大學普通化學實驗室規劃與實驗課程: 高醫醫化系普化實驗室之設計與化學實驗之整合 / 李建宏、林淑芬、陳慧芬

星期三 , 8, 3 月 2023 Leave a comment

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:

高醫醫化系普化實驗室之設計與化學實驗之整合

李建宏1,林淑芬,陳慧芬2

高雄醫學大學醫藥暨應用化學系 1
chli@kmu.edu.tw; 2
hfchen@kmu.edu.tw

 

n  前言

近十五年本學系在實驗課程中的教學變革相當大。原先的課程設計在大一上、下學期為普化實驗課程,著重在基礎實驗技能的養成以及思考能力的建構;大二上學期為分析實驗課程,目的在暸解分析實驗的基礎和古典分析方法應用,大二下學期則為有機化學實驗課程,提升學生在有機實驗操作技能以及有機合成的實驗知識。但因為學生在加入教師實驗室進行專題研究時,實驗技能普遍不足,且對於實驗的思維模式過於單調,觀察能力不足導致記錄及報告的撰寫也未能詳盡。為改善學生學習狀況,本系有感於專題研究的重要性,規劃化學系學生在畢業之前對於策劃研究、執行實驗有通盤性的認識和訓練;十年前即開始整併實驗目標是打破各科實驗藩籬,將其重組。雖然成效顯著,但本系近年進行必修課程改革,將大一普通化學由原本二學期6學分降低為一學期4學分,專業必修科目(有機化學、分析化學、儀器分析、無機化學、量子化學、物理化學、生物化學、醫藥品合成化學)提前一學期修習,讓學生有更多的時間進入實驗專題或實習領域。為配合現在學生學習型態的改變以及課程設計的變化,107學年度起,由本學系前主任許智能教授和實驗課程授課教師進行第二次調整實驗課程內容,為使實驗課程與必修學科之間有更好的鏈結,並且強化實驗內容的完整性。將原本普化實驗刪減濃縮後,並結合分析化學的檢驗、定量概念,整併入化學實驗一,重整過後的實驗內容配合新制大一學生普通化學的進度;大一下的普化實驗課程調整為分析及有機基礎實驗技能設計,將基礎分析實驗與有機純化技巧訓練規劃為化學實驗二;並於大二規劃更多樣的有機實驗課程,讓學生能在大二上先做完有機基礎實驗知能及技能的學習後,大二下再增加更多應用以及連續性的實驗挑戰,所以化學實驗三、四除強化各樣有機純化技巧與光譜鑑定操作之外,亦包含有機化學各種反應與多步驟合成反應介紹(1),重整過後的實驗內容亦配合學生必修科目有機化學與分析化學的進度,加深學生在學理認知與操作技能的連結。

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圖1:本學系改革後實驗課程設計

n  實驗課程簡介

一、大一普化實驗整合分析及有機基礎實驗

  在化學系中,最重要的課程莫過於實驗課程。實驗過程除了能夠幫助學生建構科學的知識外,透過實驗中的觀察更能夠連結理論,進而理解科學原理。雖然實驗課程對化學系學生的養成及訓練十分重要,然而目前的實驗課程方式仍停留在傳統的設計。課程中一般給定大部分的實驗參數,學生照表操課在規定的時間內完成固定的操作,收集類似的結果。如此設計主要在技藝的傳承,而非訓練邏輯思考及改正實驗中發現的錯誤。本學系在每年的教學工作中總是不斷地在調整實驗課程內容,希望能夠引起學生的學習興趣,規劃能夠發動學生主動去探究的實驗課程。進一步讓學生藉由這個教材的設計,重拾對化學的好奇心,也希望化學系學生能了解到實驗的重點是發現、改善及創新,為未來學業發展及生涯規劃建立基礎。在本學系中,實驗課程的規劃是循序漸進,大一上為基礎實驗技能及觀察訓練,大一下為分析及有機操作技能訓練,到大二整學年的有機技能訓練,目的在希望學生能連結學習到的技能及知識應用在進階的實驗課程及教師實驗室的專題研究上。

在多年教學的過程中,發現實驗課程內容若能較貼近生活主題,學生的專注力相對提高,以及對於課程的反饋回應較熱烈。例如本學系在大一下學期阿斯匹靈的製備實驗中帶入了銅錯合物的製備:生物體內存有一些微量金屬,這些微量金屬與體內生物分子結合形成錯合物,在生物代謝和醫藥上扮演著舉足輕重的角色。過去科學家已經發現(Abuhijleh, 2011)阿斯匹靈與 Cu2+ 會產生螯合錯合物 (chelating complex) 2),而此銅錯合物能強化阿斯匹靈作為非類固醇抗發炎藥物 (NSAID) 的療效,阿斯匹靈銅錯合物能以治療類風濕關節炎,同時更有做為治療血栓性疾病的潛力。因此研究阿斯匹靈與金屬配位形成的錯合物之結構與反應亦成為極具前瞻性的議題。此外本實驗設計讓同學來牛刀小試,學習以自製的阿斯匹靈作為配位基,與醋酸銅反應形成阿斯匹靈銅錯合物,因酯官能基配位能力不高,因此所得之結構有可能是單核錯合物 Cu(asp)2,亦有可能是雙核錯合物Cu2(asp)4(asp = aspirinate, 阿斯匹靈陰離子)。反應式如下:

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2阿斯匹靈銅錯合物

二、大二有機化學實驗與分析化學實驗的整合

本系亦將大二傳統會進行的有機化學實驗和分析化學實驗進行整合成為化學實驗三與四。而傳統的有機化學實驗大致可分為下列流程表進行(如圖3): 預報撰寫,進行實驗,和實驗報告撰寫的流程進行。藉由本系的實驗課整合,我們也進行了一系列的調整(如圖3),首先加入運用線上軟體IRS互動系統回饋的方式在實驗課前進行實驗原理的測驗,促進學生預習且加深印象的效果。而實驗的設計上也配合有機化學正課課程的進度搭配達到學以致用和實作驗證理論的效用。另一方面,我們也鼓勵學生除了以書寫紀錄實驗的觀察現象也搭配影片的製作加深學生對實驗過程的印象。除此之外,我們更運用本校在藥物合成上的儀器資源優勢,讓學生實際操作核磁共振光譜儀和紅外線光譜儀,並進行結構鑑定解析。而為了驗證所學,在每學期實驗課程的期末進行實作測驗:第一學期是跑台期末考,讓每位學生在不同關卡分別能對有機實驗中不同的基礎實驗技巧和相關原理能做檢核也藉此再次強化其相關概念; 而第二學期則是進行未知混合物分離與鑑定的期末考(Feist, 2004),讓每位學生能藉由一年的實驗課程後,經由所學的觀念後先對未知混合物的物性進行分析後並找尋適當的分離方式,再由實驗的分離將混合物進行純化,最後藉由光譜鑑定與相關知識進行結構的解析。這一連串的檢核在訓練學生於未來碰到未知問題時分析思考,運用所學知識分析,和藉由儀器解析到解決問題的相關能力。由這樣的實驗整合期許培養學生遇到問題思考、分析和整合的能力。

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圖3. 傳統有機分析實驗和本系整合實驗流程圖

三、化學實驗室規劃與設計

    除了實驗課程的重整與優化外,本校亦投入資源設立新實驗室(如圖4上)。學生實驗室為化學系學生接觸專業化學實驗工作的初場域。除經驗及技能的學習外,在實驗室中首重的是安全。本校基於希望學生第一次進入實驗室時即建立相關的安全知識,認識實驗室安全守則。本系學生實驗室考量現今實驗室安全需求,規劃乾式廢氣處理設備,整合旋轉濃縮儀及循環冷卻水系統、天平區、烘箱及落地型排煙櫃等進行統一規劃,使學生實驗動線更為順暢。

    其中更增加設置落地型的排煙櫃4下)將供大量溶劑配置、矽粉轉移等等實驗操作使用。設置具抽氣功能之溶劑櫃,降低溶劑/廢液存放之蒸汽揮發等氣味逸散,並避免火災。另設之藥品準備室,亦配置具排氣功能之藥品櫃放置藥品。特別設立特別實驗教學實驗室,放置常見分析儀器(UV-VIS)。寄望此設計能帶給學生貼近真實研究實驗室的工作經驗,養成正確的工作態度及習慣。

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             4(上)實驗室平面配置圖(下)落地型排煙櫃照片與示意圖

(引自三雄科技股份有限公司網站)

  n  結語

在化學系中,最重要的課程莫過於實驗課程。實驗過程除了能夠幫助學生建構科學的知識外,透過實驗中的觀察更能夠連結理論,進而理解科學原理。本學系過去15年兩階段方式革新實驗內容,實驗課程的規劃是循序漸進,大一上為基礎實驗技能及觀察訓練,大一下為分析及有機操作技能訓練,到大二整學年的有機技能訓練,目的在希望學生能連結學習到的技能及知識應用在進階的實驗課程,更了解化學合成的流程,並探索系所教師的各種研究領域,除了知識技能的訓練,也希望開啟學生的視野,了解化學在各種產業的應用性與重要性,提升學生主動學習的熱情,使學生從基礎實驗室進入專題研究的過程更加順利。

n  致謝與其他說明

本文作者李建宏為高醫醫化系助理教授,陳慧芬為高醫醫化系副教授。感謝林淑芬中級技佐提供實驗室規畫設計圖與內容,完善豐富本文。

n  參考資料

高雄醫學大學醫化系化學實驗(一)實驗教材。

Abuhijleh, A. L. (2011). Mononuclear copper(II) aspirinate or salicylate complexes with methylimidazoles as biomimetic catalysts for oxidative dealkylation of a hindered phenol, oxidation of catechol and their superoxide scavenging activities. Inorganic Chemistry Communications, 14(5), 759-762.

Feist, P. L. (2004). The separation and identification of two unknown solid organic compounds: An experiment for the sophomore organic chemistry laboratory. Journal of Chemical Education, 81(1), 109110.

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