科研平臺融入有機化學實驗教學研究

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【摘要】科研平臺擁有非常優(yōu)越的實驗條件和資源，可以為有機化學實驗教學提供有力的支持。通過將科研平臺中的科研成果、科研設(shè)備、科研人員以及科研場地融入有機化學實驗教學中，可以自主設(shè)計綜合性的實驗項目，改變傳統(tǒng)的教學模式，充分調(diào)動學生的主動性，積極參與到有機化學實驗中，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】科研平臺；有機化學實驗；教學改革

1科研平臺融入有機化學實驗教學的必要性

自從華為芯片事件發(fā)生以后，國內(nèi)芯片制造能力的短板被徹底展現(xiàn)出來，雖然華為可以設(shè)計出全球最頂尖的芯片產(chǎn)品，但并不具備芯片制造能力。因此，在國際競爭越來越激烈的當下，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實踐能力的人才迫在眉睫。有機化學實驗是我校藥學專業(yè)和制藥工程專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課程，其教學目的是培養(yǎng)學生的基本操作技能，結(jié)合綜合設(shè)計性的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學生的科研思維。學生通過觀察實驗現(xiàn)象、分析和解決實驗中遇到的問題，可以培養(yǎng)他們實事求是的科學態(tài)度、嚴謹細致的科學作風以及良好的實驗工作習慣，為以后的學習、工作和科研打下扎實的基礎(chǔ)。除此之外，有機化學實驗的教學目的在于驗證、鞏固和運用課堂講授的理論知識，培養(yǎng)學生敢于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的實踐能力。然而，有機化學實驗教學存在一定的弊端，如教學內(nèi)容單一陳舊、教學方法簡單、教學資源缺乏等，導致學生趨于被動，實踐能力較差，“依葫蘆畫瓢”的方式完成整個實驗，缺乏思考和創(chuàng)新[1]。錢偉長院士曾說：“大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”[2]。因此，如何將科研與有機化學實驗教學相結(jié)合，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)專業(yè)人才是我們教學改革的重點之一?？蒲衅脚_是高校科研工作者的主要陣地，具有先進的儀器設(shè)備、優(yōu)秀的學術(shù)團隊、濃厚的學術(shù)氛圍、前沿的學術(shù)研究、充足的研究經(jīng)費以及靈活的開放時間[3]。因此，科研平臺比傳統(tǒng)的教學實驗室更具優(yōu)勢，如果將科研平臺融入有機化學實驗教學中，可以豐富學生的專業(yè)知識，了解學科前沿，提高創(chuàng)新能力和實踐能力。我校藥學院擁有一個獨立的科研機構(gòu)，即創(chuàng)新靶向藥物國際研究院，現(xiàn)有科研實驗室面積6100平米，科研儀器價值4300余萬。目前，該研究院擁有激酶類創(chuàng)新藥物重慶市重點實驗室和創(chuàng)新靶向藥物重慶市工程實驗室兩個市級重點科研平臺、國家級科研平臺創(chuàng)新靶向藥物國家地方聯(lián)合工程研究中心。該科研平臺現(xiàn)有科研人員約30人，另以首席科學家方式聘有海外藥物研發(fā)知名專家6人。那么如何將科研平臺融入有機化學實驗教學中，是我們教學工作者所關(guān)注的重點。

2科研平臺融入有機化學實驗教學的途徑

2.1科研成果轉(zhuǎn)化為有機化學實驗教學項目

我校藥學院開設(shè)的有機化學實驗課程包含的實驗項目有基本的操作實驗如熔點的測定、色譜分離等，有機合成實驗如二苯亞甲基丙酮的制備等。這些實驗項目主要是訓練學生的基本操作技能，以驗證性的實驗為主，缺乏思考和創(chuàng)新[4]。每個實驗項目都是單獨存在，相互沒有關(guān)聯(lián)，讓學生“畫地為牢”，不能掙脫束縛。在一些藥物的合成中，很少可以一步反應完成得到目標產(chǎn)品，所以，連續(xù)的合成實驗才具有實用性。另外，傳統(tǒng)的有機合成實驗教學如乙酸乙酯的制備、肉桂酸的制備等，只需要按部就班地操作，拿到產(chǎn)品就可以了，忽略對于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)表征。這樣一來，將會誤導學生養(yǎng)成不良的實驗習慣和科學態(tài)度。如果我們將科研平臺中與有機化學專業(yè)相關(guān)的論文和項目成果轉(zhuǎn)化成實驗教學項目，則可以解決傳統(tǒng)實驗教學的弊端?；谖倚Ｋ帉W院現(xiàn)有的科研平臺，將其科研人員分為有機合成方法學、藥物化學以及分子生物學三個方向。其中，有機合成方法學的科研成果可以運用到有機化學實驗教學。以筆者發(fā)表在AdvancedSynthesis&Catalysis上的科研成果（多樣性導向合成功能化的咪唑并吡啶衍生物）為例，將其轉(zhuǎn)化成有機化學實驗課程，供學生們選修。首先，明確該論文成果轉(zhuǎn)化成學生實驗項目的可行性。該成果不需要過渡金屬催化劑，避免了重金屬污染，借助科研平臺中的微波反應儀，可以將反應的時間縮短到10-20min，反應的后處理都是常規(guī)的操作，因此，該實驗項目具備可行性。接下來，確定該論文成果轉(zhuǎn)化成學生實驗項目的方案設(shè)計。我們將論文成果分成兩大部分：第一部分為學生實踐操作，如圖1（a）所示；第二部分為學生思考探究部分，如圖1（b）所示。在第一部分的基礎(chǔ)有機實驗中，將原料1、2、3加入反應瓶，然后加入溶劑，利用微波反應儀合成目標化合物4，過程簡單，容易操作。然而，該實驗設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，反應條件的篩選方法和操作是該實驗的重心。將學生分為成五個小組，第一小組承擔反應溶劑的篩選工作，第二小組承擔反應溫度的篩選工作，第三小組承擔反應時間的篩選工作，第四小組承擔反應催化劑的篩選工作，第五小組承擔底物拓展的研究工作。每一個小組依次進行實驗，小組中的每一個學生都要制定2-3個不同的反應條件，并完成相應的實驗操作。為了拓展該實驗項目的應用性，我們設(shè)計了圖1（b）所示的思考探究內(nèi)容，目標化合物5可以通過化合物7經(jīng)中間體6合成，而化合物7是化合物4的衍生。通過逆合成分析，訓練學生對理論知識的綜合運用，進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。

2.2科研設(shè)備轉(zhuǎn)化為有機化學實驗教學資源

科研的硬件設(shè)施則是科研設(shè)備，高校的科研平臺擁有許多大型儀器作為支撐。我校藥學院的科研平臺具有完善的有機合成和分析測試儀器，如Biotage微波合成儀、Bruker400M核磁共振波譜儀、Biotage中壓制備色譜、半制備液相色譜儀、島津LC-MS、Thermo超高分辨率質(zhì)譜儀、氮氣制備系統(tǒng)、酶標儀等精密儀器和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、電磁攪拌器等常規(guī)合成儀器，具備有機合成、反應后處理、高通量化合物分析、純化及藥物活性篩選技術(shù)等科研能力。我們可以根據(jù)實驗教學內(nèi)容的需要，綜合利用科研平臺設(shè)備，充分發(fā)揮大型儀器的作用。例如前面我們設(shè)計的實驗項目所合成的目標產(chǎn)物，可以用LC-MS檢測是否含有目標產(chǎn)品，還可以用HPLC檢測目標產(chǎn)品的含量。學生對于這些儀器的認知不再停留于書本上的圖片和枯燥的原理知識，能掌握其基本操作和應用。在傳統(tǒng)的有機化學實驗教學中，往往會忽略對于目標產(chǎn)品的表征實驗，僅僅是通過觀察其性狀來判斷純度，并沒有實驗數(shù)據(jù)支撐結(jié)果的準確性，這是由于缺乏實驗設(shè)備。對于一個完整的有機化學實驗，除了培養(yǎng)學生熟練的操作技能外，更重要的是訓練學生分析實驗結(jié)果的能力。因此，科研平臺中的儀器設(shè)備應該為有機化學實驗教學提供有力的支持。這樣一來，學生必須用數(shù)據(jù)去驗證實驗結(jié)果的可靠性，而不是用猜測，培養(yǎng)了學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和實事求是的科研作風。

2.3科研人員轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C化學實驗教學工作者

我校藥學院擁有一個國家級科研平臺和兩個市級重點實驗室，平臺中現(xiàn)有科研人員30人，長期從事有機合成方法學、藥物化學和分子生物學研究。將這些科研人員轉(zhuǎn)變成有機化學實驗教學工作者，可以大大地提高教學質(zhì)量。在傳統(tǒng)的有機化學實驗教學中，一個教師要帶幾十個學生做實驗，如果科研人員加入教學工作中，可以減輕實驗教師的壓力，同時也能提升教學效果?？蒲腥藛T可以根據(jù)自身的具體情況，合理安排實驗教學時間，避免影響自己的科研工作。按學生人數(shù)的實際情況，分配小組人數(shù)，盡量減少每個小組的人數(shù)，控制一組在1-2人范圍內(nèi)。對于長期從事有機化學研究的科研人員來說，他們具備豐富的實踐經(jīng)驗和良好的科研素養(yǎng)，可以在有機化學實驗教學中正確地引導學生，培養(yǎng)他們的科研思維。在實驗預習階段，科研人員還可以教授學生文獻調(diào)研的方法，了解該實驗方法的具體應用，關(guān)注學科前沿動態(tài)?？蒲腥藛T作為實驗教學的老師，將會融入科學研究的思維和方法，不僅鍛煉學生的動手能力，還要培養(yǎng)學生科學研究能力，讓學生掌握文獻調(diào)研、開展反應、處理反應、結(jié)構(gòu)表征等。

2.4科研場地轉(zhuǎn)化為有機化學實驗教室

在有機化學實驗中存在一些有毒、有害的化學試劑，直接影響到學生的身體健康。然而，傳統(tǒng)的有機化學實驗室通風效果并不好，對于有刺激性氣味、易揮發(fā)的化學試劑，不能及時地從教室排出，造成整個實驗室的污染。例如，在“二苯亞甲基丙酮的制備”實驗中，用到了苯甲醛和丙酮，二者都是有毒的化學試劑。其中苯甲醛具有特殊的杏仁氣味，屬于低毒類試劑，但對眼睛、呼吸道粘膜有一定的刺激作用。丙酮是易燃、易揮發(fā)、有毒的試劑，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用。在實驗過程中，由于通風櫥數(shù)量有限，學生只能在通風效果不好的操作臺面進行實驗，這樣一來，實驗室中苯甲醛和丙酮的氣味越來越大，嚴重影響學生的身體健康。我校藥學院的科研平臺擁有兩個有機合成實驗室，一共約30個通風櫥，通風效果好，每個通風櫥的操作臺可以讓兩個學生共用。對于有毒有害、易揮發(fā)的化學試劑，只要在通風櫥內(nèi)規(guī)范操作，就可以避免實驗室出現(xiàn)有毒有害的氣體。

3總結(jié)

科研平臺擁有非常優(yōu)越的實驗條件和資源，可以為有機化學實驗教學提供有力的支持。通過將科研平臺中的科研成果、科研設(shè)備、科研人員以及科研場地融入有機化學實驗教學中，可以自主設(shè)計綜合性的實驗項目，改變傳統(tǒng)的教學模式，充分調(diào)動學生的主動性，積極參與到有機化學實驗中。將科研的思維和方法滲透于有機化學實驗教學中，可以讓學生學會觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果，提升科研能力。在今后的教學工作中，我們還需要不斷地探索和思考，將科研平臺更加有效地融入有機化學實驗教學中，為提高學生的實驗操作能力和科研思維不懈努力。借助科研平臺的優(yōu)勢，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高水平的應用型人才添磚加瓦。

參考文獻

[1]李望,朱曉波.基于科研思維培養(yǎng)的有機化學實驗教學改革與實踐[J].科技風,2020(35):169-170.

[2]武海,劉杰,楊松,等.“科研”滲透于有機化學實驗教學的實踐——以染料敏化太陽能電池的制備為例[J].廣東化工,2018,45(5):265-266.

[3]陳錫安.高校科研平臺服務專業(yè)課實驗教學的探究——以浙江省碳材料技術(shù)研究重點實驗室平臺為例[J].教育教學論壇,2014(17):239-241.

[4]游秀麗,王幸聰,黃君玲,等.系統(tǒng)化開放性有機化學實驗教學探索與研究[J].實驗室科學,2017,20(2):99-100.

作者:宋桂廷 屈川華 單位:重慶文理學院藥學院