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天然产物化学实验课程学生创新能力培养

作者:admin 来源:未知 日期:2020-08-14 08:19人气:
[摘要]天然产物化学实验课程是一门综合性课程,涉及大量的研究内容,在此课程的教学过程中,如何培养学生的创新能力,激发学生的探索兴趣对学生素质培养非常重要。本文探讨了探索性实验的流程设计和实验实施保障,将探索性实验纳入天然产物化学实验课程的教学中,以更好地培养学生创新能力和发现科学问题并解决该问题的能力。
 
[关键词]天然产物化学;实验课程;探索性实验;创新能力
 
天然产物化学课程是高等院校药学[1]、应用化学[2]等相关专业的专业主干课程,是有机化学的一个重要分支,又是一门交叉学科,涉及有机化学、无机化学、波普解析、生物化学、仪器分析等先修课程,本门课程要求学生了解天然产物的分类、分布与结构类型,掌握天然产物分离提取、结构鉴定的一般方法,熟悉各类天然产物,特别是重要天然产物的合成、性质及应用,并对天然产物的合成途径有一定认识。其授课主要内容包括来源于陆生植物和动物的十三大类天然有机化合物(维生素、糖、核酸、氨基酸、多肽与蛋白质等),以及近年来新增的海洋天然产物章节[3-4]。天然产物化学是一门理论和实验并重的课程,许多提取分离天然产物的规律是从实验中总结出来的[5],而实验中得到的规律和经验的集合形成了天然产物化学课程的理论体系。在实验课程中有意的训练大学本科阶段学生的创新能力,不仅能够为部分适合继续科学探索的学生打下扎实的基础,因为本科阶段学生的思维还没有固化,有特有的灵活性和创新性,在实验过程中能够有更新颖的角度和更独特的思维,往往还能够得到许多高年级研究学生没有涉及的新发现。例如美国犹他大学Olivera教授指导18岁左右的大学新生开展关于芋螺毒素毒性的研究,创造性地直接将芋螺毒组分注射到哺乳动物中枢神经系统,揭示了芋螺毒素药理多样性的面纱,并且进一步研究发现了多种活性多肽,部分多肽进入临床试验,其中齐考诺肽(ziconotide)已经上市[3]。可见,在大学天然产物实验课程阶段培养学生的创新精神和创新能力的重要性,不仅能够帮助学生在今后的工作中敢于设想,大胆实践,使其创新素质不断提高,还能推动天然产物研究领域发展,同时得到更多有益于人类发展的科研成果。本文就如何在天然产物化学课程理论授课的基础上,在实验课程中培养学生的创新能力和激发学生的探索精神,设计了天然产物化学实验课程中培养学生创新能力的具体流程,并探讨了该流程得以顺利实施的保障。以期在天然产物化学实验课程的授课中,培养学生的创新能力,激发学生创新创业热情,并发现具有科研精神和科研潜力的优秀学生,鼓励其积极投身于我国天然产物化学领域的研究,还能在实验课程中得到更多有价值的科研成果,以期积极推动产学研相结合的高校课程培养体系建设。
 
1天然产物化学课程创新能力培养的流程设计
 
1.1基础练习
 
天然产物化学是一门理论和实践并重的课程,良好的理论基础是其实践操作的前提,而实践操作又丰富了理论知识体系,但最终落脚点是在实践应用上,一些基础的实践操作技能单靠理论是无法习得的,要熟练掌握还是需通过实验课程的习得和课后不断练习,并且对基本操作技能的熟练使用是实践创新的基础。尽管对天然产物进行深入研究的过程中会涉及非常多的实验操作方法,但其中最基本的操作方法和技能并不多,如天然产物提取,天然产物除杂、纯化,天然产物结构和理化性质的分析等,所涉及到的仪器设备或工具主要有提取装置、旋转蒸发仪、分层过滤装置、硅胶等不同类型柱色谱装置、薄层色谱、液相色谱装置、紫外检测装置等,都是初级简单的基础装置。因此,在实验教学过程培养学生创新能力的基础,是通过设计一些初级基本的课程,由浅入深,训练学生初步了解或掌握最基本的操作技能,使用最基础的装置和工具,如“黄连中小檗碱的提取与鉴定”、“黄芪多糖的提取分离和鉴定”等。这些基础实验作为天然产物化学研究的入门,必不可少,但是切勿过多,否则会因为重复类似的操作而使学生渐渐失去兴趣,阻碍了其创新发挥。
 
1.2自主选材
 
经过少而精的基础练习后,同学们对于天然产物化学的实践有了一定基础,为培养其创新能力,需激发学生的兴趣,要启发学生通过探索身边的未知,在实践中打开另一个世界的大门,并伴随带来的一定成就感,再进一步激发兴趣。此时,要求学生根据自身生活环境,选一种或多种材料,可以是植物、动物或微生物,然后根据兴趣方向进行组队。同学们自发组队完成后,为了保障后续创新训练的顺利开展,指导老师可根据实验课程基础练习阶段的表现情况,对各分组进行调整,并选定小组组长,同时根据自身经验从学生选出的材料中排除一部分收集或探索难度较大、明显超过学生水平的材料,并给出建议首选材料。
 
1.3自主设计
 
选材组队完成以后,便进入实验方案自主设计阶段,要求学生结合之前实验课程的实验设计,自主查阅文献并设计实验方案。为了节约时间,提高效率,可要求小组不同学生根据自身特长进行分工,如资料收集、整理,具体某一实验流程的安排设计、调研确定实验中所需仪器设备实验室是否满足并拟定解决方法,及最后的设计报告的撰写等。本过程是理论探索过程,为保障设计的合理性和完整性,指导老师需对设计报告进行审核和修改,并及时为学生解疑答惑,提出意见,同时鼓励学生克服困难,避免部分学生放弃。还应就实验设计中涉及的实验室安全问题进行教育培训,提前识别风险,预估风险并提出方案规避风险,确保实验进行中的安全问题,提高安全意识。
 
1.4实验方案实施
 
实验方案设计完成后,便进入实践实施阶段,该阶段可能是天然产物化学实验中最具挑战的部分,其周期最长,遇到的问题可能最多。此阶段,指导老师须定时与学生分析和讨论实验过程中的问题、现象等,指导学生如何获取解决方法,还须在实验实施过程中强调实验安全操作流程,培养学生安全意识。此外,指导老师要鼓励学生仔细观察、不断重复,自主发现问题;也要对实验过程中的新现象,引导学生思考,鼓励大胆假设;对部分初步判断特别有价值或有意义的新问题,指导老师甚至可以和学生一起进行探究。整个过程中要培养学生做好实验记录的习惯。
 
1.5实验结果整理
 
实验完成后,要求学生对实验结果进行整理,并撰写报告,对部分有科学价值的内容,鼓励学生撰写成论文,投稿发表。对于实验结果的整理分析,可以帮助学生认识实验中得到了怎样的数据,说明了什么问题。通过对整个实验的回忆,能让学生意识到自身的进步,从而增加其探索的欲望。其中,对具有科学价值的创新成果,投稿到期刊,对学生来说也是一种认可,会大大激发学生的成就感,在投稿返修过程中还能培养学生抗挫折能力和科学韧性。
 
2课程创新设计实施的保障
 
2.1师资力量的保障
 
本文设计提出的天然产物化学实验课程中培养学生创新能力的流程的第一阶段基础训练阶段,由于其整个实验设计、实验过程和实验结果等早已明确,实验为验证性工作,一般实验教师便可胜任。而在此基础上开展的后续流程,具有明显的探索性,期间所遇到的问题,和所面临的困得更多,需具有较好科研基础和创新能力的老师作为指导,这对后续流程的顺利开展和完成具有重要作用。并且,由于每位老师精力有限,指导的小组不宜太多,为每一个小组配备专门指导老师很重要。因此,在天然产物化学实验课程开始前,教研室相关课程负责教师要为学生遴选一个导师库,根据教师研究方向匹配相应实验小组;也可以由学生根据实验设计和研究内容,在导师库选择合适的指导教师。目前,尽管随着各大高校不断引进高水平博士,高校的师资水平在不断提高,但国内高校很少有这种直接为某一个实验创新课程匹配师资的举措。不过,从目前很多高校开展的大学生创新创业项目来看,高校中已经有相当部分教师有意愿指导学生作探索研究[6],并且随着具有博士学位教师的增加,此类教师队伍人数在逐年增加,可见高校中愿意带领学生开拓创新的老师并不少,这为本文提出的在天然产物化学实验课程中培养学生创新能力的流程的顺利开展提供了一定保障,为建立相应的导师库提供了可能。
 
2.2时间和场地的保障
 
由于天然产物化学课程中涉及实验的开展需要耗费大量的时间和精力,并且需要较固定的场所,因此,在时间和场地方面的保障必不可少。每一门课的课时量有限,除了减少验证性实验课的课时量外,增加实验课的总课时量也很重要,同时,还需要学生拿出部分课余时间。由于不同学生课余时间的安排不尽相同,小组间不同成员的合理分工就非常有必要,通过合作从而保障创新性实验的顺利进行。此外,随着开放性实验室越来越多,公共平台也越来越多,获取一个相对固定的地方也相对容易,这为创新性实验课程的顺利开展提供了有力支撑。
 
2.3经费保障
 
材料的收集、试剂和耗材的购买都需要经费,充足的经费来源是保障其顺利实施的前提之一。教研室在安排相关实验前,便需要预算相应的经费需求。此外,对于创新性较好的实验,可以在完成课程教学的同时,申请高校相应支撑项目,如大学生创新创业项目。此外,部分选题在筛选指导老师时,如果能找到具有类似科研项目的指导教师最好,这样指导老师可以从自己的科研经费中拿出一部分资金,保障创新实验的顺利完成。此外,不同高校还可以从不同的创新实验课程中筛选出部分具有较好价值的研究进行资助。
 
2.4过程监督
 
过程监督是指在整个创新实验培养过程中,基础实验课程主讲教师、小组探索实验指导教师、教研室负责老师负有监督学生整个实验课程按照既定的流程持续进行的责任,避免虎头蛇尾,随着时间的延长,参与的人越来越少。同时也要避免创新性天然产物化学实验课程进行的过程中,出现安全事故,要保障师生及学校的人身财产安全。此外,对于客观原因无法顺利完成该课程的,也可通过时时监督和了解,及时终止。
 
3结语
 
天然产物化学实验课程通过引入具有一定挑战性和创新性的实验内容,激发学生的学习探索兴趣,充分结合学生身边的生物材料,通过一定的人力物力投入和合理的实验课程设计,可以充分挖掘学生的探索和创新精神,有利于培养学生发现问题、解决问题能力,让学生感受到天然产物这门课程在生活中的作用,并反过来引导学生更好的学习天然产物理论知识。
 
参考文献
 
[1]王建壮,吕华冲,刘畅.改革天然药物化学实验培养学生创新能力[J].中医药导报,2008,14:146-147.
 
[2]黄晓辉.《天然产物化学》教学改革探索[J].才智,2015:225.
 
[3]汤海峰.天然药物化学课程中“海洋天然产物”章节的教学实践[J].基础医学教育,2014,16:359-362.
 
[4]史清文,李力更,霍长虹,等.加强天然药物化学课程中海洋天然产物章节教学的意义[J].药学教育,2011,27:27-29.
 
[5]张凤,董新荣.《天然产物化学实验》教学改革初探[J].化工时刊,2018,32:43-44.
 
[6]张瑞.地方高校“大学生创新创业训练计划”的实施策略[J].创新与创业教育,2017,8:86-89.

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