双创导向人才培养的医药院校基础化学实验教学改革

唐静成，王玉记，吴建辉，赵明

首都医科大学化学生物学与药学院　(北京　100069)



双创导向人才培养的医药院校基础化学实验教学改革

唐静成，王玉记，吴建辉，赵明*

首都医科大学化学生物学与药学院(北京100069)

摘要以创新和创业型人才培养为导向，创新实验教学理念，融合无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等四大化学的实验教学，发展实验手段现代化、教学方法多样化、实验内容综合化的医学和药学的基础化学实验教学新体系。十余年的运行实践表明，特色鲜明的基础化学实验教学新体系已经成功地培养了医学和药学的创新和创业型人才。

关键词基础化学；实验教学；创新和创业型人才培养

化学是一门实践性强的学科，也是医学和药学专业的基础学科。因此，基础化学实验教学在创新型和创业型人才培养中具有重要地位[1-2]。首都医科大学化学生物学与药学院实验教学中心自2004年成立至今，一直追求以学生为导向，培养具有动手能力强、综合素质好、微调自己就可适应社会需求的具有创新和创业双创人才的实验教学理念。特别是2006年成为北京市实验教学示范中心以来，基于“实验中心”的教学理念，不断探索和研究面向医学门类学生和药学生的基础化学实验教学。在不违背实验教学基本规律和时代要求的前提下，不断实施实验教学理念的创新，特别是在教学模式上，打破了传统的实验课程的设置和学科的界限，将无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等四大化学的实验教学融合，成为现行的基础化学实验一、基础化学实验二、基础化学实验三和基础化学实验四。经过十余年的实践，基础化学实验不仅形成了独特的实验教学体系，更为药学生的专业实验课程打下了坚实的基础，形成了具有首都医科大学化学生物学与药学院特色的基础化学实验教学体系，受到同行专家的关注和肯定，并于2014年获批国家级实验教学示范中心，确定了融合的基础化学实验是培养创新型和创业型的双创型医学人才和药学人才的重要基石。

1实验手段现代化

2004年以来，实验中心针对国家中长期发展对学生创新和创业能力培养的需要，不断推进以实验技术组合化、实验技术现代化和实验内容信息化为代表的实验手段现代化基础进程。

1.1实验技术组合化

实验教学中心独立设置的每门基础化学实验课，均有较高比例的基础性实验，如称量技术、滴定技术、溶液配制技术、过滤技术、蒸馏技术、熔点测定技术、沸点测定技术、重结晶技术、色谱技术、燃烧热测定技术等，为本科生的基本概念、基本原理和基本操作打好基础。在后续综合性实验中，融合了相关学科或同一学科多项技术，如基础化学实验二和基础化学实验三课程“小茴香中茴香油的提取和分析测定”实验[3]。在基础化学实验二中，学生学习水蒸气蒸馏法提取小茴香挥发油，掌握水蒸气蒸馏技术的基本原理和操作技巧，保存好提取物。接着在基础化学实验三中，以基础化学实验二的提取物作为样品，以正己烷萃取小茴香油，然后采用常压蒸馏技术回收正己烷溶剂，样品采用气相色谱内标法，定性和定量测定小茴香挥发油中的反式茴香脑。该综合性实验设计既有水蒸气蒸馏、简单蒸馏和溶剂萃取技术的训练环节，又有色谱技术的训练环节，实验内容通过层次递进的方式展现给学生：在掌握了简单蒸馏原理的基础上，很容易掌握分馏的概念，即分馏就是反复多次的简单蒸馏；而在掌握了分馏概念的基础上，学生又很容易理解色谱学中抽象的塔板理论概念，即将色谱柱看作一个分馏塔，待分离组分在分馏塔的塔板间移动，在每一个塔板内组分分子在固定相和流动相之间形成平衡，随着流动相的流动，组分分子不断从一个塔板移动到下一个塔板，并不断形成新的平衡。换句话说，色谱柱的塔板数越多时，其分离效果就越好。小茴香挥发油综合实验就是水蒸气蒸馏、简单蒸馏、萃取、称量、溶液配制以及气相色谱等多种操作技术的综合组会，实验的实施全面训练了学生的实验技能，提升了学生的创新能力和实践能力，培养了医学药学实用型人才，取得了良好的教学效果[4]。

1.2实验技术信息化

传统模式下的大学基础化学实验教学存在诸多方面的问题，比如学生被动实验现象突出、实验现象不够直观，使得学生对教学内容的掌握不完全。当前，科学可视化和电子通信技术的大发展给化学研究和化学课堂教学带来了令人兴奋的应用机会。通过多媒体辅助实验教学，应用分子模拟程序，可以将一个复杂的分子结构形象化、立体化、动态化地展示给学生，增强学生的学习兴趣，提升教学效果[5]。2006年以来，学院用信息化教学手段落实先进的教学理念和实施先进的教学方法。随着北京市对实验教学中心经费投入不断加大，实验教学中心配备了一流的实验教学仪器和设备，提供了信息化实验教学手段。为了用信息化的教学手段落实先进的教学理念和实施先进的教学方法，中心17间实验室都安装了多媒体系统，全部实现了多媒体辅助教学，自行设计制作了9套多媒体教学课件，拍摄了20部实验教学录像片。将大量教学图片、视频资料、多媒体软件、教学参考光盘等应用于实验教学，用生动形象的文字、图像以及视频等媒体信息直观地表达实验的重点、难点及操作方法和要点,增加了教学的信息量，强化了学生的视觉和听觉感观，改进了教学效果，优化了教学质量，使学生的创新能力和创业能力得到有效培养。

1.3实验技术现代化

学院每年用北京市教委提供的300万元专项基金，购置新的实验教学仪器和设备，推进中心的实验设施现代化建设，提升实验技术现代化。例如，基础化学实验二中“熔点的测定”除了教给学生传统的提勒管测定法外，还用购置的WRS-1B数字熔点仪、SMP3数字熔点仪以及显微数字熔点仪，使学生能够学习和掌握现代化熔点测定技术。又例如，在基础化学实验二“旋光度的测定”中，除了教会学生样品用量较大的国产的WXG- 4圆盘旋光仪，还教会学生使用样品用量只有50 μL的美国Rudolph微量旋光仪。同时，中心还购置了7台Agilent气相色谱仪、7台Waters高效液相色谱仪和3台Thermo-Fisher Ultimate 3000高效液相色谱仪、6台Shimadzu 2550紫外可见分光光度仪、5台Shimadzu RF-5301荧光分光光度计、2台红外分光光度计、1台马尔文纳米粒度测定仪。教师充分利用这些新仪器设计开发新的综合性和设计性实验项目，丰富实验教材内容。所购置的现代化的仪器设备向本校本科学生开放，学生在实验课中零距离接触这些大型和精密仪器设备。这些一流的实验设备成为学生牢固掌握基础化学现代实验技术的保障，培养了学生的创新思维和创业能力，特别为药学专业的学生接下来的专业实验课程的学习打下良好的动手能力基础。

2实验教学方法多样化

学院逐步实现以学生为中心、以教师为主导的教学目标，不断完善以启发式教学、互动式教学和研究式教学为代表的实验教学多样化，培养创新和创业型人才。

2.1启发式实验教学

传统的基础化学实验教学一般采取的是“配方抓药”的方式，学生按照教科书写好的步骤去做实验，在整个实验过程中很少设置有让学生去思考的环节，学生处于一种被动学习的状态中，学生的实验技能仅仅处于“会操作”这样一个低水平阶段，对化学科学的本质的理解力和创新能力没有得到有效训练[6]。因此，用互动式教学方法贯穿实验教学是中心的基本原则，教学中以教师的启发指导为主,通过学生认真思考和研究来完成实验,以提高学生对基础化学知识的灵活运用能力。在每次开始上实验课时，授课教师会围绕实验原理、实验方法、实验难点、实验预期结果和可能出现的问题等启发学生主动思维，让学生谈看法。比如在基础化学实验二“柱色谱分离甲基橙和亚甲基蓝”的实验中，都会让学生观察实验现象，启发学生提问题[7]。比如提问学生实验中是蓝色条带还是黄色条带先流出色谱柱？为什么？然后让学生观察实验结果与自己最初的判断是否一致，假若判断有错误，首先让学生独立思考原因，然后在实验课结束时，会组织学生即时小结。通过小结，启发学生注意联系理论知识，引导学生从被分离化合物的结构和极性以及固定相硅胶的结构、极性和化合物与硅胶的相互作用等方面去思考，对实验结果给出正确的理论解释，对实验出现的问题给出合理的分析。启发式实验教学不仅调动了学生自主学习的积极性，管理理论课与实验课知识，尤其是提升了学生分析问题和解决问题的能力，是创新和创业型人才培养的重要教学方法。

2.2互动式实验教学

自发性和即兴表演等多种方式的互动式教学对提高学生化学学习具有重要意义。在互动式教学过程中，教师和学生双方要充分利用互动式教学资源如视觉、语调、手势和体态等。教师通过与学生的交流，了解学生的想法，调动学生学习的主动性。教师在授课中要经常提出适宜的问题，征求学生的答案，同时鼓励学生积极提问，并组织学生讨论，培养学生的创造性思维[8]。因此，用互动式教学方法贯穿实验教学也是中心的基本原则，积极鼓励授课教师在课堂上采用互动式教学模式进行教学，优化教学方法，提高教学质量，激发学生的学习兴趣，充分调动全体学生的学习积极性,提高学生学习效率。例如，在基础化学实验二“从茶叶中提取咖啡因”的实验中，由于升华时对温度的控制不同，实验现象和结果会有很大的差异，有的学生在升华过程中很快闻到了糊味儿，升华用的滤纸由白色变成了焦黄色，升华的咖啡因产品晶体细小且很短，夹杂着黄色；而有些学生在升华过程中没有闻到糊味儿，咖啡因晶体洁白，颗粒很大且很长，附着在滤纸上干净整洁，产率较高。对于这样的实验教学情况，教师就组织全班学生一起探讨原因，将产生不同实验现象的学生分成小组相互观摩、探讨和交流，认真比较实验现象，仔细分析实验过程的异同，最后总结出实验成功的经验:茶叶的提取物在焙炒过程中要充分去除提取溶剂，形成墨绿色的均匀细小颗粒，升华时温度上升要缓慢，不能着急，若提取溶剂去除不干净和升华温度上升过快会导致咖啡因结晶色泽较差和产率较低。学生通过这样的讨论，发现问题和解决问题的能力有了很大的提高，并且实验热情高涨，培养了学生主动参与、勇于争论、敢于表态的实验态度，提高了学生的创造性思维能力。在相互讨论的过程中教师自身也得到了很大提高，与学生之间也有了近距离的情感交流，达到了教学相长。

2.3研究式实验教学

研究式实验教学的特点是课堂上有更多的互动、学生可分组实验以及会像科研实验那样产生真实的问题等。通过研究式实验教学，学生对基础化学概念的理解和学习态度上比传统的教学方式更有效[9]。因此，在实验课中开设研究式实验是一项非常有意义的工作，是培养学生独立思考、大胆探索和勇于创新的科学精神的有效途径。为此，实验教学中心积极推行研究式教学，让设计实验内容更加靠近正规的科研实验[10]，成为中心实验教学的重要环节之一。例如，在“紫外分光光度法测定未知物的含量”设计性实验中，教师在实验课开始前2周，向学生布置实验题目、内容和实验要求,指导学生查阅文献，以课题小组为单位自主设计实验方案并说明实验原理；实验实施前1周，收集学生的实验方案，由教师进行审阅；实验实施前1天，组织一个讨论会，由各课题组提出自己的实验方案，全班讨论、归纳，在教师的指导下，最终形成一个公认合理可行的实验实施方案；学生从调整仪器、配置试剂开始，完全自己动手完成实验方案的实施；学生实验完成后，独立完成实验报告。通过研究性实验教学的培养，学生查阅文献的能力、归纳总结能力和团队协作能力有了很大提高，对理论知识的理解也更加深刻和透彻。

3实验内容综合化

传统药学基础实验课程体系强调无机、有机、分析和物化实验的专业性和独立性，课程开设基本分属于各教研室，各建一套，各自为政，不重视各学科之间的相互交叉渗透，结果导致学生的创新能力、综合分析问题和解决问题能力不足，同时也制约了各教研室的资源共享。将药学基础实验课程体系各学科相互融合，注重相关学科的交叉联系，开展综合性实验训练，提高学生创新精神和实践能力，是当前药学实验教学改革的主要方向[4]。综合性实验对培养学生的创新精神和科学素养意义重大，也是中心实验教学改革的重要内容之一。2006年以来，中心利用专项资金购置了一大批用于光学、电化学和色谱学分析等技术的教学仪器设备。例如，紫外可见分光光度计、荧光分光光度计、红外分光光度计、气相色谱仪和高效液相色谱仪等。如何在现有条件下，最大限度地提高教学质量和效果，提升学生的创新能力和实践能力，综合性实验项目的开设就显得非常必要。为此，实验中心积极推行综合性实验项目教学。比如在“基础化学实验二”中，乙醇浸提茶叶、升华法提纯咖啡因，中心管理好学生的样品；在“基础化学实验三”中，让学生使用自己的样品采用液相色谱法分析咖啡因的纯度及含量测定，学生可以在“基础化学实验三”中体会在“基础化学实验二”中自己样品的好坏程度。再如在“基础化学实验二”中，学生合成和纯化阿司匹林，保留样品；在“基础化学实验三”中，分别采用紫外二阶导数光谱法和液相色谱法分析阿司匹林及其杂质水杨酸的含量，在“基础化学实验四”中，测定阿司匹林的燃烧热。这种将相关实验技术融合在既相对独立又互相关联的具体实验中，使这些选定的实验项目串联成一个大实验，通过实验原料传递的方法，使实验内容变成一系列前后关联的有机整体，实验设计整合了有机化学、分析化学和物理化学的实验内容，注重上下游课程之间的渗透和衔接，提升了学生对科学知识和实验课程学习的兴趣，培养了学生的科学素养和创新思维能力。

4化学实验教学改革的展望

本校实验教学中心在未来将继续以培养创新和创业型人才为指导思想，不断探索、研究医学化学和药学基础化学实验教学的基本规律、特点，不断吸取实验教学改革和科学研究的新成果，不断完善基础化学实验教学内容和体系，切实提高我国医学和药学专业人才的培养质量和水平。

参考文献

[1]Kristina Klara,Ning Hou,Allison Lawman,etal．Developing and Implementing a Collaborative Teaching Innovationin Introductory Chemistry from the Perspective of an Undergraduate Student[J].JChemEduc,2013,90,401- 404.

[2]David Daniels,Charlotte Berkes,Arjan Nekoie,Jimmy Franco.Fighting Tuberculosis in an Undergraduate Laboratory:Synthesizing,Evaluating and Analyzing Inhibitors[J]．JChemEduc,2015,92,928-931.

[3]Hartwell SK.Exploring the Potential for Using Inexpensive Natural Reagents Extracted from Plants to Teach Chemical Analysis[J].JChemEducResPract,2012,13,135.

[4]闫淑莲，唐静成，何深知，邵建群，夏颖，张枫，石晨，徐艳霞.药学专业综合性实验的设计与研究[J].中国医学装备，2015,12:21-23.

[5]Loretta L.Jones.How Multimedia-Based Learning and Molecular Visualization Change the Landscape of Chemical Education Research[J].JChemEduc,2013,90,1571-1576

[6]Nor Hasniza Ibrahim,Johari Surif,Khew Pei Hui,Safiah Yaakub.“Typical” Teaching Method Applied in Chemistry Experiment[J].Procedia-SocialandBehavioralSciences，2014,116,4946- 4954.

[7]Curtright RD,Emry R,Markwell J.Student Understanding of Chromatography:A Hands-On Approach[J].JChemEduc,1999,76,249.

[8]Virginia J.Flood,François G.Amar,Ricardo Nemirovsky,etal.Paying Attention to Gesture when Students Talk Chemistry:Interactional Resources for Responsive Teaching[J].JChemEduc,2015,92,11-22.

[9]Norbert J.Pienta.What We Do and Don’t Know about Teaching and Learning Science:The National Research Council Weighs in on Discipline-Based Education Research[J].JChemEduc,2012,89,963-964.

[10]Kelli R.Galloway,Stacey Lowery Bretz,Michael Novak.Paper Chromatography and UV-Vis Spectroscopy To Characterize Anthocyanins and Investigate Antioxidant Properties in the Organic Teaching Laboratory[J].JChemEduc,2015,92,183.

Reform and Practice of Experimental Teaching of Basic Chemistry Oriented to the Cultivation of Innovation and Entrepreneurial Ability

TANG Jingcheng,WANG Yuji,WU Jianhun,ZHAO Ming*

(SchoolofChemicalBiologyandPharmaceuticalSciences,CapitalMedicalUniversity,Beijing100069,China)

Abstract:Under being oriented to the cultivation of students with innovation and entrepreneurial ability,the school renews the teaching philosophy,and the fusion of traditional experimental teaching of Inorganic Chemistry,Organic Chemistry,Analytical Chemistry and Physical Chemistry has been developed a new teaching system with modern contents and diverse teaching methods.After several years running,the new distinct experiment teaching system has been proved to be contributed to the cultivation of medical and pharmacy student with innovation and entrepreneurial ability.

Key words:Basic chemistry;Experimental teaching;the cultivation of students with innovation and entrepreneurial ability

基金项目：2015年北京市教委专项经费：本科生培养-教学改革立项与研究，编号3500-11530902；2015年北京市教委专项经费：本科生培养-人才培养模式创新试验项目，编号3500-11530701。

收稿日期:2015- 03-31。*通信作者: 赵明，E-mail:maozhao@126.com。