大学生研究性学习和创新性实验的构建与实践——L（934）实验设计优化三颗针有效成分盐酸小檗碱精制工艺的研究

李俊平，聂立勇，王林玲，何雪君，廖伊茜，朱兰寸，马廷升

大学生研究性学习和创新性实验的构建与实践
——L（934）实验设计优化三颗针有效成分盐酸小檗碱精制工艺的研究

李俊平，聂立勇，王林玲，何雪君，廖伊茜，朱兰寸*，马廷升

（湖南医药学院药学院，湖南 怀化 418000）

为了加强大学生创新实践训练，探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，结合湖南省大学生研究性学习和创新性实验项目“L9（34）实验设计优化三颗针有效成分盐酸小檗碱精制工艺的研究”，探索以学生为主体的创新性实验实践，调动学生主动性、积极性和创造性，激发其创新思维和创新意识，有效培养学生创新能力和综合素质，进一步推动天然药物化学实验教学改革。

天然药物化学；研究性学习；实验设计

为贯彻落实《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》的精神，大力加强学生创新实践训练，探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，倡导以学生为主体的创新性实验，调动学生主动性、积极性和创造性，激发创新思维和创新意识，使其逐渐掌握思考问题、解决问题的方法，提高创新能力和实践能力［1］。天然药物化学是药学专业的一门重要课程，是运用现代科学理论与方法研究天然药物化学成分的一门应用学科，实验目标是培养学生掌握从天然药物中提取、分离有效成分的基本操作技能，具有一定的创新性。我们结合天然药物化学实验教学，申报了大学生研究性学习和创新性实验项目“L9（34）实验设计优化三颗针有效成分盐酸小檗碱精制工艺的研究”，获得了湖南省教育厅立项资助。该项目的实施带动了学生在大学阶段进行科学研究与发明创造，形成了创新教育的氛围，进一步推动了天然药物化学实验教学改革，提高了教学质量，培养了学生独立获取知识及应用知识能力，有效提升了创新能力和科研综合素质。

1　项目构建思路

1.1 L9（34）实验设计简介

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点［2］。正交试验设计表是一整套规则的设计表格，L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。正交试验设计表有很多类型，如L4（23）、L8（27）、L9（34）、L16（45）等，其中L9（34）实验设计简单、最常用，它表示需做9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。正交试验设计步骤为：确定试验因素及水平数，选用合适的正交表，列出试验方案及试验结果，对正交试验设计结果进行分析，包括极差分析和方差分析、确定最优或较优因素水平组合。正交试验设计的关键在于试验因素的安排，通常在不考虑交互作用的情况下，可以自由地将各因素安排在正交表的各列，只要不在同一列安排两个因素即可。因素所在列是随意的，一旦安排完成，试验方案即确定，之后的试验以及后续分析将根据这一安排进行，不能再改变。正交试验设计是分析因式设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法，在很多领域的研究中已经得到广泛应用。在天然药物化学研究中，L9（34）实验设计常用于天然药物的提取、分离工艺的优化［3］。

1.2设计背景

三颗针为小檗科植物，其干燥根茎因常生三叉状针刺而得名。此属植物的根含小檗碱、小檗红碱、小檗胺、药根碱等化学成分，具有多种生理活性和抗癌等活性，有抗菌、降压作用。其主要成分小蘖碱具有清热燥湿、泻火解毒的作用，用于细菌性痢疾、胃肠炎、副伤寒等治疗，疗效确切［4］。在药物生产中，原料药盐酸小蘖碱的纯度是关键，是药物制剂的质量保证。目前相关报道多为三颗针有效成分小蘖碱的提取、分离条件的优化，得到小蘖碱粗品［5］，但未见有关小檗碱粗品经精制为盐酸小蘖碱工艺优化的报道。我们根据教学计划开设的学生实验“三颗针有效成分小檗碱的提取、分离”，运用L9（34）实验设计优化三颗针提取的小檗碱粗品精制为盐酸小蘖碱的工艺条件，以提高产品收率。

1.3设计内容

我校天然药物化学实验课程开设的学生实验内容：称取三颗针根粗粉50 g，用0.3%硫酸溶液室温浸泡24 h，过滤，收滤液；药渣同法操作一次，合并两次滤液，用石灰乳调滤液pH值为10～12，静置过夜，过滤，滤液加入精制食盐使含盐量达6%的浓度，静置过夜，布滤，即得小檗碱粗品。将得到的粗制小檗碱（无需干燥）置于烧杯中，加入约50倍纯化水，水浴上回流煮沸半小时，迅速抽滤，不溶物可再加纯化水30～40m l煮一次，过滤，合并滤液，加浓盐酸调节pH值为1～2，放冷即可析出盐酸小檗碱精制品，减压过滤，并用少量70%乙醇洗涤结晶，于80℃以下干燥，称重，计算提取率。采用L9（34）实验设计进行精制工艺条件的优化，实验因素为浸泡溶剂硫酸溶液的浓度、浸泡时间、提取pH值、提取温度，分别设计3个合适水平，以提取率为考查指标。学生分组按L9（34）正交试验表进行实验，然后根据实验数据分析，确定最佳工艺。这样我们将一个经典、简单的实验经综合设计后，内容更丰富，学生思维方式更灵活。

2　项目组织实施

2.1组织团队，精勤协作

大学生研究性学习和创新性实验项目主体是学生团队，团队协作精神是项目顺利实施的支柱，分工与合作能聚集团队中每个人的能量并使其发挥到最大。在该项目中，学生按L9（34）正交试验表进行实验，3个水平，4个因素，实验任务非常重，既要分工也要合作。虽然大家的目标一致，但在团队合作中难免会因观点不同而产生摩擦，这便需要我们以团队为重、以项目为主，全身心投入，并充分尊重团队成员的意见和建议。笔者所在组从项目立项之初成员之间不太了解发展为关系很好的队友、朋友，这也说明了团队合作精神的重要性。

2.2查阅资料，确定方案

正交试验设计是天然药物有效成分提取、分离的科学方法之一，在实际工作中运用较广，但在天然药物化学实验教材中很少提及。虽然正交试验设计较复杂，难度较大，但能很好地提升学生主动性、创造性和综合实践能力。首先，在教师指导下，学生通过学校图书馆数据库查阅文献、收集资料。本项目共查阅了国内外参考文献50余篇，通过对新技术、新动态的查询，学生获得了新知识，并产生浓厚的研究兴趣。然后，学生讨论方法的可行性，拟定切实可行的具体实验设计方案，包括详细的实验步骤、仪器试剂计划、注意事项等，交由教师审阅通过。此外，教师在指导学生设计实验时，向学生详细介绍三颗针提取小檗碱的正交试验设计原理以及如何合理确定提取工艺因素和水平，确保实验顺利进行。

2.3精心组织，认真实施

实验方案确定后，让学生分组按正交试验设计表进行实验，提取得到产品，计算收率。在项目实施中，学生遇到的问题往往比预期要多，如影响三颗针盐酸小檗碱精制提取率因素主要为溶液pH值，其次为回流时间、乙醇浓度、纯化水用量，试验号A2B3C1D2为最佳工艺条件［6］，但方差分析表明以提取率为考查指标4个因素中，纯化水用量对其有显著影响（P＜0.05），且是关键因素，方差分析与直观分析结果不一致。在这种情况下，没有人能直接告诉学生问题出现的原因，学生就要自己分析，并通过网络资源及相关书籍进行学习，与自己的实验条件等信息进行比较，经不断修改调试解决问题。又如，在精制盐酸小檗碱过程中，发现提取率普遍较低，学生感到很困惑，不知什么原因。经反复研究分析和查阅资料发现，原来是煮沸后的溶液应趁热迅速抽滤，以免溶液冷却而析出盐酸小檗碱结晶，造成提取率降低。因此，通过实验学生自主创新能力得到显著提高，在掌握天然药物化学基本理论和基本技能的基础上，培养了浓厚的研究兴趣，享受到理论与实践相结合带来的成果，提高了学习自主性和创新能力。

2.4认真总结，撰写论文

实验结束后，各小组学生对实验方案和结果进行讨论，总结实验各环节的经验和体会，切身感受这个过程带来的锻炼和收获，并撰写一篇论文作为成绩评定依据之一。该课题组已有2篇学生论文在《中国药业》和《卫生职业教育》这两个国家级刊物上发表。学生对这种实验模式给予了充分肯定，认为在实验中可以充分发挥想象力与创造力，有效调动了探索科学奥秘的好奇心和求知欲望。我校在天然药物化学实验教学中引入正交设计法，获得了校教学成果一等奖。

3　项目开展经验

3.1保障机制

为确保大学生研究性学习与创新性实验项目得到有效实施，我院成立工作领导小组，并制订了详细的管理制度。本着以人为本的工作理念，领导小组指导学生完成项目研究的各项准备工作，耐心接受学生咨询，协调解决学生科研过程中遇到的问题，为学生项目研究做好服务工作。此外，学校给予了项目配套经费支持，严格专项使用。

3.2过程管理

大学生研究性学习和创新性实验项目的开展，注重的是过程而非结果，强调学生实际动手能力和自主学习能力的提高、创新思维的培养，所以项目的过程管理就显得尤为重要。参与项目的5位学生对科学研究或创造发明有浓厚兴趣，在兴趣驱动及导师指导下完成了项目申报和实验过程。项目组学生自主设计课题、完成课题、管理课题，并在实施过程中不断调整优化。为了督促学生按期完成研究任务，要求学生明确责任和目标，院（部）定期开展项目中期检查，针对项目管理和项目研究中存在的问题，及时协同有关部门进行处理。通过过程管理，加强对项目的监督，促使学生顺利按计划完成实验任务。

3.3搭建平台

为开拓学生视野，激发学生科学研究兴趣，展示大学生创新性实验成果，我们创建了大学生创新性实验计划项目组QQ群和网络平台，以便项目组成员之间、成员与教师之间相互交流，支持项目组学生参加校内外学术会议，为学生提供交流经验、展示成果、共享资源的机会。

4结语

“教学有法，教无定法”。长期以来天然药物化学实验教学模式较单一，导致学生思维单一，难以适应企业生产、科学研究等实际工作需要。天然药物化学大学生研究性学习和创新性实验的构建与实践，改进了经典实验，不仅培养了学生掌握基本操作技能、理论实践融会贯通、灵活解决实际问题能力，还增强了学生严谨求实的科研意识、敢于进取的创新开拓精神。对学生强调的是“做”而不是“知”，对教师的要求是进行方法指导而不是灌输，使学生真正成为学习的主体，在实训中培养综合素质和创新能力。

［1］刘佳，张敬敬.指导大学生创新性实验项目的几点体会［J］.基础医学教育，2014，16（5）：38-39.

［2］郝拉娣，于化东.正交试验设计表的使用分析［J］.编辑学报，2005，17 （5）：334-335.

［3］王艳，张爱珍，任春生.正交试验设计与优化的理论基础与应用进展［J］.分析试验室，2008，9（2）：151-152.

［4］程咏梅，陈仁华.小檗碱提取工艺的研究［J］.时珍国医国药，2007，18 （6）：1445-1447.

［5］杨宏健，肖美风.正交实验优选三颗针中小檗碱的提取工艺［J］.中国药师，2005，8（8）：673.

［6］朱兰寸，李俊平，聂立勇，等.三颗针有效成分盐酸小檗碱精制工艺的优化［J］.中国药业，2014，23（7）：38-39.

（*通讯作者：朱兰寸）■

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1671-1246（2016）17-0017-03