾向明显，课程目标无法实现；学生对“生态文明”和“双碳”等理念只限于记忆，远没有做到入心、入脑、入行，无法和课程内容有机融合。同时，现有的教学模式没有体现学生的主体地位，仍然以“教”为主，背离了以“学”为主的理念，同时，也没有体现“双一流”学科的科研优势，将科研和教学分离，没能实现“教学相长”。

二 科教融合的实施

“大学不但要传授知识，还要发现新知识、创找新知识”，这是德国学者第一次提出科教融合的思想，后来被很多国家采纳并发展。2018 年8 月，我国明确建立科教融合、促进知识学习和科学研究、能力培养有机结合的协同育人机制。在天然产物化学课程教学中融入了国家自然科学基金等项目的研究成果，在学生的思辨和实践创新能力方面发挥了明显的作用，具体框架如图1 所示。

（一）教学中融入科研新成果和科研思维

以天然产物化学第二章生物碱中水溶性季铵型生物碱——小檗碱为例，新版教材中对其提取、分离及应用的介绍很少，尤其生物碱种类非常多，具体结构纷繁复杂，使学生在学习过程中常常忽略小檗碱。在讲解小檗碱的相关内容时，授课教师将自己主持的国家自然科学基金项目“功能化生物质纤维素-SPI 复合膜的形成机制研究”和“纤维素/多糖胶复合膜中天然酚类化合物分布规律与智能响应机制”中的科研成果补充到课程内容中，包括小檗碱的提取方法、分析方法和抗菌（图2）、抗氧化方面（图3）的应用，尤其可以提高可食性膜材料对油脂的保鲜效果，同时季铵盐结构可以在智能膜中起到增塑和助色作用，提高了智能膜的精准响应性。这些成果的引入，提高了课程的学术性、新颖性和高阶性，激发了学生的学习热情，有助于学生形成科研思维和解决实际问题的能力，真正形成“好学、认学、乐学”的良好氛围，每堂课学生都会发出“欢乐的时光总是短暂的”感慨，有一种意犹未尽的感觉。

图2 小檗碱/羟丙基甲基纤维素/卡拉胶复合膜的透光和抑菌性[7]

图3 小檗碱/羟丙基甲基纤维素/卡拉胶复合膜的抗氧化性和油脂保鲜特性[8]

在课堂教学过程中，还引导学生形成批判思维，学习科学家精神。例如，益母草碱在不同的教材中结构式不同[1-2]，到底哪个是正确的？授课教师先不公布答案，鼓励学生搜集资料[9-10]，去伪存真，通过讨论达成一致，培养了学生的科学思维和科学精神。

（二）培养学生的思辨和实践创新能力

在教学过程中，围绕国家自然科学基金项目中有关小檗碱的新发现，提出利用分光光度法也能准确定量的任务，学生根据任务，先分析成分特点，研讨并设计方案。以黄柏为原料，学生改变以往采用石灰乳润胀后渗漉的方法，为了提高效率，根据小檗碱易溶于热水和热乙醇的性质，采用乙醇回流提取，提取后回收乙醇，用热水溶解，过滤除去不溶物，放冷，析出沉淀，获得小檗碱。将获得的小檗碱乙醇溶液，利用分光光度计测定紫外-可见吸收光谱，发现有在265 和350 nm 出有2 个较高的峰，而在430 nm 处出现一个低的宽峰，那么，在哪个波长下做标准曲线更准确呢？利用标准品和液相色谱去验证，发现430 nm 处的标准曲线和液相色谱的测定结果吻合（图4）。通过实验验证后，学生们总结经验，提出小檗碱的结构、性质、提取、分离及定量分析中的规律，同时也进一步深入理解了朗伯比尔定律的应用技巧。另外，项目研究发现了小檗碱的抗氧化性，那么其抗氧化性与哪个结构有关？如何精准测定抗氧化性？以DPPH自由基法为例，发现2 种溶液的比例对结果影响非常大，通过分析，深入理解了抗氧化性与结构的关系及测定过程中的反应原理，通过实践验证了分析结果。进一步，通过师生研讨，将小檗碱的相关知识点“串珠成链”，强化学生的深度学习，形成“立体化”创造思维。因此，通过科教融合实践，更新了课程实践教学的内容，提高了课程的挑战度，使学生的思辨和创新能力明显提升。

图4 小檗碱标准品的紫外-可见吸收光谱和标准曲线

（三）教学中融入思政元素

课程教学过程中，在科教融合中深挖与专业知识和科学研究紧密联系的课程思政内容，通过时事热点评论和典型案例分析，在不同章节“润物无声”地融入“抗疫精神”、“双碳”战略和“两山”理念等思想政治教育内容（图5），有力促进学生坚定理想信念、践行社会主义价值观和提升道德素养，培养学生的社会责任感和团队合作精神，强化学生的生态文明发展理念和创新奋斗精神。建设了多个任务案例，满足学生探索的需求，对标“两性一度”驱动课程对学生创新能力和实践能力的培养，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一。

图5 课程思政案例设计

三 科教融合的应用成效

（一）充实教学内容，优化教学模式

将科研成果充实到课程教学内容中，并延伸到大学生创新性实验项目、专业综合技能训练和毕业论文，以天然产物化学第六章黄酮类化合物芸香甙为例，利用其在冷热水中溶解度的巨大差异，学生探索了热水提取法制备流程，在大学生创新性实验项目中将其用于抗氧化油脂包装膜的构建，在专业综合技能训练中提取了不同原料中的芸香甙，在毕业论文中利用其构建了抗菌抗氧化双功能膜材料。以黄酮类化合物中的花色素为例，模拟了黑米真伪鉴别，并在毕业论文中将其用于制备食品新鲜度指示的智能膜材料。通过科研成果充实教学内容，实现学研以致用，将“教、学、研、用、展”深度融合，构建了新型教学模式。

（二）提升学生大创项目层次和毕业论文水平

利用天然产物化学的知识，指导本科生创新性实验项目11 项，其中国家级8 项，指导本科生发表第一作者论文7 篇，其中SCI 收录论文2 篇；2019—2023 年指导本科毕业生20 余人，4 人获得东北林业大学校级优秀论文，本科直读研究生的学生，利用该课程知识，授权发明专利8 项，发表SCI 论文22 篇。指导本科生获得iCAN 全国大学生创新创业大赛三等奖及黑龙江赛区选拔赛一等奖各1 项、黑龙江省“GAM”杯创新创业大赛创新组一等奖1 项、“挑战杯”黑龙江省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖和二等奖各1 项、东北林业大学成栋杯大学生创新创业大赛一等奖多项和海峡两岸（漳州）工业设计创新大赛三等奖1 项。通过科教融合、创新驱动、赛创协同，获得丰硕成果，实现了能力提升，为学生的发展打下了坚实基础。

（三）促进教师教学能力提升

授课教师牢固树立改革创新意识，积极响应新时代高等教育发展的新要求，立足学生发展，加强课程建设，全面推进教学改革。主讲课程天然产物化学被评为东北林业大学一流本科课程和校级重点课程。主讲教师被聘为龙江学者特聘教授，先后获得东北林业大学“成栋名师奖”“十佳本科生导师奖”“十佳研究生导师奖”等荣誉，获得教学质量一等奖等教学奖励6 项，获得东北林业大学教学成果奖1 项。通过科教融合，实现了教学相长，受到了广泛好评。

四 结束语

天然产物化学是一门内容多、难度大、综合性强和实践能力要求高的学科。通过科教融合，将教师的科研成果和相关领域的前沿知识融入教学内容和实践中，将传统的以“教”为主的知识传授转变以“学”为主的参与式、研讨式、案例式教学，学生的学习热情显著提高，学习方法得到改善，运用所学知识解决实际问题的科研思维更加灵活，实现“问题发掘”与“自主创新”的高度融合，强化了学生创新意识和能力。同时，科教融合促进了课程质量的提升，助力了课程目标的达成，强化了教师教学和科研能力，实现了教学相长，在本科拔尖人才培养方面取得了显著的成果。