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电分析化学在《药物分析》实验教学中的探索与实践

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  • 更新时间2020-11-18
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摘要:药物分析是药学专业的核心主干课程,其相关理论知识和实验技术贯穿药物研发和临床使用的全过程。分析化学技术的进步为药品质量安全监控提供了可靠的保障,其中,电分析化学是一种绿色环保、成本低、能耗小的实验技术。然而,国内药学专业中的药物分析实验课程却一直没有开设相关实验。借助大学生创新创业训练项目,我们尝试在药学专业中开展药物电分析化学实验,通过构建实验平台、设计实验环节、形成评估体系,激发了学生学习兴趣,培养了学生的创新能力。

 

  关键词:电分析化学;药物分析;实验教学;课程改革

 

  药物分析是我国高等院校药学专业的核心主干课程,旨在培养学生强烈的药品质量观念和规范的药物分析操作技能。药物分析以分析化学等课程为基础,利用各种分析方法、技术和仪器对药品的真伪、杂质和药物主成分进行定性和定量分析。药物从化学合成(或提取分离)、制剂生产再到临床应用均离不开药品检验[1]。学生只有通过对常见药物分析方法、原理以及药物检验项目的深入理解并接受规范的实验操作训练,才能建立严格的药物质量安全意识,适应新形势下社会对药物分析人才的需求。目前,国内医药院校药学专业药物分析实验教学内容设置大体相似,均采用常规的化学分析法、光谱法和色谱法对药品进行质量分析和治疗药物监测,且对光谱法和色谱法最为倚重[2]。这些分析技术大多需要配置相应的大型分析仪器,教学成本高,不利于经济欠发达地区高校的专业建设和可持续发展。

 

  电分析化学是一类微型仪器分析技术,对于药品检验具有独到的优势[3];相比于现代大型光谱和色谱仪器,电化学仪器简便灵巧、成本低,设备易于批量配置和更新,因此非常适合常规的本科教学[4]。国内高等院校化学、应用化学、化学工程等专业均开设有电分析化学课程,但至今未被纳入到药学专业的课程体系。

 

  因此,在药学本科专业中开设电分析化学实验课程将是一项全新的教学体系尝试,将电分析化学技术融入药物分析实验,可为其转化为常规的药品检验提供一定的实践基础,从而丰富药物分析课程建设内涵。

 

  我们利用指导药学专业本科生开展“大学生创新创业训练计划项目”(以下简称“大创”)这一契机,将电分析化学实验引入开放实验和本科毕业论文设计等环节,通过构建实验平台、编写实验讲义、设计实验方案、指导实验操作以及科研提升训练等步骤循序渐进地加以落实,取得了一定的教学效果。

 

  一整合实验资源,构建实验平台

 

  实验平台是开展实验教学的基础,我们从实验平台的构建入手。开展此类实验所需基本硬件包括电化学分析仪(工作站)、电极系统(工作电极、对电极、参比电极)、电极抛光材料、电解池、个人电脑等。三电极体系连接电化学工作站,并通过电化学软件进行控制。除此,我们整合了分析化学、无机化学、物理化学方面的教师和实验人员,共同组成教学团队。

 

  二编写实验讲义,突出课程特色

 

  前已述及,目前电分析化学并未纳入药学及其相关专业分析化学课程体系,为了弥补知识上的缺陷,我们选用美国亚利桑那州立大学JosephWang教授[5]主编的英文原版专著《Analytical Electrochemistry,Third Edition》和北京大学邵元华教授[6]译著《电化学方法—原理和应用,第二版》(原著为国际著名电化学家Allen J.Bard和Larry R.Faulkner)作为教材,旨在帮助学生快速熟悉电化学相关理论知识、方法原理、仪器构成以及分析应用。由于实验的目的是利用电化学技术进行药品质量分析,因此,对电化学理论知识的介绍不可能面面俱到。为此,我们精选几个章节内容,编写成实验讲义,内容包括电分析化学简介、电化学工作站的基本原理、电极体系及常用电极的特点、电化学反应过程动力学、循环伏安法、微分脉冲伏安法、化学修饰电极、体内药物分析和治疗药物监测等。

 

  三精细编排实验内容,培养协同创新能力

 

  由于药学专业学生并未接受电分析化学理论课程学习和实验训练,因此在实验项目的设计上必须精心编排。特别地,电化学理论知识比较深奥,因此,实验内容上应着重突出电分析化学技术在药物分析中应用;力求将电分析化学技术和药物分析实践有机融合,不追求大而全,而应该做到由浅入深,循序渐进。为此,我们设计了几个针对药物质量分析的实验项目,基本上涵盖了常规的伏安分析方法,并适当引入纳米电化学和生物电化学等前沿内容,见表1。

  四实施全程引导,强化思维训练,提升实验技能

 

  (一)集体备课

 

  电分析化学实验是对药学专业药物分析实验全新的尝试,项目实施前,对实验室教辅人员进行适当的培训和指导,并共同制定教学目标、实验内容、实施方案、技术细节以及实验讨论等内容,形成统一的教学纲要和实验讲义。由于是针对大学生创新训练计划,培养学生创新能力是根本。因此,在教学模式上,我们采取科研实验的思路开展教学实践,引导学生进行自主性、开放性和研究性地学习。如表1所示,我们选择几个有代表性的临床常用药物作为实验项目,所涉及的电化学测量技术也最为常用,但在分析策略上可以做出创新性的东西。实验开始前,项目组成员进行集体备课,针对不同药物的分析特点,共同讨论并制定出详细的计划,包括实验讲稿、教案和PPT课件,PBL教学[7]中问题的设置、引导和展开,实验教学手法的探索,试剂、药品和常规仪器的准备等。

 

  (二)课前互动

 

  学生以2~3人组成实验小组,接到实验任务后,整个实验小组共同准备,借助图书馆和网络资源,制定实验计划,理解实验原理、确定实验步骤、标明注意事项等,并形成书面材料(实验预习报告),在实验开始一周前交给带教老师,带教老师对实验预习报告进行审阅和评价,指出其中的问题,然后反馈给相应的实验小组,让实验小组对即将开展的实验项目的方案和步骤作进一步的优化。最后,集中时间,教学组对学生进行统一的开题论证报告,通过学生汇报、教师提问等互动环节,考查学生对即将开展的实验理解和掌握程度,对学生存在的问题进行讲解。

 

  (三)实验开展

 

  在实验实施阶段,各小组自行操作并处理实验数据,教师主要引导学生对实验中遇到的问题进行分析,尽量保持学生实验的独立性,强化他们的自己解决问题的能力。特别地,在异烟肼、葡萄糖、地高辛的电化学检测实验中,教师在巡回观察学生操作时随行设置提问:(1)氧化过电位高的原因是什么?高的过电位给定量分析带来什么挑战?(2)为何糖类物质在铜和镍表面具有较高的电化学活性?金属纳米粒子的形貌对其电催化性能有何影响?(3)构建电化学免疫传感分析的基本策略是什么?与核酸适配体相比,抗体的优缺点有哪些?以上这些问题可以引导学生深入思考相关实验的意义,培养学生创新性思维。实验结束后,要求学生撰写实验报告和实验总结。

 

  五建立评测机制,考察实训效果

 

  为了有效地评价教学效果,建立发展性评价机制十分必要[8]。我们采用了终结性与过程性评价相结合的原则,评价内容包括实验计划、实验操作、实验报告以及实验总结,涵盖了实验的全部环节,从中发现学生对该次实验的掌握情况以及存在的问题,给出详细的评阅意见,并形成最终的评测报告,该评测报告也为构建更加完善的药物电分析化学实验课程提供基本的素材。

 

  六结语

 

  以实验课程为依托,训练大学生的创新思维和能力,是培养高素质药学人才的重要途径。“药物电分析化学实验”给药学本科生搭建了一个培养创新思维和提高专业技能的平台。《教育部关于做好“本科教学工程”国家级大学生创新创业训练计划实施工作的通知》明确要求将大学生创新创业训练计划纳入人才培养体系中,这也将是今后一段时期高校人才培养战略的重要举措[9]。为全面落实国家“大创”实施意见,我们以《药物分析》课程为载体,将《电分析化学》的方法和技术引入“大创”课题。为突出创新这一要义,就必须要求学生在完成基本的电分析化学实验之后,适度挖掘学科前沿性研究课题,做到学术性、创新性和实用性的统一。“大创”项目的初衷在于强化本科生研究性学习、自主性学习以及实践性学习能力,因此必须得到教师的积极引导,教师将部分科研成果介绍给本科生,激发学生的科研兴趣。

 

  经过三年的尝试,从实验平台的构建、实验项目的设计,到实验的实施,电分析化学与药物分析两门课程实验教学达到了较好的融合。从基础入门到科研提升,较好地训练了学生的科研素质,提高了学生分析问题和解决问题的能力,形成了特色鲜明的“大创”实验训练体系。从课程教学角度而言,利用绿色环保、资源节约的实验技术解决药品质量控制的教学实际问题,对促进少数民族地区高等药学本科教育的可持续发展具有重要意义。

 

  参考文献

 

  [1]杭太俊.药物分析[M].北京:人民卫生出版社,2016.

 

  [2]Vogt,F.G.,Kord,A.S.Development of quality-by-design analytical methods[J].Journal of Pharmaceutical sciences,2011,100(3):797-812.

 

  [3]Kimmel,D.W.,LeBlanc,G.,Meschievitz,M.E.,et al.Electrochemical sensors and biosensors[J].Analytical Chemistry,2012,84(2):685-707.

 

  [4]赖瑢,戴宗,罗学军,等.电分析化学实验教学改革探索与实践——以伏安法实验为例[J].大学化学,2016,31(1):7-10.

 

  [5]Wang,J.Analytical Electrochemistry[M].John Wiley&Sons,Inc.,2006.

 

  [6]邵元华,等译.电化学方法原理和应用[M].北京:化学工业出版社,2005.

 

  [7]何洁,吴昊.PBL教学法在现代仪器分析课程中的实施及成效[J].药学教育,2018,34(4):50-53.

 

  [8]王静,王海君,陈颂,等.有机化学与药物化学实验课程体系的构建[J].药学教育,2018,34(3):28-31.

 

  [9]谢美华,张增辉.探究式教学在研究生课程教学中的实践[J].高等教育研究学报,2011,34(2):61-63.

 

  [10]马卫兴.关于碘试液应用于药物分析的教学讨论[J].教育现代化,2018,5(1):229-231.