線上線下虛實融合的阿司匹林綜合實驗教學設計

摘 要 實驗前讓學生查閱文獻，了解阿司匹林的生產流程，設計最新的合成路線，并與實驗室傳統(tǒng)方法進行比較；利用虛擬仿真網絡共享平臺探索出最優(yōu)合成原料、反應比例、片劑生產流程以及參數(shù)設置，線下驗證設計的方法是否產率高、易操作、低成本、綠色環(huán)保，并對產品純度進行檢測；到GMP生產車間實地查看阿司匹林片劑的生產流程。整個實驗過程涉及有機化學、分析化學、藥物制劑等學科知識，使理論與實踐結合，做到學以致用。

關鍵詞 虛實融合；化學綜合設計性實驗；阿司匹林；虛擬仿真

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0129-05

0 引言

隨著我國經濟由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，各行各業(yè)對拔尖創(chuàng)新人才的需求更加強烈。高校作為培養(yǎng)人才的主陣地，承擔著培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才的使命。如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力？各個高校在根據(jù)辦學層次和地方特色謀劃創(chuàng)新路徑：首先，強化理論基礎，在夯實學生專業(yè)基礎的同時，加強通識教育，鼓勵學生跨專業(yè)選修通識教育課，培養(yǎng)學生交叉學科思維，拓寬學生視野，提升學生綜合素養(yǎng)；其次，將第二課堂納入人才培養(yǎng)方案；最后，突出理論實踐結合和科教融合。在教育信息化的今天，理論知識在網絡上觸手可及，能否做到理論實踐結合和科教融合，是學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關鍵。通過綜合設計性實驗培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，支持學生早進實驗室，參與教師課題研究，提升科研能力，是目前培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力最有效的途徑之一。

化學綜合設計性實驗課程是在四大基礎化學理論和實驗課程的基礎上構建的一門獨立的、高層次的化學綜合、設計、創(chuàng)新性實驗課程。課程內容體現(xiàn)了跨學科、多技能的綜合能力訓練，與合成藥物相結合，進行創(chuàng)新性研究，讓學生真正感受到化學工作者從事化學研究工作的氛圍。該課程旨在培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新意識，提高本科生綜合運用前期學習的理論和實驗知識獨立分析與解決問題的能力、科研能力和團隊精神，為把學生培養(yǎng)成基礎厚、知識新、素質高、能力強的創(chuàng)新型和研究型藥學人才打下良好的基礎。課程授課方式采用線上線下虛實融合的啟發(fā)式、討論式、參與式教學，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)靈感。

以本科實驗課程開設的綜合設計性實驗作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的切入點，是直接、高效的途徑，可以使理論知識及時得到系統(tǒng)應用，提高學生的知識掌握度。河南中醫(yī)藥大學為進一步提高教學質量，對人才進行國際化培養(yǎng)，2022年，在藥學領域與馬來西亞管理與科學大學合作辦學，設立藥學和制藥工程兩個一本專業(yè)的中外合作專業(yè)。在學生學習完四大基礎化學之后，在二年級下學期開設化學綜合設計性實驗，首次在藥學（中外合作）班開設。以阿司匹林實驗室不同制備方法及其片劑生產、質量控制為例，進行教學方案構建。

1 引入阿司匹林的發(fā)展歷史，激發(fā)學生的研究興趣

阿司匹林是人類集體智慧的結晶，它有超過125年的發(fā)展歷史，如圖1所示。它與青霉素、安定并稱為醫(yī)藥史上三大經典藥物；1950年，它作為銷量最好的止痛藥被列入吉尼斯世界紀錄。多年來，阿司匹林就是解熱鎮(zhèn)痛藥的代名詞。隨著科學技術的發(fā)展和研究人員對阿司匹林的深入研究，它的藥用價值不斷被發(fā)現(xiàn)并應用于多種疾病的臨床治療，是目前研究的熱門藥物。

2 實驗室傳統(tǒng)合成方法的弊端和改進方法

隨著現(xiàn)代醫(yī)學及相關科學技術的發(fā)展，阿司匹林的其他功效已被證實。這促使阿司匹林的合成路線不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，以期得到一條更加可行、科學、簡約、安全、綠色、經濟的合成路線[2]。迄今為止，阿司匹林主要以水楊酸、乙酸酐為原料。由于阿司匹林對胃腸道的刺激作用較強，人們致力于對阿司匹林的改造研究。國外現(xiàn)已研制出乙酰水楊酸鈣脲，并應用于臨床[3]。從改變原料來制備阿司匹林或對阿司匹林進行衍生物制備要求技術高、花費時間長，不適合學時有限的本科實驗。目前主要在催化劑、重結晶溶劑和攪拌方式方面探索，這在本科實驗設計上比較可行。實驗室傳統(tǒng)方法所用的催化劑為濃硫酸，然而濃硫酸具有強氧化性、脫水性、強腐蝕性，對設備的損害較大，對環(huán)境污染較重；催化劑不能再回收利用，且易發(fā)生副反應而使產品顏色發(fā)黃，不利于提純；產率不高，一般在60%左右，學生實驗成就感不強。由于用濃硫酸作催化劑存在諸多弊端，所以迫切需要改進合成方法。本實驗設計從改變催化劑[4]、重結晶溶劑和攪拌類型入手提高產率和減少環(huán)境污染，如表1所示。同樣，實驗方案設計要在相關信息和所需試劑等條件的限制下實現(xiàn)最優(yōu)化。

3 線上線下虛實融合探索新方法的措施

首先，在學期初借助智慧教學平臺發(fā)布實驗任務，鼓勵學生多查閱資料，系統(tǒng)地了解整個實驗流程；其次，安排20%的虛擬仿真線上自主學習時間，教師配合學生完成線下實驗方案設計；再次，安排65%的學時進行線下實體實驗，是對虛擬仿真優(yōu)化實驗條件的驗證，或者是新的實驗方案實施，此過程以學生為主、教師為輔；最后，安排15%的學時進行線下實驗結果交流、討論和答辯。

課程建設的目標是將藥學基礎化學綜合設計性實驗課程建設成一個創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和本科生科研創(chuàng)新的實踐平臺，不僅向本校藥學院藥學專業(yè)學生開放，也向全校其他專業(yè)學生、兄弟院校相關學科的學生、從事相關工作的社會人員開放。

4 阿司匹林制備綜合設計性實驗項目內容

4.1 實驗目的

1）掌握四大基礎化學的各種實驗方法和實驗手段的綜合應用方法。

2）熟練掌握四大基礎化學實驗中常用儀器設備的正確使用方法。

3）了解阿司匹林制備的各種催化條件。

4）了解阿司匹林虛擬仿真實驗在實體實驗教學中的指導作用。

5）了解阿司匹林虛擬仿真車間生產過程。

4.2 實驗原理

水楊酸具有解熱鎮(zhèn)痛和消炎的作用，由于水楊酸的刺激性較強，故將其進行化學修飾制備成乙酰水楊酸即阿司匹林使用。水楊酸是一種具有雙官能團的化合物，分子中含有一個羥基和一個羧基?？梢孕纬煞肿觾葰滏I，阻礙酰化反應的發(fā)生，故以水楊酸和乙酸酐為原料制備阿司匹林時，需要加入適量催化劑破壞氫鍵，降低反應溫度，減少副產物的生成。表1所列的催化劑為查閱文獻得到的新型催化劑。

4.3 實驗教學流程

根據(jù)阿司匹林制備實驗的目的和要求，學生先自主學習虛擬仿真實驗內容并選定感興趣的內容進行虛擬仿真操作練習，優(yōu)化出最佳實驗條件后到實體實驗室進行實體實驗驗證或設計新的實驗內容進行實體實驗。虛擬仿真融合實體實驗的教學過程是以學生自我訓練為主的教學模式，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力和團隊協(xié)作能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

4.3.1 實驗總體安排

實驗總體安排如圖2所示，涵蓋實驗項目內容的主要環(huán)節(jié)、步驟、關鍵技術、注意事項及所需時間。虛擬仿真4學時、實驗操作4學時。

4.3.2 實驗分組

實驗分組是約10人一組，每組一位指導教師。實驗過程中遵循組內對照和組間對照原則。阿司匹林實驗制備完成后，帶領學生到GMP生產車間實地學習片劑的生產流程。

4.3.3 小組代表答辯

小組代表答辯流程如圖3所示，小組內和小組之間總結討論，共2學時。

5 考核方式及評分標準

考核方式采用形成性考核如表2所示，成績評定按百分制計，其中教師評價占85%，學生評價占15%。學生評價分為自評（表3）和互評（表4），提供自評與互評打分表格，給學生打分提供依據(jù)，避免無依據(jù)打分造成自評和互評成績差距不明顯，使該評價失去區(qū)分度，失去評價意義。教師評價的評分標準如表5所示，制定教師評價評分標準，避免因不同指導教師打分標準不同導致小組之間學生成績差距較大。同時，依據(jù)教師的評分標準，學生開題報告、實驗報告等書寫會更加規(guī)范化。每位學生的總成績按照百分制折合后計入課程成績。

6 結束語

化學綜合設計性實驗在河南中醫(yī)藥大學曾經開設過，受到學生的歡迎，由于學校書院制改革，加入通識課程，受學時限制，該門課程被中斷。而合作辦學專業(yè)的設立又采用了原來構建的化學實驗基本操作技能—四大基礎化學實驗—化學綜合實驗—專業(yè)化學實驗教學體系。再結合最近幾年理化平臺開發(fā)的虛擬仿真實驗項目，打破了實驗時間、空間、儀器套數(shù)的限制，使得學習的資源更加豐富、學習的形式更加多樣化、學習的安排更加靈活。這種以學生為主體、教師為主導的教學模式有助于學生確立以探究為目的的學習習慣，使學生從被動學習轉化為以問題為導向的積極主動學習，進一步促進學生創(chuàng)新思維的發(fā)展。期待通過綜合性實驗訓練，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，幫助他們增強專業(yè)科學術語表達和應用能力，掌握文獻調研的方式方法，擁有文獻信息再加工利用的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，提高其綜合素質。

7 參考文獻

[1] 李時珍.本草綱目[M].上海：上?？茖W技術出版社，1993.

[2] 何帥，姚夢雨，王浩，等.阿司匹林的合成工藝研究進展[J].山東化工，2019（19）：88-89.

[3] 王英俊，趙貝貝.阿司匹林的作用及其機制研究進展[J].現(xiàn)代農業(yè)科技，2009（18）：334-335

[4] 張寶華，史蘭香，牟微，等.阿司匹林制備研究進展[J].河北工業(yè)科技，2008（2）：119-121.

*項目來源：河南省高等教育教學改革研究與實踐重點項目“推動新時代中醫(yī)藥院校有機化學雙語教學課程思政的研究與實踐”（2021SJGLX178）。

作者簡介：呂瑞紅，實驗師；紀永升，博士，教授；李玉賢，教授；李孟、楊靜，博士，副教授。