天然药物化学实验多样化教学方法的探讨与实践

李 鹏，张永红，马新华

(福建医科大学 药学院，福州 350122)

天然药物化学是运用现代科学理论与方法研究天然药物中生物活性成分的一门学科，是药学专业学生必修的一门重要专业课[1]。天然药物化学是一门实践性很强的学科，实践教学在天然药物化学教学中占据着重要的地位。天然药物化学实验在帮助学生掌握天然药物化学基本理论的同时，能进一步理论联系实际，培养学生的动手能力、分析及解决问题的能力以及创新思维。福建医科大学天然药物化学实验单独作为一门课程开课虽已多年，但现有的实验教学方法比较单一，制约了学生学习的积极性和实践创新能力，从而影响教学质量，因此，转变天然药物化学实验课程教学方法对提高该课程总体教学水平和教学效果已成为当务之急。

1 现有实验课程教学方法的不足之处

长期以来，天然药物化学实验教学方法比较单一，通常都是在学生实验开始前，教师先讲解实验目的及原理、实验内容和注意事项，然后学生开始动手做实验，按实验讲义上的步骤进行操作，记录实验过程及结果，最后撰写实验报告。整个实验期间，教师在旁进行指导。实践教学经验表明，此种教学方法比较单调呆板，虽然可以锻炼学生部分动手操作的能力，却难以激发学生的主动学习兴趣，难以培养学生的科研思维和创新意识。由于只需按照实验讲义上的实验步骤操作就能基本完成实验，而且理论上大家的实验结果应该一致，这就导致学生实验前不预习，实验中不思考，实验后甚至抄袭实验数据等状况的发生。鉴于这种普遍情况，对目前常规的天然药物化学实验教学方法进行反思，探索有助于培养学生创新素质的多样化实验教学方法[2]。

2 实验教学方法的转变

为进一步提高天然药物化学实验课程的教学质量，针对目前因教学方法单一导致学生验证性实验动手能力强，创新性实验能力不足等情况，我们从以下4个方面对天然药物化学实验课程教学方法进行转变。

2.1 PBL教学

基于问题的学习(Problem-based Learing，PBL)教学法是以问题为基础的教学方法，以学生为中心，以问题为导向，强调把问题设置于一些有意义的问题情境中[3-4]。在实验开始前，针对实验内容创设科学合理的问题。以“槐米中芦丁的提取分离、精制与鉴定”这一实验为例，在实验开始时创设问题，问题的设置按照实验内容的逻辑顺序设置。1)提取过程中，加入硼砂的目的是什么？2)从槐米中提取芦丁，为什么可以用碱溶酸沉淀法？3)用的碱液为什么是石灰乳，可不可以用其他碱代替？4)酸化时，pH值能不能调到1，会出现什么问题？设置好题目后，同学们开始实验，在实验中进行到上述问题出现的实验步骤时，引导学生自己分析问题。最后实验结束提交实验报告时，教师针对提出的问题进行讲评，总结同学们正确的观点。在实验中，同时也鼓励学生能够自己发现问题及提出问题。这样，学生带着问题做实验，并通过自己的能力分析及解决问题，大大激发了学生学习的主动性和学习兴趣。

2.2 应用比较实验

天然药物化学实验内容主要包括提取、分离、精制与鉴定等内容，基本为流程式操作，一步一步地来，由于有限的学时，实验教学中所涉及的提取分离、精制等实验方案，通常都是单一固定的。学生按照实验讲义验证即可。这种纯验证性的实验，养成了学生惰性的思维定式，束缚了同学们的学习兴趣和创新思维。应用比较实验，丰富了实验教学内容，改变了这种纯验证性教学方式，使实验教学具有了多样化、创新性的特点[5-7]。

1)不同提取方法的比较实验。以 “槐米中芦丁的提取分离、精制与鉴定”实验为例，安排2015级药学专业01，02组20名学生分为10个实验小组，2人/组。小组编号为奇数的5个实验小组采用水提酸沉法提取，另外5个实验小组采用碱溶酸沉法提取。提取原料均为槐米粗粉(40 g)，实验目的与要求相同，但提取原理不一样，提取完成以后的步骤完全相同。各实验小组详细记录实验过程及结果，比较两种方法提取槐米后芦丁的产率，分析总结两种方法的优劣。实验结果表明: 水提酸沉法从槐米中提取的粗芦丁平均产量约为0.9 g，碱溶酸沉法则为1.4 g，碱溶酸沉法明显优于水提酸沉法。通过实践进一步证实了理论课中所讲授的内容，即从槐米中提取芦丁应用最广泛的是碱溶酸沉法。接着，同学们自然会想到为什么碱溶酸沉法比水提酸沉法的提取率要高呢？主要是因为芦丁的分子结构中有酚羟基，具有一定的酸性，在碱水中溶解度增加，从而提高了提取效率。与以往实验教学相比，通过这种比较实验，学生会多掌握一种提取方法的具体操作，可以实际验证不同提取方法的优劣。最重要的是使学生意识到在天然药物的提取中提取方法的重要性，不同的提取方法得到的提取率是不一样的，选择何种提取方法，我们需要通过实验去比较。

2)不同提取原料的比较实验。以实验“黄连中盐酸小檗碱的提取、分离与鉴定”为例，多种药用植物都有小檗碱的存在，如毛茛科植物黄连、小檗科植物三颗针等。在许多实验教材中，提取小檗碱的实验多选择黄连作为提取原料[8]。那么，能不能用其他的药材来提取小檗碱，结果会怎么样呢？将2015级药学专业03、04组17名学生分为8个实验小组，2～3人/组。小组编号为奇数的4个实验小组使用黄连进行提取，另外4个实验小组使用三颗针进行提取。所有实验小组提取原料均为30 g，均使用酸水浸渍法同步进行操作。实验结果表明，使用黄连提取得到的小檗碱平均产量约为1.6 g，而使用三颗针提取得到的小檗碱约为0.8 g，黄连中小檗碱的含量明显高于三颗针。通过此次比较实验，使学生加深了对理论课总论中所讲的不同科属的植物中可能含有同一种化学成分的理解，最重要的是使学生意识到在天然药物化学成分的提取分离纯化过程中，原料药材选择的重要性。

3)不同提取工艺参数的比较实验。槐米先用碱水提取，再用稀盐酸酸化制备芦丁粗提物是药学专业学生实验“槐米中芦丁的提取分离、精制与鉴定”的关键一步。酸化时pH值调节会直接影响到芦丁的得率，通过分组平行实验可以确定最佳参数。我们安排2015级药学专业07、08组20名学生分为10个实验小组，2人/组。提取原料均为槐米粗粉(40 g) ，实验目的与要求相同，方法均采用碱溶酸沉法，只是酸沉时调节pH值不一样，其余步骤完全相同。第1、2实验小组酸化时调节pH值到2，第3、4实验小组酸化时调节pH值到3，第5、6实验小组酸化时调节pH值到4，第7、8实验小组酸化时调节pH值到5，第9、10实验小组酸化时调节pH值到6。比较各组之间粗芦丁的得率，最终确定盐酸酸化的最佳pH值。结果表明，pH值调到2时，得率为18.4%，pH值调到3时，得率为18.3%，pH值调到4时，得率为17.8%，pH值调到5时，得率为5.0%，pH值调到6时，得率为1.8%。实验结束后，要求所有实验小组学生在实验报告中，将5种不同pH值下芦丁的产率列表进行比较，最终得出酸沉时pH值应调到4以下为宜的结论，与天然药物化学第五章黄酮类化合物的提取分离理论课教学内容相对应，使学生们印象深刻。通过此次比较实验，使学生意识到天然药物提取工艺中参数的重要性，提取分离中每一步实验条件的确定都需要通过科学的实验研究获得，从而使学生更加端正实验的严谨态度，细心完成实验，同时也巩固了理论课上讲到的提取工艺中单因素多水平试验的知识。

通过实验教学中这些比较实验，学生可以接触到多种不同的提取分离、精制方法，可以了解平行实验优化工艺参数的方法等，使学生更好地掌握天然药物化学理论知识和实践技能，也进一步培养了学生的科研思维能力。在实际教学中，参加大学生创新性实验或开放性实验的机会毕竟有限，绝大部分的学生还是在本科实验教学中锻炼实践能力，因此，在本科实验教学中可以通过比较实验这种方式引入研究性和设计性的思想，来培养学生的科研思维和创新能力。

2.3 引入思维实验

天然药物在提取的过程中通常需要花费一定的时间，比如实验“大黄中蒽醌类化合物的提取分离与鉴定”中，大黄粗粉需要用乙醇加热回流提取2次，每次30 min。这一个小时无其他操作的空闲时间就可以利用起来进行思维实验。思维实验是一种在人的头脑中进行的理性思维活动，它不受现实物质条件的限制，只需借助想象力，就可以使实验者置身于任何对象的实验环境中，它克服了客观上无法摆脱的物质条件限制，可以提高人们的思维能力[9-10]。

例如在实验课堂上布置如下课题：灵芝中三萜类化学成分的研究。要完成这个课题，必须先推测课题研究过程中可能遇到的问题，在此基础上才能确定有效的分离纯化过程。如三萜类化合物属脂溶性成分，提取时可以采用高浓度的乙醇提取。醇提物中除三萜外可能还含有其他极性或大或小的化学成分，需要用系统溶剂提取法获得脂溶性部位。得到脂溶性部位后，通过反复硅胶柱层析→葡聚糖凝胶色谱→制备型高效液相色谱等进一步分离纯化得到单体化合物。得到纯的化合物后再用四大光谱鉴定其结构，最终完成上述课题。教师在实验课上按常规的实验方案引导学生一步一步走下来。还可以在理论课堂上提前布置这样一个课题，让大家利用课余时间查阅相关文献资料，再在实验课上利用这种空闲时间让同学们自由讨论，最后由一名同学总结发言如何开展这样一个课题，接着由老师进行点评，鼓励一些好的思路或想法，改正一些不正确的方法。如果让学生真的实践这个课题，至少需要几个月的时间，这对本科生来说是不现实的，但是在实验课堂上应用这种思维实验，就可以使学生了解这类课题整体的研究思路，如何解决一些实验中的关键问题。经过笔者的实践，发现这种方法不仅使本科实验教学时间得到了充分的利用，减少了学生在实验室的空闲时间，同时培养了学生的科研思维、分析问题和解决问题的能力。

2.4 增加互动讨论

在每个实验结束时，根据学生实验报告的结果，适当增加讨论的环节，可以激发学生的学习兴趣，锻炼学生分析问题及解决问题的能力[11]。例如：在实验“槐米中芦丁的提取分离、精制与鉴定”结束后，有个别实验小组学生提交的实验报告显示，最终得到的产品通过薄层层析对照后，发现不是芦丁而是槲皮素。把这个问题提出来，请全体学生进行讨论。学生对比各自实验过程，很容易就发现原来是在酸化的过程中没有等到碱水提溶液放冷，在热的状态下就直接加稀盐酸酸化，导致芦丁酸水解变成槲皮素，因此实验最终的产品不是芦丁而是槲皮素。通过这种对实验过程中出现的各种各样问题进行讨论，不仅使学生锻炼了分析问题、解决问题的能力，巩固了理论课所学知识，同时使学生意识到实验进行中需要有严谨的科学态度，有时必须严格按照实验步骤操作，任何一个实验环节出错都会导致最终实验结果的错误。

3 多样化方法教学下产生的效果

天然药物化学实验课程结束之后，通过对2015级全体药学专业学生的综合能力考核，结合笔者与所带的3个实验小班共57名学生的交流情况，对教学效果进行评价。

综合能力考核包括实验操作技能和实验方案设计两个部分。多样化方法教学组(笔者所带的3个实验小班)的实验操作技能考核成绩(平均82.0分)稍高于单一模式教学组(其他老师所带的4个实验小班)的成绩(平均80.5分)，但差异不显著。实验方案设计的考核成绩，多样化方法教学组(平均86.5分)明显高于单一模式教学组(平均81.5分)，差异显著。

笔者与所带的3个实验小班共57名学生进行了交流，交流情况如下：1)超过95%的学生认可目前的多样化实验教学方式；2)超过90%的学生认为通过此种多样化的实验教学，激发了大家学习天然药物化学的兴趣和主动性，提高了实验操作技能；3)超过85%的学生表示提高了自己分析问题和解决问题的能力；4)超过70%的学生认识到严密的思维方式和严谨的科学态度在实验中的重要性；5)另外分别有50%、40%和30%的学生认为增强了团队协作能力，增强了师生间的互动和拓宽了知识范围；6)个别想考研的学生提到此种教学提高了他们参与科研的兴趣，培养了创新思维。

综上所述，天然药物化学实验教学的开展对实践性很强的天然药物化学具有非常重要的作用，从多方面对本课程的实验教学方法与内容进行转变，有利于培养学生的操作技能、科研素养以及创新精神，有利于学生拓展视野和思路，有利于学生分析问题及解决问题的能力，综合素质得到提高。