氧化苦参碱的提取、含量测定...拟仿真实验项目的建设与应用_李俊波.pdf

氧化苦参碱的提取、含量测定、制剂、分析及药效虚拟仿真实验项目的建设与应用李俊波宋丽华杨雪李囡囡张晓一李瑞燕（长治医学院药学系山西长治 ）摘要从设计理念、教学目标、项目内容、教学方式和评价方式等方面阐述了“氧化苦参碱的提取、含量测定、制剂、分析及药效虚拟仿真实验项目”的建设思路和实施过程。教学实践表明：借助“线上线下、虚实结合、全面评价”的教学模式，该虚拟仿真实验可以实现“知识传授、能力培养、价值塑造”三位一体，切实提高了学生的实践能力，可以为国内同类高校培养应用型药学人才提供教学资源与方法借鉴。关键词虚拟仿真实验混合式教学自主学习过程性评价 ：天然产物活性成分的提取分离、药效检测、药物制剂等是药物研发过程中的重要环节，是中药现代化的重要组成部分。培养具备药物研发思维和实践能力的专门人才是药学专业人才培养的主要任务。天然产物的药物化利用涉及有机化学、天然药物化学、分析化学、药剂学、药物分析、药理学等多个学科，跨学科、全流程的实践教学是人才培养目标达成的重要途径。然而，实际教学过程中受课程安排和教学时数限制，各学科实践教学只能单独开展，以散在的片段知识和单元操作进行实验，学生无法通过某一个实验了解药物研发的全流程，难以将所学知识整体串联，更谈不上融会贯通。针对上述现实问题，长治医学院药学系依托山西省药学综合实验教学示范中心，以“优质资源融合、虚拟现实结合、教学科研相长、学校社会共享”为原则，设计开发了“氧化苦参碱的提取、含量测定、制剂、分析及药效虚拟仿真实验”。采用虚拟仿真实训结合实际操作开展教学，通过虚实结合使学生更直观、更深入地理解从天然产物到药物制剂的全部过程，实验设计方案如图。图虚拟仿真实验设计方案本虚拟仿真实验包含个模块：（）苦参药材中氧化苦参碱的提取、分离、纯化；（）苦参提取物中氧化苦参碱的含量测定；（）氧化苦参碱注射用无菌粉末的制备；（）注射用氧化苦参碱质量分化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期山西省高等学校教学改革创新项目（）；山西省高等学校教学改革创新项目（）；山西省一流课程（虚拟仿真实验教学课程，）通信联系人，：析；（）氧化苦参碱的药效实验。各模块既相互独立、自成一体，可以满足不同课程虚拟仿真实验教学的需要，又能贯穿天然产物药物化利用的整个过程，打破了课程界限和学生学习的时空限制，弥补了实体实验的不足与缺憾，突出了以学生为中心的教学理念。通过实验课前预习、虚拟操作和互动交流，给予学生充分的自主思考空间，提高了学生的思维能力，达到了培养学生综合创新能力的人才培养目标。实验设计理念本项目采用“讲练结合、虚实互补”的设计思路，根据学生认知规律按照由易到难、从理论到实践的循序渐进过程展开教学。编写了实验指导书，对各实验模块的基本原理、操作要点进行了详细讲解，便于学生顺利完成仿真实验操作，实现教学目标。知识传授本项目在实验课程内容和知识点上采用立体交叉、逐步递进的原则，打破过去各学科独立设置实验课的传统，将分散的天然药物化学、分析化学、药剂学、药物分析、药理学等课程中的实验内容 进 行 有 机 组 合，通 过 实 验 训 练 要 求 学 生：（）熟悉苦参中有效成分提取的流程，掌握氧化苦参碱的提取、分离和纯化方法；（）熟悉高效液相色谱的操作流程、化学工作站的操作方法，掌握对照品、供试品溶液的配制方法，掌握液相色谱结果分析方法；（）熟悉注射用无菌粉末的生产过程及操作要点，掌握冷冻干燥技术的原理及工艺过程、容器及物料灭菌的处理方法；（）熟悉中药制剂的鉴别、检查、含量测定方法，掌握注射用 氧化苦参 碱的 鉴别、检查及含量测定；（）熟悉通过动物实验评价中药药理作用的一般方法，掌握氧化苦参碱抗炎、镇痛及抗缺氧能力动物实验研究方法。能力培养项目通过实验内容整合，打破学科之间的界限，将目标成分的提取分离、含量测定、剂型制备、质量分析、药效实验这一系列过程串联起来，在提供充分的教学资源保证理论学习的基础上，运用虚拟仿真技术模拟了回流提取、两相萃取、柱层析、高效液相色谱、薄层层析、冷冻干燥、物料灭菌、小鼠动物实验等，通过高精三维仿真模型，学生沉浸在虚拟仿真场景中，形成对实验流程完整而全面的认识，充分激发了学生的学习潜能，调动了学生参与实验教学的主动性和积极性，使其各项能力得到显著提升。价值塑造在传授知识和培养能力的同时，将课程思政融入教学过程，实现价值塑造。本项目以天然产物苦参出发，完整呈现了天然产物的药物化利用过程。实验课前教师引导学生查阅文献，了解我国中医药传统文化和中草药在防病治病、保障人民生命健康等方面的重要作用，如我国明代李梴的 医学入门（年）记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程，这是世界上最早从天然产物中得到的有机酸；李时珍在 本草纲目（年）中详细记载了用升华法制备、纯化樟脑的过程，通过生动的事例帮助学生真正树立文化自信。在具体的实验操作过程中则注重培养学生诚实守信的学习态度和严谨、求实、勤俭、敬业和高效的优良作风，为今后养成良好的职业操守打下基础。项目内容本项目围绕苦参药材中氧化苦参碱的提取、含量测定、制剂、分析及药效实验设计了个综合实验模块（如图）。以中药材苦参为起点，涵盖了天然药物化学课程中药物有效成分提取、分离和纯化，分析化学课程中高效液相色谱基本操作，药剂学课程中无菌冻干粉末制备，药物分析课程中制剂检查和含量测定，药理学课程中药物活性检查等多学科的核心实践内容，完整串联了从药用植物到药物制剂到药效评价的整个流程，为学生全面系统掌握相关知识技能创造了条件。苦参药材中氧化苦参碱的提取、分离、纯化模块首先进行苦参药材的回流提取（图），时间设置为次，提取次，合并次滤液。滤液减压浓缩后，进行酸溶碱沉的操作。浓缩液用氯仿进行两相萃取，合并萃取液，浓缩至小体积，得苦参总生物碱。苦参总生物碱中氧化苦参碱的柱层析分离纯化包括：干法装柱、上样洗脱、薄层跟踪。合并与氧化苦参碱相同的流分，减压浓缩，重结晶，抽滤得白色氧化苦参碱。苦参提取物中氧化苦参碱的含量测定模块配制并过滤流动相（图），流动相组成为：乙腈无水乙醇磷酸溶液（），配制后的流动相用 滤膜过滤。分别配制氧化苦参碱对照品和样品溶液。打开计算机、色谱仪、化学工作站。点击化学工作站溶剂瓶图标设置流动 年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）图虚拟仿真实验内容 （）（）图氧化苦参碱的提取（）和纯化（）：（）；（）图氧化苦参碱的含量测定模块：（）人机交互；（）色谱工作站操作界面相体积；点击旋开排气阀（逆时针），单击“四元泵”图标出现快捷键，点击“方法”选项进入泵编辑画面进行排气操作。输入样品信息建立分析方法，依次设置流速、柱温、检测波长，待仪器运行平稳。在“方法与运行控制”界面上选择运行控制样品信息，依提示输入保存路径、文件名称、样品名称、操作者等信息，基线平稳后选择“运行控制”中的“运行方法”选项，开始进样，即开始样品分析与数据采集。依次进行对照品溶液和样品溶液的测定。在“在线仪器”主界面上选择视图数据分析，进入数据分析界面；点击选择所要处理的数据文件，选择所要选用的报告格式，输出报告。氧化苦参碱对照品标准曲线建立可以通过色谱工作站“”功能或用 数据分析完成，本项目要求学生根据实验指导书给出的氧化苦参碱标准系列浓度和对应峰面积数据，采用 线性回归完成标准曲线的绘制，并将样品峰面积数据带入标准曲线完成含量计算。分析结束后，点击检测器图标，选择“控制关闭”，关闭紫外灯；点击泵设置流速 ，用流 动 相 冲 洗泵、进样阀、分析柱和检测器；依次关闭化学工作站，仪器各个模块电源和计算机电源。化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期 氧化苦参碱注射用无菌粉末的制备模块进入实验后（图），可查看实验目的、原理、材料与仪器、制剂处方等。系统会提示整个制剂过程需在无菌环境下操作。点击实验操作，进行容器处理，选择正确的包装容器及需处理的玻璃仪器，分别完成超声波洗涤（粗洗）、纯化水洗涤、注射用水精洗、灭菌处理。点击药液的配制，选择正确的溶剂，置于恒温水浴磁力搅拌器中，点击分别加入氧化苦参碱、甘露醇、依地酸二钠，搅拌，调 为，加入 针用炭吸附，吸附热原、杂质和发挥助滤的作用。点击过滤，分别完成粗滤和精滤后，溶液置于 量筒中，点击补注射用水至 。点击罐装，点击配制好的药液注入 的西林小瓶中，每支，点击橡胶塞半压塞。点击冷冻干燥，点击可查看冷冻干燥步骤及水的三相图，分别进行预冻、减压升华、加温干燥、压盖封口等操作，完成氧化苦参碱粉针剂的制备。：（）；（）图氧化苦参碱注射用无菌粉末的制备模块：（）容器无菌处理；（）冷冻干燥 注射用氧化苦参碱质量分析模块进入实验（图），完成剂型常规检查（装量差异检查）。测得含供试品瓶重、空瓶重，记录称量值，计算装量、平均装量、差异限度，并记录。热源检查：点击配制 含氧化苦参碱 的氯化钠注射液，点击称量家兔体重，测量并记录家兔正常体温，依次点击只家兔，分别自耳缘静脉缓缓注入供试药品，每隔 测量给药家兔体温，测定次，记录测量值，计算每只家兔体温的升高温度和只家兔体温升高总和，并记录。配制氧化苦参碱对照品溶液和供试品溶液，配制乙腈无水乙醇磷酸溶液（）的流动相，进行高效液相色谱含量测定。：（）；（）图注射用氧化苦参碱质量分析模块：（）装量差异检查；（）热源检查 氧化苦参碱的药效实验模块进入实验（图），对 只小白鼠点击电子天平称重，点击苦味酸标记。首先点击“抗炎实验”，捉拿、号鼠分别腹腔注射生理盐水 体重、地塞米松 体重、氧化苦参碱 体重（），倒扣鼠罩等待 。捉拿、号小鼠分别腹腔注射伊文氏蓝溶液 体重，同时点击棉棒双耳均匀涂抹二甲苯，每隔 记录小鼠耳廓蓝染情况。点击“镇痛实验”，捉拿号小鼠分别皮下注射生理盐水、盐酸吗啡、氧化苦参碱，倒扣鼠罩等待 ，依次腹腔注射 醋酸溶液。在 内分别观察、号小鼠扭体反应次数并做记录。点击“抗缺氧实验”，捉拿、号鼠分别腹腔注射生理盐水、盐酸异丙肾上腺素溶液、氧化苦参碱，捉拿号鼠灌胃 氧化苦参碱 体 重（），立 即 放 入 装 有 钠石灰的 广口瓶，并涂抹适量凡士林 年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）：（）；（）图氧化苦参碱的药效实验模块：（）扭体反应；（）抗缺氧实验结果记录加盖，记时，观察小鼠活动变化及呼吸停止时间。教学与评价方法 突破时空界限，开展线上线下混合式教学本项目采用线上和线下、虚拟与实操相结合的教学模式。学生前期通过专业实验课程掌握固液萃取、色谱分离、冷冻干燥、热源检查等基本单元操作。实验开始前学生首先按照实验指导书的要求完成实验背景、基本原理、重要参数和关键操作的线下 学 习，教 师 给 予 必 要 指 导。本 项 目 在 超 星“学习通”平台建设了在线课程，内容包括项目简介、实验引导、操作说明等，学生可以在课前观看教学视频并且自主尝试在线操作，虚拟仿真系统的错误提示和操作引导功能可以帮助学生回顾基础知识、熟悉操作流程。本项目被列入本校药学、中药学专业实训教学大纲，在第六学期开设，共学时，学分。学生在本校虚拟仿真实验教学中心进行线下集中学习，授课教师进行原理讲解和现场操作指导，系统评分功能自动统计学生操作成绩。表课程成绩评定（总分 分）（：）成绩组成项目及占比线上（）签到（）操作时长（）访问次数（）作业（）讨论（）测验（）线下（）课堂表现（）实验完成得分（）实验报告（）现场考核（）以学生为中心，探索项目引导式自主学习模式通过课前预习、在线学习、虚拟实验操作、线上线下讨论等环节，在学生熟练掌握本项目虚拟实验操作后，可以引导学生开展项目引导式自主学习。例如教师提出以下项目课题：（）近年来天然产物提取的新技术不断出现，例如超声提取、微波提取、超临界流体萃取等，请以实验小组为单位自行查阅文献，提交题为“苦参药材中氧化苦参碱的新技术提取”的实验设计；（）除了本项目展示的抗缺氧、抗炎作用外，氧化苦参碱还有其他生物活性，请完成题为“氧化苦参碱的药理作用研究进展及药理活性研究”实验设计方案。基于项目引导的互动式教学，能有效促进学生开展自主学习和探究式学习，实现知识、能力、素质的有机融合，培养学生分析问题和解决问题的综合能力，锻炼学生的创新思维和科研能力。关注学生全面发展，进行过程性教学评价与线上线下混合式教学方式相对应，本项目的教学评价采用了线上线下相结合、形成性与终结性评价相结合的方式。线上考核通过学习通在线课程的学习评价功能，采用作业、讨论及测验等方式对学生的日常学习行为进行考核、测评，督促学生提前预习、熟悉虚拟仿真系统操作流程。线下评价包括实验操作、实验报告、现场考核等环节。操作考核通过虚拟仿真系统内置的评分功能对学生的操作进行自动记录和评分；现场考核要求学生从交互操作步骤中选取个实验步骤，解释操作背后的原理和操作要点，教师进行现场评分。课程最终成绩评定方式：课程总成绩（分）线上成绩（分）线下成绩（分），考核项目及占比如表。建设与应用效果本项目自 年月在学习通平台上线以来，共有 人选课，其中本校学生 人，校外人员 人。本项目根据药学专业的特点，整合实验教化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期学内容，提出基于虚拟环境下的药学多学科综合实验教学，通过教学方法的改进创新，把药学专业核心课程的实验有机联合起来，形成一个包括药物有效成分的提取分离纯化、含量测定、剂型设计、质量分析、药效学评价五大部分的综合性实验，学生通过虚拟仿真训练，可以将所学的专业知识、基本实验操作和实践思维有机结合起来，实现知识与技能的融合。应用过程中将启发教学、自主实验、互助讨论、自主考核等多种教学方法融汇于项目中，教学方法和组织形式由“教”为主转变为以“学”为主。通过虚拟仿真实验，学生可以自学自练、反复实验，以视频、多媒体、网络模拟等多种教学手段丰富实验教学资源，使实验教学管理全开放、智能化，为学生创造自主实验和个性化学习的实验环境，达到直观、趣味、启发、动手能力和创新思维培养于一体的教学效果。本项目于 年获批山西省一流课程（虚拟仿真实验教学课程）认定项目。未来将对在线服务平台进行实时技术更新，实现最大化共享和潜力挖掘，为学生提供持续、灵活、开放、共享的实验体验平台，尽可能做到能实不虚、虚实结合、科学规范、系统全面，不断满足学校和社会的需求。参考文献朱大元化学进展，（）：张向荣，白艳红，李健军，等大学化学，（）：许飞，聂志妍，金磊，等中国免疫学杂志，（）：刘金库，卢怡，张敏，等化学教育（中英文），（）：郭瑞霞，李 力 更，王 于 方，等中 草 药，（）：刘萍化学教育（中英文），（）：汪泽化学教育（中英文），（）：，（，）“，”，“，”，“，”，；年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）