体内药物与毒物分析实验教学探索

廖文婷，邢久东，张昌栋，苏梦翔，柳文媛，吴春勇

中国药科大学药学院 (南京 210009)

2015年7月原国家食品药品监督管理总局开始药物临床试验数据自查核查工作，发现在国内进行的临床试验数据问题触目惊心，主要体现在生物分析的科学性与规范性上，表现在“选择性使用数据”“虚假数据”“修改数据”“数据不可溯源”等。2016年2月国务院办公厅宣布仿制药质量和疗效一致性评价工作正式启动。由于时间紧、任务重，优秀的生物样品分析人才紧缺，另一方面，随着我国经济、社会的飞速发展，一直困扰世界各国的毒品问题也开始在我国蔓延，随着政府对毒品问题的认识不断加深，培养专业的禁毒队伍已成为禁毒工作的重中之重。

为配合国家医药产业发展及禁毒大战略的布局，中国药科大学于2014年开设体内药物与毒物分析课程，目前已毕业四届学生。体内药物与毒物分析是一门运用药物分析原理和技术对生物机体中药物及其代谢物、内源性物质以及侵入生物体内的有毒物质进行定性和定量分析，为临床药学、临床药理学、生物药剂学和法医学提供技术支持的一门综合性较强的应用学科，为医院、医药院校、药厂、医药监督检验部门、公安法医部门培养从事临床药动学研究、临床合理用药、治疗药物监测、新药临床评价和法医物证研究的高级专门人才[1-2]。通过实验课的学习，能够使学生掌握体内药物与毒物分析的基本操作技能，进一步巩固和加深对相关理论知识的理解，提高学生分析问题、解决问题的能力，在此基础上增强学生对药物分析专业的兴趣和信心，同时培养学生的合规意识[3-5]。

中国药科大学体内药物与毒物分析实验教学设在大四上半学期，学生已具备了一定的专业基础知识和实验技能，并且已经学习了分析化学、色谱分析、光谱分析和药物分析等知识，具备良好的开设综合设计性实验的前提与条件。因此，笔者根据体内药物与毒物分析课程特点，配合国家医药产业发展以及禁毒大战略的布局，使实验教学更好地与学生将来的科研、职业岗位技能对接。这样可充分锻炼学生的实验技能，笔者还结合教学实践，从优化教学内容、改进教学方法和完善考核制度方面，对药物分析专业体内药物与毒物分析实验的教学进行了探索和实践。

1 采用“基础性实验-设计性实验-虚拟仿真实验”混合式教学模式

针对体内药物与毒物分析的课程特点，教师将方法学验证、不同样品预处理和分析方法的内在联系以及学生能力的提升作为一个整体进行考虑与布局，对实验教学进行系统设计，突出设计性、综合性与合规性，使真实实验与虚拟仿真实验相互补充，相得益彰，通过混合式实验教学模式培养学生创新思维与解决实际问题能力，取得了良好的实施效果。

1.1 基础性实验

基础实验作为学期初始阶段的第一教学层次，通过基础训练实验夯实学生专业知识的储备。教学内容可以采用经典的能够涵盖体内药物与毒物分析的基本原理与基本实验操作技术的案例。教学方式可以采用传统的教学模式，以教师教授为主，详细讲解实验原理、操作步骤和注意事项，要求学生按照操作标准及规范来完成实验。本门课程与其他实验课程不同，样品前处理步骤多，操作复杂，所用仪器多，耗时较长，因此扎实的实验操作技能、严格而规范的实验操作是实验教学取得成效的保证。为使实验教学更好地与学生将来的科研、职业岗位技能对接，充分锻炼学生的实验技能，笔者对实验内容进行了精心选择。由于实验课学时有限，为了培养学生解决实际问题能力，笔者在教学中尤其重视实验体系的多层次架构，结合教学团队近期的科研成果设计实验，其中前四个实验是综合性实验，以学生自我训练为主，以锻炼学生对生物样品预处理的综合理解能力与现代分析技术的综合运用能力，其中两个实验分析对象相同，但采用了不同的预处理方法，样品处理所需时间、工作量、成本以及方法灵敏度都是不同的，学生可充分进行比较。

1.2 设计性实验

综合设计性实验有助于培养学生创新和实践能力[6- 8]。通过基础实验的训练夯实学生专业基础后，教师的作用则由教授转变为引导。在学期的后期阶段安排1-2次设计性实验。综合设计性实验的教学内容可以是样品前处理条件的优化、色谱条件的摸索与优化和体内药物分析方法学的开发与验证[8-10]。譬如，笔者把设计性实验安排在最后一次实验，要求学生以药物化学结构及需要解决的问题为出发点，利用学校图书馆的网络资源，如中国知网、Pubmed、WebScience等数据库进行查阅兰索拉唑的体内药物分析及体内药动学的相关文献，在此基础上设计实验方案。在该过程中学生需考虑的问题很多，包括生物样品的种类、生物样品的量、浓度的大概范围、溶液的配置、固相萃取柱的处理等，进行高效液相色谱操作时还要关注样品处理方法的选择、色谱柱的选择、流动相的组成、柱温、检测器的波长和定量下限和标准曲线范围等。设计方案经全组交流讨论后，确定一条操作性较强的实验方案。通过综合性、设计性实验的开展，学生对生物样品分析以及毒品分析等就会有更加深刻的体会。教学效果显示，综合性实验方案可充分调动学生的主观能动性和学习兴趣，通过综合性、设计性实验技能训练，学生对各门课程之间的内在联系也有了更加系统和深刻的理解和掌握。

1.3 虚拟仿真实验

本门课程所需的仪器和色谱工作站软件操作复杂，学生很难在短时间内掌握，很大程度上影响了实验进度。为了帮助学生熟悉仪器、软件的操作使用规程，克服大型仪器、毒物与毒品分析难以在现实中开展多班级、多人次本科教学的难题，基于“国家禁毒委员会办公室-中国药科大学禁毒关键技术联合实验室”的最新科研成果，教学团队构建了“禁毒关键技术虚拟仿真教学平台”(http://cpu2.yysmart.net)，利用数字化、多媒体、网络化等软硬件技术，构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿真实验教学平台，让学生在虚拟仿真环境中完成实验设计、样品处理、仪器参数设置、数据采集、定性和定量分析等任务，完成真实环境下难以实现的认知和实践过程，以弥补现实教学的不足。譬如，笔者制作了“基于污水中冰毒含量的液相色谱-质谱联用技术评估毒品滥用情况”课程，在时间和内容上与理论教学课时交叉，学生通过微课视频、图片、补充资料、专家讲座等不同的教学形式，深入学习禁毒关键技术、社区毒品监测、污水样品的采集、固相萃取预处理的原理和操作步骤、液相色谱-质谱联用技术的基本原理与操作要点等理论知识。进而在虚拟仿真场景中，通过高精度的三维仿真模型，让学生对液相色谱仪、质谱仪的整体结构以及Chromeleon变色龙色谱数据系统软件等进行学习，可形成具体而形象的认知；再到色谱方法、质谱方法的建立与优化、样品进样、色谱图积分、标准曲线的加权线性回归以及未知样品的测定等实验场景，学生可对每个参数进行设定，系统对操作结果进行评价并指出错误。最后，通过平台的考核评价系统，找出学生的薄弱环节，学生可针对性地进行巩固学习。教学实践证明虚拟仿真教学平台有效地突破了实验课时固定、空间有限、无法现场采样、毒品采购困难、仪器数量不足且使用成本高昂等现实条件的限制，学生可反复安全地演练，掌握仪器和色谱工作站的分析原理和操作规程，保证学生的沉浸感和较长工作时间的用户体验，此项目已经获得2018年度国家虚拟仿真实验教学项目。

目前本教研团队设计的6个实验基本覆盖了体内药物与毒物分析需要掌握的重要知识点，样品预处理方法包括了蛋白沉淀法、液液萃取法和固相萃取法，生物样品种类包括血浆、尿液和污水处理厂的污水，分析技术包括高效液相色谱法(HPLC)和液质联用法(LC-MS/MS)，操作形式包括实际操作与虚拟仿真，方法学考证包括考察专属性、线性(是否加权)、精密度与准确度、提取回收率等。

2 基于网络教学平台，构建实验课程混合学习新模式

传统实验课教学基本沿用灌输式教学，学生很少课前预习，教师需要在背景知识上花费大量时间，从而大大缩减了实验和师生交流时间。基于“主导-主体”教学理念和“混合式学习”思想，教学团队将实验教学中的碎片知识系统化整合，录制了多个微课视频，包括基础知识、主要分析方法的原理和操作注意事项等，并将编辑制作好的教学资源、实验课教案、药品监管部门颁布的相关指导原则与政策法规等上传到学校在线课程平台以及学堂在线平台，便于学生通过网络平台预习。在预习过程中，学生有任何疑问，可随时通过网络交流平台进行提问，上课时教师直接针对实验的重点、难点和学生疑问开始教学，有效改善了实验课时不足的问题。通过混合学习，学生能比较熟练地完成实验项目，但难免会出现异常结果，因此实验结束后教师可组织开展实验结果汇报交流活动。譬如，让学生分别用外标法和内标法计算，理解生物样品处理中内标法的优势和重要性；通过比较各组同学数据的差异，理解操作中的关键步骤；标准曲线比较加权最小二乘法回归方法计算和最小二乘法直接计算的结果。在教师组织下，学生对实验结果的分享、讨论和交流，形成了一个完整教与学活动的闭环。

3 以国家需求为导向，开展合规性教育

随着我国药物临床试验、法医毒物/毒品分析的规范化和国际化进程的推进，学生熟悉并掌握与国际相接轨的实验室管理规范目前已显得十分必要。教学过程中本教研组邀请了江苏省人民医院药学部、江苏省公安厅物证鉴定中心、南京市公安局禁毒支队毒品实验室的多位嘉宾，围绕药物临床试验生物样本分析实验室的管理、刑事侦查中毒品和毒物分析的注意事项，给学生做补充讲座；并与江苏省人民医院、原南京军区南京总医院等单位联合，安排基地见习活动，有效培养了学生的规范管理意识以及对临床生物分析与法医毒物分析工作的热情。

同时，与岛津公司合作成立了“中国药科大学-岛津企业管理(中国)有限公司大学生创新实验训练综合平台”，所有的仪器均配置了岛津网络版数据工作站软件，开启“审计追踪”功能，学生在数据采集和处理时的任何操作在软件上均有记录，足以满足现有法规的要求。此外，给学生讲解CFDA颁布的《药品研究实验记录暂行规定》，教师需对实验报告的撰写严格要求，强调记录的真实性和及时性，并且对于关键步骤实验现象，要求用手机拍摄，把实验过程以图文并茂的形式展示出来，做到“有图有真相”。

4 以职业岗位能力为导向的实验课程考核

传统的实验考核较简单，主要是以学生提交实验报告为主，而对平时实验技能表现缺乏重视，这种考核制度片面追求结果的正确性和报告的完整性，忽视了实验设计能力、实验过程中动手操作能力及问题解决能力的评价，缺乏一定的公正公平性。因此，为了更全面、更客观地评价学生的实际水平，教学团队将线上预习情况、实验设计、实验操作技能水平、实验报告都作为实验成绩的一部分，期末进行综合考试。这样，教学组织及学习效果评价都能紧紧围绕学生职业能力的培养与提高。教学团队经过摸索和探讨，目前考核方式由四个方面组成：课前是否积极参与线上预习(登录次数、测试10%)；课堂是否积极参与讨论、任务设计(20%)；实验过程是否积极参与、实验操作是否符合规范要求 (30%)；实验报告是否完整且结论可靠(40%)。科学合理的考核方法不仅提高了实验课的教学效果，还可以调动学生对实验课的积极性，对学生创新能力和综合素质的提高也起到了促进作用。

5 小结

体内药物与毒物分析实验教学对于培养掌握生物样品与毒品分析的基本技能、熟悉分析实验室操作规范的高层次人才，以及大力推进我国药物临床试验与禁毒工作的国际化进程具有至关重要的意义。实验教学实践表明，通过在线预习与线下实践有效结合，学生在实验时可以做到心有所想、行有所向，极大促进了实验效率与成功率；通过综合性、设计性实验方案和技能训练，充分调动了学生的主观能动性和学习兴趣，培养学生基本实验操作技能，同时能使学生更好地掌握体内药物与毒物分析的相关理论知识，提高学生分析问题、解决问题的能力及创新能力。同时，学生对各门课程之间的内在联系也有了更加系统和深刻的理解和掌握；通过虚实结合的实验体系，有效突破了实验课时固定、空间有限、无法现场采样、采购毒品困难、仪器数量不足且使用成本高昂等现实条件的限制。本教学团队将在今后的药物分析实验教学过程中不断总结，不断探索。