天然產物化學實驗課程學生創新能力培養

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[摘要]天然產物化學實驗課程是一門綜合性課程，涉及大量的研究內容，在此課程的教學過程中，如何培養學生的創新能力，激發學生的探索興趣對學生素質培養非常重要。本文探討了探索性實驗的流程設計和實驗實施保障，將探索性實驗納入天然產物化學實驗課程的教學中，以更好地培養學生創新能力和發現科學問題并解決該問題的能力。

[關鍵詞]天然產物化學；實驗課程；探索性實驗；創新能力

天然產物化學課程是高等院校藥學[1]、應用化學[2]等相關專業的專業主干課程，是有機化學的一個重要分支，又是一門交叉學科，涉及有機化學、無機化學、波普解析、生物化學、儀器分析等先修課程，本門課程要求學生了解天然產物的分類、分布與結構類型，掌握天然產物分離提取、結構鑒定的一般方法，熟悉各類天然產物，特別是重要天然產物的合成、性質及應用，并對天然產物的合成途徑有一定認識。其授課主要內容包括來源于陸生植物和動物的十三大類天然有機化合物(維生素、糖、核酸、氨基酸、多肽與蛋白質等)，以及近年來新增的海洋天然產物章節[3-4]。天然產物化學是一門理論和實驗并重的課程，許多提取分離天然產物的規律是從實驗中總結出來的[5]，而實驗中得到的規律和經驗的集合形成了天然產物化學課程的理論體系。在實驗課程中有意的訓練大學本科階段學生的創新能力，不僅能夠為部分適合繼續科學探索的學生打下扎實的基礎，因為本科階段學生的思維還沒有固化，有特有的靈活性和創新性，在實驗過程中能夠有更新穎的角度和更獨特的思維，往往還能夠得到許多高年級研究學生沒有涉及的新發現。例如美國猶他大學Olivera教授指導18歲左右的大學新生開展關于芋螺毒素毒性的研究，創造性地直接將芋螺毒組分注射到哺乳動物中樞神經系統，揭示了芋螺毒素藥理多樣性的面紗，并且進一步研究發現了多種活性多肽，部分多肽進入臨床試驗，其中齊考諾肽(ziconotide)已經上市[3]。可見，在大學天然產物實驗課程階段培養學生的創新精神和創新能力的重要性，不僅能夠幫助學生在今后的工作中敢于設想，大膽實踐，使其創新素質不斷提高，還能推動天然產物研究領域發展，同時得到更多有益于人類發展的科研成果。本文就如何在天然產物化學課程理論授課的基礎上，在實驗課程中培養學生的創新能力和激發學生的探索精神，設計了天然產物化學實驗課程中培養學生創新能力的具體流程，并探討了該流程得以順利實施的保障。以期在天然產物化學實驗課程的授課中，培養學生的創新能力，激發學生創新創業熱情，并發現具有科研精神和科研潛力的優秀學生，鼓勵其積極投身于我國天然產物化學領域的研究，還能在實驗課程中得到更多有價值的科研成果，以期積極推動產學研相結合的高校課程培養體系建設。

1天然產物化學課程創新能力培養的流程設計

1.1基礎練習

天然產物化學是一門理論和實踐并重的課程，良好的理論基礎是其實踐操作的前提，而實踐操作又豐富了理論知識體系，但最終落腳點是在實踐應用上，一些基礎的實踐操作技能單靠理論是無法習得的，要熟練掌握還是需通過實驗課程的習得和課后不斷練習，并且對基本操作技能的熟練使用是實踐創新的基礎。盡管對天然產物進行深入研究的過程中會涉及非常多的實驗操作方法，但其中最基本的操作方法和技能并不多，如天然產物提取，天然產物除雜、純化，天然產物結構和理化性質的分析等，所涉及到的儀器設備或工具主要有提取裝置、旋轉蒸發儀、分層過濾裝置、硅膠等不同類型柱色譜裝置、薄層色譜、液相色譜裝置、紫外檢測裝置等，都是初級簡單的基礎裝置。因此，在實驗教學過程培養學生創新能力的基礎，是通過設計一些初級基本的課程，由淺入深，訓練學生初步了解或掌握最基本的操作技能，使用最基礎的裝置和工具，如“黃連中小檗堿的提取與鑒定”、“黃芪多糖的提取分離和鑒定”等。這些基礎實驗作為天然產物化學研究的入門，必不可少，但是切勿過多，否則會因為重復類似的操作而使學生漸漸失去興趣，阻礙了其創新發揮。

1.2自主選材

經過少而精的基礎練習后，同學們對于天然產物化學的實踐有了一定基礎，為培養其創新能力，需激發學生的興趣，要啟發學生通過探索身邊的未知，在實踐中打開另一個世界的大門，并伴隨帶來的一定成就感，再進一步激發興趣。此時，要求學生根據自身生活環境，選一種或多種材料，可以是植物、動物或微生物，然后根據興趣方向進行組隊。同學們自發組隊完成后，為了保障后續創新訓練的順利開展，指導老師可根據實驗課程基礎練習階段的表現情況，對各分組進行調整，并選定小組組長，同時根據自身經驗從學生選出的材料中排除一部分收集或探索難度較大、明顯超過學生水平的材料，并給出建議首選材料。

1.3自主設計

選材組隊完成以后，便進入實驗方案自主設計階段，要求學生結合之前實驗課程的實驗設計，自主查閱文獻并設計實驗方案。為了節約時間，提高效率，可要求小組不同學生根據自身特長進行分工，如資料收集、整理，具體某一實驗流程的安排設計、調研確定實驗中所需儀器設備實驗室是否滿足并擬定解決方法，及最后的設計報告的撰寫等。本過程是理論探索過程，為保障設計的合理性和完整性，指導老師需對設計報告進行審核和修改，并及時為學生解疑答惑，提出意見，同時鼓勵學生克服困難，避免部分學生放棄。還應就實驗設計中涉及的實驗室安全問題進行教育培訓，提前識別風險，預估風險并提出方案規避風險，確保實驗進行中的安全問題，提高安全意識。

1.4實驗方案實施

實驗方案設計完成后，便進入實踐實施階段，該階段可能是天然產物化學實驗中最具挑戰的部分，其周期最長，遇到的問題可能最多。此階段，指導老師須定時與學生分析和討論實驗過程中的問題、現象等，指導學生如何獲取解決方法，還須在實驗實施過程中強調實驗安全操作流程，培養學生安全意識。此外，指導老師要鼓勵學生仔細觀察、不斷重復，自主發現問題；也要對實驗過程中的新現象，引導學生思考，鼓勵大膽假設；對部分初步判斷特別有價值或有意義的新問題，指導老師甚至可以和學生一起進行探究。整個過程中要培養學生做好實驗記錄的習慣。

1.5實驗結果整理

實驗完成后，要求學生對實驗結果進行整理，并撰寫報告，對部分有科學價值的內容，鼓勵學生撰寫成論文，投稿發表。對于實驗結果的整理分析，可以幫助學生認識實驗中得到了怎樣的數據，說明了什么問題。通過對整個實驗的回憶，能讓學生意識到自身的進步，從而增加其探索的欲望。其中，對具有科學價值的創新成果，投稿到期刊，對學生來說也是一種認可，會大大激發學生的成就感，在投稿返修過程中還能培養學生抗挫折能力和科學韌性。

2課程創新設計實施的保障

2.1師資力量的保障

本文設計提出的天然產物化學實驗課程中培養學生創新能力的流程的第一階段基礎訓練階段，由于其整個實驗設計、實驗過程和實驗結果等早已明確，實驗為驗證性工作，一般實驗教師便可勝任。而在此基礎上開展的后續流程，具有明顯的探索性，期間所遇到的問題，和所面臨的困得更多，需具有較好科研基礎和創新能力的老師作為指導，這對后續流程的順利開展和完成具有重要作用。并且，由于每位老師精力有限，指導的小組不宜太多，為每一個小組配備專門指導老師很重要。因此，在天然產物化學實驗課程開始前，教研室相關課程負責教師要為學生遴選一個導師庫，根據教師研究方向匹配相應實驗小組；也可以由學生根據實驗設計和研究內容，在導師庫選擇合適的指導教師。目前，盡管隨著各大高校不斷引進高水平博士，高校的師資水平在不斷提高，但國內高校很少有這種直接為某一個實驗創新課程匹配師資的舉措。不過，從目前很多高校開展的大學生創新創業項目來看，高校中已經有相當部分教師有意愿指導學生作探索研究[6]，并且隨著具有博士學位教師的增加，此類教師隊伍人數在逐年增加，可見高校中愿意帶領學生開拓創新的老師并不少，這為本文提出的在天然產物化學實驗課程中培養學生創新能力的流程的順利開展提供了一定保障，為建立相應的導師庫提供了可能。

2.2時間和場地的保障

由于天然產物化學課程中涉及實驗的開展需要耗費大量的時間和精力，并且需要較固定的場所，因此，在時間和場地方面的保障必不可少。每一門課的課時量有限，除了減少驗證性實驗課的課時量外，增加實驗課的總課時量也很重要，同時，還需要學生拿出部分課余時間。由于不同學生課余時間的安排不盡相同，小組間不同成員的合理分工就非常有必要，通過合作從而保障創新性實驗的順利進行。此外，隨著開放性實驗室越來越多，公共平臺也越來越多，獲取一個相對固定的地方也相對容易，這為創新性實驗課程的順利開展提供了有力支撐。

2.3經費保障

材料的收集、試劑和耗材的購買都需要經費，充足的經費來源是保障其順利實施的前提之一。教研室在安排相關實驗前，便需要預算相應的經費需求。此外，對于創新性較好的實驗，可以在完成課程教學的同時，申請高校相應支撐項目，如大學生創新創業項目。此外，部分選題在篩選指導老師時，如果能找到具有類似科研項目的指導教師最好，這樣指導老師可以從自己的科研經費中拿出一部分資金，保障創新實驗的順利完成。此外，不同高校還可以從不同的創新實驗課程中篩選出部分具有較好價值的研究進行資助。

2.4過程監督

過程監督是指在整個創新實驗培養過程中，基礎實驗課程主講教師、小組探索實驗指導教師、教研室負責老師負有監督學生整個實驗課程按照既定的流程持續進行的責任，避免虎頭蛇尾，隨著時間的延長，參與的人越來越少。同時也要避免創新性天然產物化學實驗課程進行的過程中，出現安全事故，要保障師生及學校的人身財產安全。此外，對于客觀原因無法順利完成該課程的，也可通過時時監督和了解，及時終止。

3結語

天然產物化學實驗課程通過引入具有一定挑戰性和創新性的實驗內容，激發學生的學習探索興趣，充分結合學生身邊的生物材料，通過一定的人力物力投入和合理的實驗課程設計，可以充分挖掘學生的探索和創新精神，有利于培養學生發現問題、解決問題能力，讓學生感受到天然產物這門課程在生活中的作用，并反過來引導學生更好的學習天然產物理論知識。

參考文獻

[1]王建壯，呂華沖，劉暢．改革天然藥物化學實驗培養學生創新能力[J]．中醫藥導報，2008，14：146-147．

[2]黃曉輝．《天然產物化學》教學改革探索[J]．才智，2015：225．

[3]湯海峰．天然藥物化學課程中“海洋天然產物”章節的教學實踐[J]．基礎醫學教育，2014，16：359-362．

[4]史清文，李力更，霍長虹，等．加強天然藥物化學課程中海洋天然產物章節教學的意義[J]．藥學教育，2011，27：27-29．

[5]張鳳，董新榮．《天然產物化學實驗》教學改革初探[J]．化工時刊，2018，32：43-44．

[6]張瑞．地方高校“大學生創新創業訓練計劃”的實施策略[J]．創新與創業教育，2017，8：86-89．

作者：潘峰 劉云 單位：遵義醫科大學