药物色谱分析实验课程新型教学模式实践

纪顺利,郑枫，丁黎

中国药科大学药学院 (南京 211198)

药学专业是对毕业生实践能力要求很强的综合应用型学科[1]。药物色谱分析课程作为药学类本科生学习阶段的专业基础课，主要内容包括在2020版《中国药典》药品质量标准中被广泛采用的高效液相色谱法、气相色谱法、毛细管电泳和色谱-光谱联用技术，内容涉及色谱的基本原理、基本方法及其在生化药物、中药、化学药物和体内药物分析中的应用[2]。药物色谱分析实验是培养药学专业学生基础实验技能、理论联系实践能力、提高学生科学素养的重要途径，在教学环节中举足轻重。但药物色谱分析学科的应用性强，学生需要掌握的实验技能数量多、要求高，传统的实验教学模式很难适应医药行业对药学人才培养的需求。基于此，笔者对推动新型教学模式在药物色谱分析实验课程中的发展做了一些实践性探索。

1 药物色谱分析课程教学现状

色谱分析作为重要的分离技术，广泛应用于药物研究开发、生产流通乃至临床使用的各个领域中，成为药物质量控制必不可少的手段[3]。因此，以药物为研究对象的色谱分析类书籍迅速占领部分市场，成为药品相关技术人员的参考书。其中，由中国药科大学丁黎教授主编的《药物色谱分析》和由郑枫副教授主编的《药物色谱分析实验与指导》两本教材一经发行便广受欢迎，成为药学类学生的基础教材。实验教学作为理工科人才培养必不可少的环节，是培养高素质应用型人才的关键。然而，传统药物色谱分析实验教学中往往存在以下问题：①对药物色谱分析实验教学重视度不够。由于实验课大多不设置考试，学生在繁重的学业压力下，学习过程中难免出现重理论轻实验的现象[4-5]，严重影响药学实践性人才的培养效果；②采用集中大班制授课，多名学生同时进行一个实验，教师大多分身乏术，无法及时发现并纠正每个学生在操作过程中所发生的错误，资深教师通常采用与研究生协同教学的方式，但由于研究生不具备足够的学科知识储备以及相应的教学经验，错误指导的现象时有发生，影响学生对教师的信任感，而信任感的缺失则会降低学生的学习热情。年轻教师往往需要承担繁重的校内集体事务，面临课时量大、科研压力及个人生活等方面的压力，在教学上缺乏动力，投入精力少，部分教师采用灌输式教学法，束缚了学生科研思维的培养；③近年来，随着在校生规模的持续扩大，教育资源短缺的现象逐渐显著，出现实验场地拥挤、仪器设备陈旧老化、人均设备数减少等问题，实验教学在实际教学中的功能与地位未获得充分体现；④传统的教学设置限制了对学生创新意识和创造性思维的培养。受课程安排及课程学时限制，自主性、综合性的设计类实验较少出现在实验教学中，更多的是简单、独立的理论验证和模仿训练；⑤传统药物色谱分析实验教学中，实验内容的设计多为碎片式，缺乏课程内或学科间知识体系的相互联系，学生的实验技能和科学思维得不到系统的、综合性的训练。

2 药物色谱分析实验课程教学模式的改革

药物色谱分析实验是培养药学生基本实验技能、理论联系实践和提高科学素养的重要途径，发挥着其他教学环节无法替代的作用，其教学在药学专业学生的培养中占着十分重要的地位。然而，以往的实验教学模式缺乏有效的教学手段，难以突出课程的综合应用型特点，难以适应企业对具有高实验能力和优秀科学素养药学人才的需求。为使实验教学在实际教学中的功能与地位获得充分体现，需要应用新型教学模式提高课程对学生的吸引力，保证学习效果。随着网络及计算机科学技术的迅猛发展，各种网络平台、APP应用于教学而形成的全新教学形式正在迅速引发高校教学的改革。如何利用基于网络平台的“线上教学模式”成为高校教师必须努力思考和探究的课题[6-7]。此外，药学类高校多年来深入开展的“大学生创新创业”及“互联网+” 等项目所培养出的高素质应用型人才也启发教师开展基于“开放式实验教学平台”的药物色谱分析实验新型教学模式的尝试。

2.1 药物色谱分析实验课程“APP教学平台”的搭建

目前，药物色谱分析实验课程教学仍采用“PPT+板书”的传统教学模式，难以提升学生的自主学习能力，相当一部分学生在课前很难做到认真预习，课堂上也会出现注意力不集中现象，探索学生乐于接受的新型教学模式迫在眉睫。微信公众号等基于手机APP的网络平台凭借其方便、快捷、信息精选、定位准确等优势，迅速成为学生利用碎片式时间获取知识、筛选信息的重要方式。它不仅覆盖面广，可提供相关知识的最新进展，还大大节省了大学生主动搜索、收集和提炼信息的时间。APP教学平台的开放性和共享性能够起到对教育教学优秀理念的广泛传播和分享作用,强化了优势教学资源的有效利用。因此，APP教学平台结合线下教学的模式将有助于充分调动学生的学习积极性，有望实现“线上学习”和“线下学习”的协同效应，推动药物色谱分析实验教学模式的信息化发展。图1展示了中国药科大学药物色谱分析课程开发的微信公众号，为学生获取知识提供线上平台。该APP教学平台设计的构建主要包括课程管理、教学资源和教学活动三个版块。

图1 药物色谱分析课程微信公众平台

课程管理版块除了显示学习大纲、课时内容、原理讲解及预习要求等常规资料外，还增设了蕴含思政元素的色谱技术拓展模块。课程思政是近年来被广泛重视和关注的一种新型教学模式，以立德树人作为教育根本任务的一种综合教育理念[8]。自古以来，“德才兼备、以德为先”是我国一直坚持的育人之本，“若无德，则虽体魄智力发达，适足助其为恶，无益也”，充分突出了“德”在育人时更为重要的理念。随着社会的发展和科学技术的进步，药物色谱分析已不再是单纯的理论课程，而是成功融入药学相关行业人员生活的“指南针”。因此，在药物色谱分析课程的教学中，抓好课堂教学渠道，实现课程思政，进而达到育人目的变得尤为重要。该模块主要涉及色谱分析技术的发展历程、最新进展及领域内相关专家和贡献者的介绍。例如，在该模块中讲述新中国第一代色谱领域科学家卢佩章院士的生平事迹，展现其为开创中国色谱学科所开展的气相色谱、液相色谱理论及其在国防领域应用研究的科研历程。卢佩章院士一生热爱祖国、崇尚科学、严谨求实、无私敬业，将全部心血奉献给了中国的科学研究事业，为“科教兴国”作出了杰出贡献，是当之无愧的“中国色谱之父”。这些内容既可以在学生心目中树立榜样的力量，起到传承“爱国精神”的作用，也可使学生进一步理解掌握色谱分析技术的重要性。引入中外色谱仪器科技发展对比的讨论，讲述当今色谱工作者如何在国家重大仪器研发项目的支持下打破技术壁垒、实现色谱仪器国产化，提高学生课后学习讨论的热情，明确我国在色谱分析技术领域的优势和不足，培养学生的爱国情怀，树立正确的核心价值观、科研观，引导学生追求技术进步的紧迫感和自信心，激发学生的科研报国热情。

教学资源版块采用课上课下相结合模式。课上资源主要指课程管理版块里的课时内容和操作视频，课时内容包括药物色谱分析实验的实验目的、实验操作流程、注意事项等知识；课下资源除包括教师归纳总结、加工凝练后的理论知识外，药物色谱分析作为一门与医药行业发展密切关联，是更强调实用性的课程，相关的实验课的教学中也应密切关注医药行业的发展和动态，搜集近年来引起广泛关注的药品质量与安全事件、药物滥用等案例，绘制并展示药品研发、生产到临床应用各个环节中色谱分析技术的应用关系图，将具体生动的案例引入课下教学资源版块。比如在开讲“色谱分析法在药物杂质检验中的应用”前，可将近年发生在医药行业的典型事件——“缬沙坦风暴”作为案例引入教学活动中。在讲解药物杂质检查知识点的基础上，引入该典型案例，通过剖析事件发生的背景，突出介绍“基因毒性杂质”可能对生命和社会带来的危害，引导学生运用专业知识探寻解决问题的方法，启迪学生认识到药品质量安全的重要意义以及药物分析技术在保障药品质量安全中发挥的重要作用，激发学生学习的内在动力，加深学生对分析检测人员责任意识的审视。该模块可作为实验相关的课前预习内容，引导学生查阅文献，以小组为单位开展研讨交流后，再安排学生进行实验操作或进行一次“虚拟仿真”实验课，加深学生对相关知识的理解，以实现理论和实际的紧密结合。这种课上课下相结合的模式提高了学生对专业课程的学习兴趣，启迪学生对职业道德和社会责任感展开更深层次思考。

教学活动版块分为弹幕互动、单元测试、讨论及反馈意见等三个栏目。弹幕互动是在年轻群体中广受欢迎的交流方式，学生在观看教学视频过程中产生的问题，都可以通过匿名的形式发送弹幕。这样既可以消除部分学生提问时的胆怯情绪，又可以在不打断教师教学进程、学生听课连贯性的基础上解决困惑，提供一个与师生交流的机会。教师可以利用单元测试栏目中的检测模块进行在线点名、提问、考试等多种形式来检验学生对新知识的掌握程度,利用作业模块管理学生的实验课作业、习题报告,给予学生引导和评价,实现更全面、更灵活的管理。讨论及反馈意见版块主要为学生的思考与交流提供更广阔的平台，学生也可对授课教师的教学方式提出意见，以便于教师积极改进。

2.2 药物色谱分析实验课程“虚拟仿真实验教学平台”的搭建

虚拟仿真实验技术是继理论分析、科学实验之后，人类探索世界客观规律的又一重要方式，它是基于计算机生成的虚拟实验环境进行人机交互和仿真的教学方法，对药学教育领域产生了不可忽视的促进作用[9]。因此，建设药物色谱分析虚拟实验室来解决实际实验教学中遇到的问题十分必要。开展虚拟仿真实验作为真实实验的补充，两者相互增效，提高创新型药学专业人才培养的质量。学校现已开发“禁毒关键技术虚拟仿真实验”平台(https://www.ilab-x.com)，未来将会有更多虚拟仿真实验教学平台呈现。

药物色谱分析虚拟仿真实验教学主要可以解决下列三个方面的问题。

2.2.1 弥补仪器设备缺乏问题，降低实验教学的经济成本，规避危险及污染

当前，由于药学行业的飞速发展，为满足各药企对药学专业人才的持续需求，各高校大力实行扩招，因教学资源不足而引发的诸多弊端逐渐在实验教学中显现[10]。以中国药科大学药学分析相关实验课为例，由于教学班级规模较过去人数增多，一些所用仪器设备较简单的实验，如药物分析相关的药物鉴别、杂质检验等实验，可以通过在原有实验室基础上增加实验装置数量来解决资源不足的弊端。但药物色谱分析实验相关的一些大型仪器如气相色谱、液相色谱、气质联用、液质联用等，不仅价格昂贵、放置空间较大，而且后续运行及维护都需要耗费大量的人力、物力，在原有实验室基础上实现学生人手一台实验仪器极不现实。因此，只能每个小组多名学生共同操作一台仪器，这就存在小组内不能每一位学生都操作仪器的问题。仪器的限制导致学生参与感不强，学生的学习热情明显降低。

此外，在实际的药物色谱分析工作中常需要接触到一些“管制药品”的分析检测，在真实实验课程中，存在实验设备昂贵、实验原料难以获得、实验试剂与耗材购置及保管费用高等问题。再者，管制药品(如毒品、基因毒性杂质等)大多具有不良反应,或具有易燃易爆腐蚀特性(如易制爆药物)，学生在实际操作中面临一定的危险。而有毒害的实验原料、试剂、产物、副产物及“废气、废水、固体废弃物”的排放不仅会对身体健康造成威胁，也会污染环境。这些问题导致国内大多数药学类院校极少开设此类实验。

计算机系统的3D建模技术可以实现实验设备、材料、试剂、耗材的虚拟化，基于此的虚拟仿真实验，既可降低实验教学的经济成本，又可有效规避实验危险及造成的环境污染。随着未来计算机技术的进步和发展，有望让学生获得与线下实验同等真实的体验效果。

2.2.2 减轻教师课上教学压力，因材施教，提高教学质量

由于药学专业本身的特点，在学生培养方案中一般安排较其他专业更多的课程。处理方式是高密度排课，压缩学时，无形中增加的教学量，令教师缺少时间去思考和更新实验教学模式，多沿用传统教学方法，实验的前期准备工作和仪器的前期运行全部都由教师提前完成，而学生仅需按部就班地操作，得出实验结果，缺乏独立思考和尝试独自解决问题的契机。虽然教学组为增加学生参与感、让学生更深刻地了解各仪器工作原理，通常摒弃先进的自动进样操作，多采用手动进样的操作模式，但这种“教师主导，学生被动参与”的模式，仍然难以调动学生的学习兴趣和实验热情。而且实验课通常不安排相应的考试，多数学生通常对药物色谱分析实验课不够重视，将其作为繁重理论课学习过程中可以放松休闲的课程，无法体现课程实践性强的特点。此外，由于多数高校中药学专业的师生比例严重失衡，通常一节实验课的固定上课模式为一位教师指导约三十位学生，而真实实验课中每位学生都难免在样品制备和仪器操作中出现种种失误，教师分身乏术，无法及时发现并纠正每位学生的错误操作。通过药物色谱分析虚拟仿真实验系统，学生不仅可以按系统设置更详尽地进行预习，加深对理论和实际操作的理解，虚拟仿真实验系统还可将实验中的关键点和易错点进行着重的强调，可监控、记录并指出每位学生实验操作过程出现的错误。如此，既使学生养成了良好的实验习惯，也减轻了教师课堂教学的压力。传统药学色谱分析实验教学的实验内容均为统一安排,课后实验报告撰写的深度要求均相同,但教学班的专业各异，知识体系各不相同，同一班级内的学生能力禀赋也可能存在很大的差异,将教师讲解的原理和操作转化为自己动手能力的速度不尽相同。学习能力强的学生实验前准备充分，可能早早完成实验无事可做；而理解能力弱的学生可能进度慢还在实验进行中,无差异的“大锅饭式”教学效果不理想。另外,由于教师无法监督管理学生课下完成实验报告的环节，实验预习报告和结果讨论分析两个环节也存在学生不认真对待或互相抄袭的现象。虚拟仿真实验系统可以更方便地采取“小班教学”，授课教师可以根据各专业学生的科研素质以及就业需求情况有针对性地设置实验任务难度,灵活安排实验报告撰写的深度要求,因材施教，令教学效果最优化。

2.2.3 多学科融合，实现教学一体化

药物色谱分析实验课程的应用技术服务属性决定了实验课程的综合性，无法作为一门独立的课程进行教学，必须通过与药学相关课程相互衔接构成药学研究相关课程体系，才能使学生更好地理解实验课设计的知识框架，获得综合实践技能，初步具备实际解决色谱分析工作中相关问题的能力。然而，由于课时限制，传统药物色谱分析实验教学内容局限于简单、分散的理论验证性训练，各相关实验课间的实验内容相互分离，彼此又有重叠，缺乏相互融合的综合性设计类内容，教学设置既限制了对学生创新意识的培养，也无法养成学生的行业合作理念。应用虚拟仿真系统可有效解决这些问题。以中国药科大学为例,在讲授“高效液相色谱检测阿司匹林原料药中杂质含量”实验时，教师先向学生介绍高效液相的工作原理、仪器结构、适用对象及性能特点等理论基础知识；与学生一起采用虚拟仿真系统进入阿司匹林的合成车间，身临其境观察阿司匹林的合成工艺(药物合成实验虚拟仿真)；根据药物阿司匹林的制备工艺来分析其制备过程中可能含有的杂质种类及结构特点，筛选合适的色谱柱、分离模式、检测器及检测条件，根据药典进行色谱分析方法的验证，对实验数据进行处理，最后计算出原料药中杂质的含量，判断检测结果是否符合药物质量控制的标准，分析可能产生该杂质的其他原因。还可通过虚拟仿真实验系统短时间模拟其他检测方式(药物光谱分析实验虚拟仿真)的检测过程和结果，引导学生科学、辩证、统一认识色谱法与光谱法在解决同一问题上的优缺点，培养其综合解决药物分析中问题的能力。除学科之间的融合外，采用虚拟仿真系统，教师还可依据专业特点,遵循层次化、综合化、系统化的培养思路，利用网络端口高速信息化特点，打破时间和空间的限制,采用校企联合的方式设计相应的药物色谱分析实验内容,满足企业对现代医药人才培养的需求。

本系各门相关课程大力推进虚拟实验教学的建设，积累了一定的实践经验。通过虚拟仿真技术，实验课可以提供充足的教学资源，线上(虚拟实验)和线下(真实实验)相结合的多元化学习方式很容易提高学生个人的学习热情和主观参与性。在虚拟实验中可以重复实验，纠正改错，探索不同实验条件对色谱保留行为的影响，适合色谱系教师设计开展更丰富、开放式的实验内容，应从而加深学生对教学内容的多维度理解，提高其实践能力和科学素养。综上所述，构建基于虚拟仿真实验的教学体系，是药物色谱分析实验课程改革的必然趋势。

2.3 药物色谱分析实验课程“开放式实验教学平台”的搭建

教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》文件中明确指出：不能用虚拟实验教学代替所有的真实线下实验[11]。虽然虚拟仿真实验具有诸多优点,但其本身无法完全替代真实的实验,学生无法体会真实实验操作中可能出现的各种问题。因此,必须坚持“虚实结合,能实不虚”的实验教学原则,积极寻求虚拟仿真实验的补充方式。

既然真实的线下实验教学是教学中不可或缺的关键环节，如何在现有实验教学条件的基础上，解决目前药物色谱分析课程线下教学中的相应问题，也成为任课教师必须思考并解决的问题。

教学是集经验积累与改革创新于一体的实践过程。药学类高校多年来深入开展“大学生开放式实验”“大学生创新创业”及“互联网+”等项目，培养了一批高素质应用型人才。这启发教师展开基于“开放式实验教学平台”的药物色谱分析实验新型教学模式的尝试。采用导师负责制的新型开放式实验教学平台进行教学，类似构建了一个科研项目，既突出了学生的自主实验性，也强调了教师的指导和引领作用，强化了师生间的联系和互动，可大幅增加实验教学的多元化和多样性，提高教师教学和学生学习的兴趣。这种新型教学模式的最大特点是教师可以发挥自己的研究特长,将自身的科研课题或企业服务性检测工作与药物色谱分析实验教学深度融合，指导质量可以得到更加有效的保证。学生通过完成实验不但能够达到实验训练的目的,而且还能协助导师完成科研工作。此外，该教学模式还可打破众多高校目前存在的实验教学仪器设备和科研仪器设备间的应用限制,解决一些高精尖仪器设备,仅用于科学研究、几乎很少用于学生实验教学的问题。药物色谱分析教学组的实验课授课教师可从自身科研工作中提炼出实验内容与药学人才培养方案相符合的、综合性和设计性为主的色谱相关实验课题，学院在每学期初公布指导教师名单和实验内容,学生根据自己的学习进度和需求选择课题，在相应导师的指导下完成科学实验及数据整理与分析，最终获得相应难度的学分。另外,对有科研潜力和学有余力的学生,学校鼓励指导教师和学生将专业课程开放实验延伸到本科毕业论文,即学生从接触药物色谱分析实验开始，如若对色谱工作感兴趣，就可以进行本科毕业论文的实验和撰写。从培养人才的根本出发，鼓励学生积极思考、探索、实践并完成一系列的创新设计。试行导师制的开放式实验教学新模式以来，笔者指导的多位本科生，发表科研论文3篇,申请专利3项,实验教学改革取得了明显成效。

3 结语

药物色谱分析实验是药学专业学生一门重要的基础性实验课程，传统的教学手段无法突出该课程的综合应用型特点，需要引入新型教学模式，激发教师和学生对该门实验课的热情和积极性，以适应新形势下企业对创新型药学人才的需求。笔者从传统药物色谱分析课程教学模式存在的问题出发，分析药物色谱分析实验课程教学的现状，阐述教学模式改革的思路，结合中国药科大学教学实践和教学改革经验，探讨以构建“APP教学平台”“虚拟仿真实验教学平台”和“开放式实验教学平台”为基础的新型实验教学模式，对提高实验教学质量、培养药学生创新精神和实践能力具有积极作用和重要意义。通过“APP教学平台”结合线下教学这种模式，既可将思政元素润物无声地融入专业课程，在学生心目中树立榜样的力量，起到传承“爱国精神”的意义；也可拓宽学生的知识体系，了解色谱分析技术的重要性。这将有助于充分调动学生的学习积极性，有望实现“线上学习”和“线下学习”的协同效应，推动药物色谱分析实验教学模式的信息化发展。借助“虚拟仿真实验教学平台”所营造的虚拟实验教学环境可弥补高校实验仪器设备的不足，节约实验教学的经济成本，规避危险及降低可能产生的污染,减轻教师课上教学压力，突破时间、空间的限制,实现多学科融合，因材施教,提高教学质量。推行基于导师制的“开放式实验教学平台”，打破了高校目前存在的实验教学仪器设备和科研仪器设备间的应用壁垒,解决了有些高精尖的仪器设备仅用于科学研究,几乎很少用于学生实验教学的问题；同时激发了教师和学生两个主体的热情和积极性,既可减轻年轻教师的科研教学压力，又可使学生的创新意识、创新思维和实践能力得到显著提升。这一举措将为进一步开展药物色谱分析实验课程教学模式改革奠定良好的理论基础，也为相关课程教学模式的改革提供一定的参考与借鉴。