从基础实验到专业实验——在实验中认识药学

张霁颐 冯琦琦 蒋雪云

(首都医科大学药学院,北京 100069)

在国家的发展过程中,人民的卫生健康安全是重中之重[1],加之新冠肺炎疫情的暴发,保护人民卫生安全的公共卫生医药事业正式成为了社会中心。随之而来的巨大挑战是培养一代代优秀的卫生健康人才守护人民的生命安全,各大医学院校纷纷尝试在教学方法和设计中进行改革,以求佳效[2]。首都医科大学药学院自2004年建院以来,紧跟上级政策方针,坚持走改革创新之路,尝试新鲜特色的教学模式、打造国家级实验教学中心、开设特色实验课程、建设虚拟仿真项目等,多位一体,将科研、教育置于首位不断努力,力求做到敢为人先、精品教学。在2021 年6 月22 日高等教育评价专业机构软科发布专业排名中,药学专业共有121 所院校参与,首都医科大学药学院四年制药学专业排名第11,这让我们作为药学院一份子倍感骄傲。

药学院为培养药学生的科研能力和动手能力,建立了规范的实验教学中心,并配备专业老师及规范化的实验仪器和设备;同时搭载了线上虚拟实验中心,保证学生能够及时复习巩固并有机会接触危险性高、环境要求高的实验。线上利用虚拟实验巩固知识和操作,线下动手实操及时提问并答疑,这种混合式药学实验教学模式的应用颇有成效。课程负责人设计实验教学计划,匹配相应的理论课程。通过基础化学实验Ⅰ到基础化学实验Ⅳ的基础实验课程的学习,让学生掌握实验的基本技能。为了进一步深化专业药学知识,大三年级下学期设置专业药学实验课程与专业理论课程相互匹配,使学生在本科阶段可以接触新药研究的整个过程,通过反复练习掌握技术操作方法,培养学生对科研的兴趣、对专业的热爱。

1 实验课程设置与意义

1.1 课程设置

药学院学生平均每学年实验课与理论课的课时比为1 ∶2,仅大三一年就长达199 学时,是所有课程中占比最大的。药学学科的特色是建立在实验操作的基础上的。通过长时间的练习让学生理解理论知识、掌握实验技能。实验课程设置分为3 个阶段,第一阶段是基础化学实验,任课教师对化学实验课程进行合理的设计与安排,撰写了《基础化学实验I》等共四册实验讲义,匹配基础课程无机化学到物理化学的基本内容,保证药学专业的学生夯实基础;第二阶段是波谱解析实验,学生通过使用磁共振仪、质谱仪等大型仪器来对化合物进行结构解析,进一步深化了对波谱解析课程的认识,明确大型仪器在药学中的重要地位和应用方法;第三阶段是专业药学实验,课程内容及工作量区别于前述基础化学实验,专业药学实验课时增加,内容涉及药物设计、药物合成、药物鉴定、药物活性评价、药物处方筛选、药物剂型制备、利用活性评价的结果指导药物结构优化、讨论构效关系等环节,开拓学生的视野,引领学生走进科研创新之路(图1)。课程设置分成3 个阶段,层层递进,逐步从普通的理学学科转化到医学应用性学科,实现了从基础化学实验过渡到专业药学实验的目的,对于学生的教育也实现了从简单到复杂的递进,使学生对专业知识易于接受和理解。

图1 首都医科大学药学院实验课程设置

1.2 搭载虚拟实验

药学实验在设计和进行过程中存在许多限制性。由于条件的制约和仪器的需求等原因,使学生只能在专业的实验室进行实验,加之部分实验对实验环境的要求高,如细胞操作、生物安全相关实验、应用于反应材料危险性高如乙醚、氢气等、操作特殊性如生产车间相关技术导致无法在教学水平开设相关实验[3],许多实验无法在实验室直接操作,也无法实现让学生按照自己的学习节奏多次反复巩固练习,做到融会贯通,熟练掌握[4]。药学院设计虚拟仿真实验,将实验安全置于首位的同时,帮助学生设计多种操作软件,在虚拟界面上尽量实现操作的真实化。通过预习、考核等多个不同模块和不同的操作要求,让学生在线上不受上述限制条件制约,能够随时操作想要复习的实验技术、近距离真实接触难以在实验室实现的GMP 生产车间的实验等[5]。药学院致力于保证能实不虚、虚实结合的线上搭载虚拟实验平台、线下依托国家级实验教学示范中心混合教学、夯实基础,帮助学生在药学的专业学习上打牢根基[6]。

1.3 设置意义

从基础化学实验到专业药学实验,在基础课程中我们不断积累基础操作技能,如分析化学中的滴定、柱色谱、HPLC 操作,以及吸量管的基本使用等,在夯实基础的情况下,又不断深化课内基础知识的学习,做到学习理论知识的同时联系实验操作,进一步加深对理论课程的认识。实验操作能力是学生培养创新、创业、创造三大能力的踏板[7]。首都医科大学药学院把自己发表的SCI 论文中的1 个化合物,串联药化、药分、药剂和药理等专业实验课,模拟新药研究中的药物设计、合成、分析与鉴定、药物制剂和药效学评价的全过程,再讨论药物的结构和药效学之间的关系,使药学专业本科生通过本课程体会到新药研究的完整过程(图2)[8]。力求在教学中实现多种实验教学法并行,同时综合实验技术。启发、互动、研究的思路搭配技术的组合、信息及现代化的技术[9]。通过特色的课程设计,实现教育改革,紧随习近平总书记对于教育教学的指导方针,严格落实本科教育的优质化。

图2 首都医科大学药学院专业技能实验课基本流程

2 基础化学实验与专业药学实验的对比

基础化学实验课程中,每次的实验课相互独立,彼此互不干扰,如某次课固定学习酸碱滴定、某次课固定学习柱色谱,不同的基础技术在不同的课堂上进行学习并掌握;同时,基础化学实验对于课前预习、课后实验数据的处理要求比较基本,采用上交活页实验报告纸的方式对学生进行检查和指导;此外,在学习基础化学实验时,为了让学生明白实验本身的意义,每一个独立的实验单元都是非常成熟的,实验结果基本上是固定的,且需要老师在实验室内进行实验前的指导、实验中的答疑、实验后的总结,指导老师在课上的任务是繁重的,学生具有的自主性和思考性虽然高于单独上理论课,但仍然具有限制性。

专业药学实验课的时间和频率由每学期90变化的时间学时的基础实验课跨越到144 学时的实验课,每周延长实验课单门课程5 学时,让师生提前体验到了药学人“以实验为基础、以实验室为家”的感觉。即每周半天的实验课延长为每周一整天的实验课程。从基础化学实验中机械化的操作到专业药学实验中,每一个实验从开始到结束,实验中所有的环节都需要详细准确地记录下来,结果的精密准确与否一直牵动着学生自己的思考。在专业药学实验中,我们从使用活页的实验报告纸改为利用实验数据记录本,以便于在下一次实验操作时回顾上一次的结果,及时发现问题、分析问题并解决问题。事实上,学生平日里上课的动机也逐渐在改变,撰写实验报告的目的原来单纯是赏心悦目同时获得优秀的成绩,逐渐转变为记录给自己看、发现问题和解决问题。另外,指导老师在实验课上有针对性地介绍原理和实验操作步骤,其余均需要学生自行把控,给了学生很大的思考空间。从老师帮助解决问题,到学生自己提出问题、分析问题并解决问题,这种转变也是基础化学实验到专业药学实验不断深化的过程。

基础化学实验是对基本化学知识的熟悉和掌握,明确基本的操作技术。在首都医科大学,除了药学专业学生需要学习基础化学实验课程,其他专业学生也设置了相关课程,是一种通识的教学内容。作为未来的科研人员,我们必须要掌握移液管、天平等的标准使用方法,保证实验过程的准确性和可重复性。但是药学基于化学却不完全是化学,其中扩充了生物化学、分子生物学等多学科的知识,是交叉领域的应用[10]。药学专业学生的研究要以应用价值为导向,要明确每一次研究目的,确定研究价值,同时基础化学实验收获的知识和技能都需融会贯通并加以利用。专业药学除了基本的化学,结合药剂学、药物分析学等专业知识,研究地更加深入。

3 专业药学实验课的收获

我们的专业药学实验课,对比其他高校的药学专业实验课,没有按照理论课程的药理、药化等分开涉猎,是选择将其融为一体,提前感受到了未来在工作中相对较为准确的顺序和可能出现的问题。在专业知识问题上,逐步深化理论与实验的学习,我们的收获是莫大的。而在科研意识、新药合成的基本操作和实验设计思路等方面都会面临的问题上,我们提前与之相见,打有准备之仗必然是有利的。

3.1 理论知识的深化

在基础化学实验中,学生通过理论与实验的交叉式学习,能够深化理论课基本知识点的掌握,如理论课上讲授相图的原理,实验课上学习相图的应用,同时掌握基本的化学实验操作,为后续的学习和实验扎实基础。在专业药学实验中,以药物化学、药理学、药剂学为基础,对基础化学进行融合,能够掌握与药物化学相关的重要有机反应的机制并准确应用在实验中,如有机课中学习基团保护的方法,实验中进行实操,深化基团保护的应用。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”理论与实践统一结合,在失败中不断进步,只有对原理的准确把握,才能在每一次的操作中找到问题所在,优化实验方案,获得目标结果。

3.2 实验技能的提高

理论学习是第一步,但以化学为核心的药学学科终须学生掌握实验技能,结论建立在实验现象的基础上,实验现象的准确建立在基本规范的实验操作上。首都医科大学药学院以实验课程学时长,课程特色鲜明著称。长期的基础实验课训练可形成系统扎实的实验技能,面面俱到,将标准的各项操作技术全面掌握,移步到专业药学实验,在通盘的基础操作中综合利用,学生会在一次次的尝试中找到最适合自己的实验节奏、找到最舒服的实验操作规程。通过不断选择更优需求,掌握更常用的技术手段,化繁为简,为以后的工作提供便利。

3.3 科研操作的规范

实验操作仅是完成科研任务最基本的技能。随着专业学习的深入,我们越发明确对于基础科研领域,发文章、好的实验结果是基础科研工作者们的目标,急功近利会造成学术造假,由此被撤稿的例子比比皆是。而对于化学实验,可重复性的重要性不容小觑,因为捏造数据是最简单的捷径。在专业药学实验中,学生不断深化学术的严谨性,要求实验记录得真实、准确、完整;同时,做实验要具有条理性、专业性、逻辑性。不能想起一出是一出,专业药学实验要求学生能够自行收拾一套完整的实验仪器,为自己的仪器负责,小到清洗仪器如反应过程中发现玻璃器皿污渍影响实验结果需要重新来过为自己的粗心负责,大到有效数字的取舍,学术态度的端正均能在专业药学实验中得以明确和建立。

3.4 新药研发的临床前研究思路

通过专业理论课的学习,学生在药物化学、药理学、药剂学等课程中不断明确新药研发的思路,将所学运用才是学习的目标。在专业药学实验课中,从计算机辅助药物设计开始进行初步模拟分子筛选,选择最合适的化合物为目标,利用逆合成分析合成化合物,后续的纯化、波谱解析、剂型的制备、药理活性的确定,基本囊括了药物设计的前期具体步骤,明确了新药合成思路的流程,在药物研发的临床前研究阶段,让学生在两个学期的专业实验中都尽可能地了解多数实验技术。学生不仅在教学中心做合成,还可以在科研楼对大型仪器进行探索,从合成到活性评价均有所涉猎。让学生在实验的同时对于药学人的基本工作思路有了具象的认识,理解作为基础科研工作者在工作中的基本框架和逻辑顺序,对日后的工作有了更清晰的认识。

3.5 科研表达能力的提升

基础科研工作不只是案前的实验、完成后的数据处理。我们同样需要与其他工作者的沟通交流合作能力。要能够倾听他人的实验思路、实验结果,探索问题、解决问题;同时也要能够表达自己的实验思路、实验进程、存在的问题,要有解决问题的方案,能回答出他人提出的问题。在交流和探讨的过程中,科研能力才能进步。在课程结束后,学生会以提交科研论文以及小组汇报的形式进行试讲,答辩过程中观众可以进行提问和相互交流,促进更加深入的理解和思考。这类启发式教学可全面推动师生交流,培养学生独立创新的思维[11]。展示汇报不仅是课堂翻转,也是展示自我的机会,能够自主思考厘清逻辑,提升了自我科研表达能力[12]。在专业药学的课程彻底结束后,我们还需要上交论文,总结整个学期的成果和内容,这锻炼了我们撰写论文、厘清实验思路的能力。

4 结语

层层递进的药学实验课的设计让学生不断感受到药学的学习就像是在走台阶一样,在基础化学实验中打牢坚实的地基,在专业药学实验课上认识并理解药学科研工作思路与方向,逐步深化。这种设计让学生即使是马上走上工作岗位也毫无畏惧,论基础有过硬的基本操作能力和理论知识的储备,提升了解药物临床前研究的必要步骤和流程操作。

2019 年至今,新冠肺炎疫情的暴发和持续不断,医药卫生事业的发展成为了捍卫人民卫生健康的重要保障。药学院力求育人育才,打造特色的教育教学方法,实现教学改革。在不断改革尝试的过程中,实现培养药学优秀人才,为祖国的医药卫生事业做出基础贡献[13]。同理,正是新冠肺炎疫情发展至今,让我们不断敲响警钟,药学专业对于祖国乃至国际卫生安全的重要性。我们必须认真对待每一次的实验课,将上述在专业药学实验的收获内化于心、外化于行。落实操作方法、明确药学基础临床前研究的根本目的是研发出有用的药物并用于疾病。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明张霁颐:撰写论文;冯琦琦:修改论文,对实验课程的设置提供支持;蒋雪云:审订论文,明确文献引用