科研平臺融入有機化學(xué)實驗教學(xué)研究

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【摘要】科研平臺擁有非常優(yōu)越的實驗條件和資源，可以為有機化學(xué)實驗教學(xué)提供有力的支持。通過將科研平臺中的科研成果、科研設(shè)備、科研人員以及科研場地融入有機化學(xué)實驗教學(xué)中，可以自主設(shè)計綜合性的實驗項目，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的主動性，積極參與到有機化學(xué)實驗中，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】科研平臺；有機化學(xué)實驗；教學(xué)改革

1科研平臺融入有機化學(xué)實驗教學(xué)的必要性

自從華為芯片事件發(fā)生以后，國內(nèi)芯片制造能力的短板被徹底展現(xiàn)出來，雖然華為可以設(shè)計出全球最頂尖的芯片產(chǎn)品，但并不具備芯片制造能力。因此，在國際競爭越來越激烈的當下，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實踐能力的人才迫在眉睫。有機化學(xué)實驗是我校藥學(xué)專業(yè)和制藥工程專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課程，其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能，結(jié)合綜合設(shè)計性的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象、分析和解決實驗中遇到的問題，可以培養(yǎng)他們實事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴謹細致的科學(xué)作風(fēng)以及良好的實驗工作習(xí)慣，為以后的學(xué)習(xí)、工作和科研打下扎實的基礎(chǔ)。除此之外，有機化學(xué)實驗的教學(xué)目的在于驗證、鞏固和運用課堂講授的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的實踐能力。然而，有機化學(xué)實驗教學(xué)存在一定的弊端，如教學(xué)內(nèi)容單一陳舊、教學(xué)方法簡單、教學(xué)資源缺乏等，導(dǎo)致學(xué)生趨于被動，實踐能力較差，“依葫蘆畫瓢”的方式完成整個實驗，缺乏思考和創(chuàng)新[1]。錢偉長院士曾說：“大學(xué)必須拆除教學(xué)與科研之間的高墻，教學(xué)沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”[2]。因此，如何將科研與有機化學(xué)實驗教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)專業(yè)人才是我們教學(xué)改革的重點之一?？蒲衅脚_是高?？蒲泄ぷ髡叩闹饕嚨兀哂邢冗M的儀器設(shè)備、優(yōu)秀的學(xué)術(shù)團隊、濃厚的學(xué)術(shù)氛圍、前沿的學(xué)術(shù)研究、充足的研究經(jīng)費以及靈活的開放時間[3]。因此，科研平臺比傳統(tǒng)的教學(xué)實驗室更具優(yōu)勢，如果將科研平臺融入有機化學(xué)實驗教學(xué)中，可以豐富學(xué)生的專業(yè)知識，了解學(xué)科前沿，提高創(chuàng)新能力和實踐能力。我校藥學(xué)院擁有一個獨立的科研機構(gòu)，即創(chuàng)新靶向藥物國際研究院，現(xiàn)有科研實驗室面積6100平米，科研儀器價值4300余萬。目前，該研究院擁有激酶類創(chuàng)新藥物重慶市重點實驗室和創(chuàng)新靶向藥物重慶市工程實驗室兩個市級重點科研平臺、國家級科研平臺創(chuàng)新靶向藥物國家地方聯(lián)合工程研究中心。該科研平臺現(xiàn)有科研人員約30人，另以首席科學(xué)家方式聘有海外藥物研發(fā)知名專家6人。那么如何將科研平臺融入有機化學(xué)實驗教學(xué)中，是我們教學(xué)工作者所關(guān)注的重點。

2科研平臺融入有機化學(xué)實驗教學(xué)的途徑

2.1科研成果轉(zhuǎn)化為有機化學(xué)實驗教學(xué)項目

我校藥學(xué)院開設(shè)的有機化學(xué)實驗課程包含的實驗項目有基本的操作實驗如熔點的測定、色譜分離等，有機合成實驗如二苯亞甲基丙酮的制備等。這些實驗項目主要是訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能，以驗證性的實驗為主，缺乏思考和創(chuàng)新[4]。每個實驗項目都是單獨存在，相互沒有關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生“畫地為牢”，不能掙脫束縛。在一些藥物的合成中，很少可以一步反應(yīng)完成得到目標產(chǎn)品，所以，連續(xù)的合成實驗才具有實用性。另外，傳統(tǒng)的有機合成實驗教學(xué)如乙酸乙酯的制備、肉桂酸的制備等，只需要按部就班地操作，拿到產(chǎn)品就可以了，忽略對于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)表征。這樣一來，將會誤導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成不良的實驗習(xí)慣和科學(xué)態(tài)度。如果我們將科研平臺中與有機化學(xué)專業(yè)相關(guān)的論文和項目成果轉(zhuǎn)化成實驗教學(xué)項目，則可以解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端?；谖倚Ｋ帉W(xué)院現(xiàn)有的科研平臺，將其科研人員分為有機合成方法學(xué)、藥物化學(xué)以及分子生物學(xué)三個方向。其中，有機合成方法學(xué)的科研成果可以運用到有機化學(xué)實驗教學(xué)。以筆者發(fā)表在AdvancedSynthesis&Catalysis上的科研成果（多樣性導(dǎo)向合成功能化的咪唑并吡啶衍生物）為例，將其轉(zhuǎn)化成有機化學(xué)實驗課程，供學(xué)生們選修。首先，明確該論文成果轉(zhuǎn)化成學(xué)生實驗項目的可行性。該成果不需要過渡金屬催化劑，避免了重金屬污染，借助科研平臺中的微波反應(yīng)儀，可以將反應(yīng)的時間縮短到10-20min，反應(yīng)的后處理都是常規(guī)的操作，因此，該實驗項目具備可行性。接下來，確定該論文成果轉(zhuǎn)化成學(xué)生實驗項目的方案設(shè)計。我們將論文成果分成兩大部分：第一部分為學(xué)生實踐操作，如圖1（a）所示；第二部分為學(xué)生思考探究部分，如圖1（b）所示。在第一部分的基礎(chǔ)有機實驗中，將原料1、2、3加入反應(yīng)瓶，然后加入溶劑，利用微波反應(yīng)儀合成目標化合物4，過程簡單，容易操作。然而，該實驗設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，反應(yīng)條件的篩選方法和操作是該實驗的重心。將學(xué)生分為成五個小組，第一小組承擔反應(yīng)溶劑的篩選工作，第二小組承擔反應(yīng)溫度的篩選工作，第三小組承擔反應(yīng)時間的篩選工作，第四小組承擔反應(yīng)催化劑的篩選工作，第五小組承擔底物拓展的研究工作。每一個小組依次進行實驗，小組中的每一個學(xué)生都要制定2-3個不同的反應(yīng)條件，并完成相應(yīng)的實驗操作。為了拓展該實驗項目的應(yīng)用性，我們設(shè)計了圖1（b）所示的思考探究內(nèi)容，目標化合物5可以通過化合物7經(jīng)中間體6合成，而化合物7是化合物4的衍生。通過逆合成分析，訓(xùn)練學(xué)生對理論知識的綜合運用，進一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2科研設(shè)備轉(zhuǎn)化為有機化學(xué)實驗教學(xué)資源

科研的硬件設(shè)施則是科研設(shè)備，高校的科研平臺擁有許多大型儀器作為支撐。我校藥學(xué)院的科研平臺具有完善的有機合成和分析測試儀器，如Biotage微波合成儀、Bruker400M核磁共振波譜儀、Biotage中壓制備色譜、半制備液相色譜儀、島津LC-MS、Thermo超高分辨率質(zhì)譜儀、氮氣制備系統(tǒng)、酶標儀等精密儀器和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、電磁攪拌器等常規(guī)合成儀器，具備有機合成、反應(yīng)后處理、高通量化合物分析、純化及藥物活性篩選技術(shù)等科研能力。我們可以根據(jù)實驗教學(xué)內(nèi)容的需要，綜合利用科研平臺設(shè)備，充分發(fā)揮大型儀器的作用。例如前面我們設(shè)計的實驗項目所合成的目標產(chǎn)物，可以用LC-MS檢測是否含有目標產(chǎn)品，還可以用HPLC檢測目標產(chǎn)品的含量。學(xué)生對于這些儀器的認知不再停留于書本上的圖片和枯燥的原理知識，能掌握其基本操作和應(yīng)用。在傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗教學(xué)中，往往會忽略對于目標產(chǎn)品的表征實驗，僅僅是通過觀察其性狀來判斷純度，并沒有實驗數(shù)據(jù)支撐結(jié)果的準確性，這是由于缺乏實驗設(shè)備。對于一個完整的有機化學(xué)實驗，除了培養(yǎng)學(xué)生熟練的操作技能外，更重要的是訓(xùn)練學(xué)生分析實驗結(jié)果的能力。因此，科研平臺中的儀器設(shè)備應(yīng)該為有機化學(xué)實驗教學(xué)提供有力的支持。這樣一來，學(xué)生必須用數(shù)據(jù)去驗證實驗結(jié)果的可靠性，而不是用猜測，培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實事求是的科研作風(fēng)。

2.3科研人員轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C化學(xué)實驗教學(xué)工作者

我校藥學(xué)院擁有一個國家級科研平臺和兩個市級重點實驗室，平臺中現(xiàn)有科研人員30人，長期從事有機合成方法學(xué)、藥物化學(xué)和分子生物學(xué)研究。將這些科研人員轉(zhuǎn)變成有機化學(xué)實驗教學(xué)工作者，可以大大地提高教學(xué)質(zhì)量。在傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗教學(xué)中，一個教師要帶幾十個學(xué)生做實驗，如果科研人員加入教學(xué)工作中，可以減輕實驗教師的壓力，同時也能提升教學(xué)效果?？蒲腥藛T可以根據(jù)自身的具體情況，合理安排實驗教學(xué)時間，避免影響自己的科研工作。按學(xué)生人數(shù)的實際情況，分配小組人數(shù)，盡量減少每個小組的人數(shù)，控制一組在1-2人范圍內(nèi)。對于長期從事有機化學(xué)研究的科研人員來說，他們具備豐富的實踐經(jīng)驗和良好的科研素養(yǎng)，可以在有機化學(xué)實驗教學(xué)中正確地引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)他們的科研思維。在實驗預(yù)習(xí)階段，科研人員還可以教授學(xué)生文獻調(diào)研的方法，了解該實驗方法的具體應(yīng)用，關(guān)注學(xué)科前沿動態(tài)?？蒲腥藛T作為實驗教學(xué)的老師，將會融入科學(xué)研究的思維和方法，不僅鍛煉學(xué)生的動手能力，還要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力，讓學(xué)生掌握文獻調(diào)研、開展反應(yīng)、處理反應(yīng)、結(jié)構(gòu)表征等。

2.4科研場地轉(zhuǎn)化為有機化學(xué)實驗教室

在有機化學(xué)實驗中存在一些有毒、有害的化學(xué)試劑，直接影響到學(xué)生的身體健康。然而，傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗室通風(fēng)效果并不好，對于有刺激性氣味、易揮發(fā)的化學(xué)試劑，不能及時地從教室排出，造成整個實驗室的污染。例如，在“二苯亞甲基丙酮的制備”實驗中，用到了苯甲醛和丙酮，二者都是有毒的化學(xué)試劑。其中苯甲醛具有特殊的杏仁氣味，屬于低毒類試劑，但對眼睛、呼吸道粘膜有一定的刺激作用。丙酮是易燃、易揮發(fā)、有毒的試劑，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用。在實驗過程中，由于通風(fēng)櫥數(shù)量有限，學(xué)生只能在通風(fēng)效果不好的操作臺面進行實驗，這樣一來，實驗室中苯甲醛和丙酮的氣味越來越大，嚴重影響學(xué)生的身體健康。我校藥學(xué)院的科研平臺擁有兩個有機合成實驗室，一共約30個通風(fēng)櫥，通風(fēng)效果好，每個通風(fēng)櫥的操作臺可以讓兩個學(xué)生共用。對于有毒有害、易揮發(fā)的化學(xué)試劑，只要在通風(fēng)櫥內(nèi)規(guī)范操作，就可以避免實驗室出現(xiàn)有毒有害的氣體。

3總結(jié)

科研平臺擁有非常優(yōu)越的實驗條件和資源，可以為有機化學(xué)實驗教學(xué)提供有力的支持。通過將科研平臺中的科研成果、科研設(shè)備、科研人員以及科研場地融入有機化學(xué)實驗教學(xué)中，可以自主設(shè)計綜合性的實驗項目，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的主動性，積極參與到有機化學(xué)實驗中。將科研的思維和方法滲透于有機化學(xué)實驗教學(xué)中，可以讓學(xué)生學(xué)會觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果，提升科研能力。在今后的教學(xué)工作中，我們還需要不斷地探索和思考，將科研平臺更加有效地融入有機化學(xué)實驗教學(xué)中，為提高學(xué)生的實驗操作能力和科研思維不懈努力。借助科研平臺的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高水平的應(yīng)用型人才添磚加瓦。

參考文獻

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作者:宋桂廷 屈川華 單位:重慶文理學(xué)院藥學(xué)院