基于OBE理念的天然药物化学在线教学改革

孙建博

中国药科大学中药学院 (南京 211198)

天然药物化学是运用现代科学理论与方法研究天然产物中具有生理活性成分的化学分支学科,旨在全方位提高学生针对化合物本身的性质解决其提取和鉴定的能力,是药学专业的必修课程[1]。天然分子结构复杂,与合成化合物或组合化学库相比,天然分子结构骨架多样,提取分离原理抽象,波谱解析枯燥难懂。新冠疫情发生以来,在线教学成为疫情之下高校教学的普遍模式[2]。然而,受困于教学的环境和方式,天然药物化学线上教学只着重于天然分子理化性质和提取分离技术等知识点的碎片化讲解,而对化合物立体结构和结构解析的讲解抽象化,从而使学生对相关内容的理解碎片化,系统逻辑性不强,难以完成教学目标。

OBE(Outcome based education,OBE)教学理念,又称为成果导向教育,是以学生为中心和以主动探索为形式,以学生完成课程学习时应具备的知识、能力和素养等方面的要求组织教学和考核内容[3]。与传统教学模式相比,基于OBE理念的天然药物化学在线教学注重学生学习参与和学习成果产出,能够充分利用网络资源更好地支持学生学习。它聚焦于培养学生应用所学知识解剖天然分子结构,针对具体结构类型培养学生提取分离和结构鉴定能力。笔者分析了前期天然药物化学在线教学过程中出现的主要问题,提出以“培养专业人才”为主体,以“调整教学内容”“改革教学手段”和“优化考核方式”为三翼的“一体三翼”在线教学模式,开展在线教学改革实践,打造一流在线课程。

1 天然药物化学在线教学存在的问题

1.1 知识碎片化,教学内容逻辑性不足

在线教学最大的缺陷是缺乏对教学内容的逻辑整理,学生接收到的知识碎片化,不利于学生对知识的消化以及对教学目标的整体性认识。另外,由于天然药物化学涉及多学科交叉知识,部分学生对波谱解析、有机化学等基础课程知识掌握不牢固的情况下,学生在课程学习中会遇到较大障碍。

1.2 教学方法枯燥,师生缺乏课堂互动

线下教学模式下,师生在同一个教室通过互动完成教学任务,教师可以从教学内容、教学方式、教学语言等方面保障教学效果[4]。天然药物化学在线教学与传统课堂相比,致命缺点是互动不足。如果教师不改变教学方法,课堂将会更加枯燥,而师生互动的缺乏更易导致学生理解困难、不能有效消化所学知识。

1.3 考核方式单一,学生缺乏学习主动性

天然药物化学在线教学如果照搬传统课堂教学的期中和期末考核方式,不仅会让学生不能集中精力参与教学,缺乏学习的主动性,而且也会造成学生单纯追求分数的现象,不能全面地反映他们对所学专业知识的真正掌握情况。

2 OBE理念下天然药物化学在线教学内容改革

OBE理念是以学习产出为导向的教学方式,针对目前天然药物化学在线教学现状,进行改革的首要问题就是明确课程学习的产出,即通过该门课程的学习,确定学生需要掌握哪些知识点,具备哪些能力[2]。依据天然药物化学专业人才培养方案,以及在线学习环节的培养目标(绪论-本课程的学习目的与要求、研究内容以及与其他课程的关系;天然产物化学成分生物合成-植物成分构成的基本单元与主要的生物合成途径;提取分离方法-常用提取、萃取分离法;常用色谱填料原理和应用;结构研究方法-结构研究的一般程序、四大波谱在结构研究中的应用;天然药物的研究与开发-天然药物研究的新思路与新方法;糖和苷类-单糖立体化学、苷键水解、绝对构型测定方法;醌类-化合物的分类、化学性质、羟基蒽醌的分离方法;黄酮类-化合物结构特点和分类、理化性质、提取分离、结构鉴定;萜类和挥发油-化合物分类、结构特点和主要性质;甾体类及苷类-强心苷和甾体皂苷的结构与分类、理化性质;生物碱-生物碱结构、理化性质、分离和鉴别方法;海洋天然药物-常见海洋天然产物类型),学生通过课程学习具备相关知识和能力。在线教学目标与课堂教学目标相比,前者要求更加具体,更多的是培养学生对天然药物化学课程的认识,并能熟练运用提取分离相关知识,依据特征化合物的理化性质进行提取分离的有效设计,而对结构研究的要求降低。基于此,教学团队有必要对教学内容做出调整。

2.1 调整课时,清晰梳理学科思路

在结合实际教学经验的情况下,教学团队调整绪论部分至4学时,提取分离部分至3学时,确保学生能够相对深入地了解和熟悉天然药物化学研究的基本内容,对天然产物提取分离形成逻辑分析能力以及对天然药物新药开发形成清晰的研究思路。这样不仅可以为教师采用OBE教学法实施教学提供充分的教学课时,同时也能够让学生在听课时有的放矢,梳理和串联各分论章节的知识脉络[5-6]。

2.2 侧重各论内容讲解,突出重点难点

根据预期学习产出及天然药物实际发展需求,在生物碱、苯丙素、蒽醌、萜类等章节教学时,教师应侧重在结构特点、理化性质、提取分离方法等理论基础方面进行讲授,结构解析部分可作为辅助讲解内容。黄酮类由于其结构和提取分离的特殊相关性,教师在结构解析部分需要投入足够的授课时间,让学生能够利用已有的知识形成对黄酮类结构解析的思路。以黄酮的结构分类及理化性质为例,该节课主要是让学生学习黄酮类化合物的结构特点及各类型的差异性,教学的难点在于不同黄酮的结构特征与理化性质之间的关联性。在课中,学生不易掌握所有不同种类黄酮的结构特点,不易理解黄酮结构变化的原理,较难理解化合物结构特点的改变对其理化性质变化的影响。根据这部分内容复杂难易程度以及专业培养需求,以学生对能够具备判断不同种类黄酮的颜色、溶解性、酸碱性的能力为导向,删除黄酮类生物合成基本途径及黄酮苷的类型等内容,教学团队通过结合生活中常见现象进行课程设计并且以提供课外教学资源的方式进行内容改革,使学生对课上传授的知识能够及时消化。

2.3 依托热点化合物的教学剖析结构特点

天然药物化学成分具有结构复杂多变、生物活性多样等特点。天然产物分子结构决定其理化性质及活性特征,因此对不同种类化合物结构特点的掌握是学生了解天然药物化学提取分离、活性特点的有效途径,而结构的抽象性往往给天然药物化学教学带来一定的困难。因此,在进行教学内容设计时,教师要选择章节中具有典型性、热点性的结构,采用情境创设教学与基础知识相融合的内容,对结构进行剖析。如在讲解黄酮类化合物结构与颜色之间的关系时,教师以学生平时看到的花瓣颜色由白色→黄色→红色的变化和黄酮类结构有密切关系为例,白色的花一般含有非共轭的黄酮类结构,黄色的花含有的简单共轭的黄酮类结构较多,而颜色最深的红花是因为含有共轭程度较深的醌式结构较多。在课堂上教师对于案例的讲解,要巧妙切入、高效引导,并组织讨论,引导和培养学生在课下能够运用所学理论知识对其他案例进行分析和讨论,以加深学生对黄酮类结构和理化性质关系的理解。

3 OBE理念下天然药物化学在线教学方式改革

在线教学使师生分处于两个不同的教学空间,师生之间缺乏现场交流,教师无法现场感知学生的学习反馈,不能及时根据学生的反馈调整教学节奏;教师无法直接管理课堂,不能及时掌握学生的学习动态。这就要求教师基于OBE理念对新课堂进行教学方式的改革,构建以学生为中心的教学模式,传授学生真正需要的知识(图1)。这也对学生时间管理、学习积极性和自律自强方面提出更高的要求。

图1 基于OBE理念的天然药物化学在线教学改革

3.1 建立利于情境创设的多媒体课件与教学资源库

为了让学生通过在线学习掌握黄酮化合物的理化性质,教师可以通过建立情境创设的多媒体课件进行知识的碎片化整理和逻辑的疏通。首先,教师可以使用PPT图表形式和分级显示,做好课程的导入,激发学生的兴趣。同时,利用多媒体图表和动画配合创设花色素在不同pH条件下显示不同颜色的情境来讲解黄酮类化合物理化性质和结构的关系。在讲授黄酮类化合物溶解性时,教师还可以利用多媒体视频创设黄酮类在空间上的构型情境来讲解和溶解性的关系,引发学生对化合物构型与溶解相关性的思考。其次,教师可借助中药材提取分离的流程情境,将化合物的酸碱性特征应用于黄酮类的提取和分离上,加深学生的印象,引发学生对黄酮类化合物进行提取分离依据的思考。

丰富的课外网络资源能够拓展学生的视野,激发学生的学习兴趣,增加学生课堂学习知识的深度与广度。由于网络资源的多样性和复杂性,学生在寻找时需要花费大量的时间,这就需要教学团队及虚拟教研室在教学平台中筛选、共享适合的学习资源,如MOOC精品课程、教学视频、题库等,让学生巩固教师讲过的理论知识。

3.2 高效推进课程设计环节,构建递进关联教学模块

独立的知识点讲解较为枯燥、碎片化严重,且学生不容易理解,所以教师需要构建递进关联的教学模块,从而使知识体系形成逻辑,以提升学生在理解消化知识点后的应用能力。在实践过程中,教师可以参考如下教学方式：首先,设置情境,并以问题的方式导课。为了达到课堂的最佳效果,策略实施的关键是营造悬念氛围,区分问题的层次,达到教学内容的递进。如在治疗新型冠状病毒的过程中,中药发挥了较好的治疗效果,获得国际认可,教师进而引出中药药效概念,提出思考问题：中药药效的物质基础是什么,这些化学成分的结构特点是什么?如何对这些成分进行有效地富集和分离?从而激发学生的兴趣和探索意识,引入化合物结构类型和理化性质内容的讲解。其次,注意总结。教师应将课程内容随时进行归纳总结,使它们转化为便于学生理解和记忆的知识点。笔者在讲解影响生物碱碱性的因素时,其内容要点总结为杂化、诱导、共轭、空间和氢键,这些因素都是通过影响氮原子表面电子云密度,从而影响共轭酸的稳定性来影响生物碱的碱性强弱。学生课后学习思考的内容要通过学生陈述、教师点评等方法加以总结,让学生享受学习成果。再次,应用知识解决问题。理论学习的目的是为了应用,教师在传授知识的同时,让学生能够应用学到的知识解决实际问题,这是强化和巩固所学知识的有效途径。如在学习生物碱的性状和理化性质后,学生了解了马钱子的溶解性、酸碱性以及能够使马钱子碱沉淀显色的试剂。当教师提出如何降低马钱子的毒性时,学生应该首先想到其主要成分马钱子碱的性质以及毒性成分去除的实验设计。这种递进关联的教学方式可以全方面考核学生内化知识、应用知识的能力,以培养学生分析问题、解决问题的能力。

3.3 以学生为中心,激发学习兴趣,提高教学效果

目前,多数教学策略均倡导以学生为中心,OBE理念更是如此[7]。在线上教学中,教师应从传统主导教学模式中退出来,实施互动式教学。教师可借助在线教学平台,在课前、课中、课后通过平台数据掌握每个学生的学习情况,并根据平台数据和学生反馈及时调整教学内容、教学进度。在教学中,课程讲解的设计应丰富多样,通过讲解引导学生提出疑问,教师展开实例讲述,引发学生思考。课堂教学要激发学生的分析和创造能力,给予学生发挥的空间。教师应在授课过程中更多地起到引导作用,而并非将全部内容和盘托出。比如,在讲解苄基四氢异喹啉类生物碱时,教师可让学生将其结构进行拆分,探究该类生物碱含有哪些结构,引导学生由喹啉结构转至四氢异喹啉,再到苄基基团,随后连接形成苄基四氢异喹啉类生物碱骨架,最后在探索中解析化合物的结构类型。

3.4 结合虚拟仿真实验室,开展第二课堂教学

天然药物化学是一门实践性很强的学科,实验教学是相关人才培养中必不可少的环节,其主要任务是让学生掌握必要的天然药物化学实验知识和实验操作技能,为相应的理论知识的掌握打下基础[8]。新冠疫情期间,线下实验课不能和理论课同时开展,学生对知识应用的直观性不强,理论与实验脱节。天然药物化学虚拟仿真实验教学符合OBE理念培养应用型人才的初衷。在线教学过程中教师引入虚拟实验室是对教学形式的补充,利用三维立体动画,配以讲解,真实还原实验课的内容,展示不同的实验结果。学生对实验整体和关键步骤建立初步认识,从而发挥能动性和开拓性,为高素质应用型人才培养提供保障[9]。另外,教师还可以录制真人实验视频,针对实验流程和涉及的理论知识进行讲解,学生多维学习,反复复习,更加便捷地理解和掌握课程知识。

4 基于OBE理念的天然药物化学在线教学考核方式改革

天然药物化学在线教学考核评价体系适合形成性评价与终结性评价相结合模式,通过“及时-形成-结果”全过程评价学生的学习质量和效果,让学生主动地归纳、理解和活用知识,以此来扭转学生应付式和被动式学习状态[10]。形成性评价主要由课堂成绩和实践成绩组成,课堂成绩可以设置为学习记录+线上测试成绩+讨论参与,占比为20%。教师通过在线教学平台专业的数据统计和数据分析功能对学生的上课行为(缺勤、学习行为)进行记录。实践成绩可设置为作业完成+成果展示,占比20%,通过线上讨论、作业线上展示,将考核评价贯穿于课程教学全过程,将评价结果反作用于教学改进。终结性评价主要通过期末考试(试卷考核,占比60%)考查,在设置考试题目时,教师需要摒弃对碎片化的知识考核,将科研实例或热点引入,如青蒿素和关附甲素等,实现从结构特征、理化性质、提取分离设计到结构解析的系统性考查。