1. 引言
医药化学作为连接基础化学与临床医学的关键桥梁学科，承担着培养具备化学合成、药物分析以及药效机制理解等多方面能力的复合型人才的重任[1]。在医药化学的众多教学内容中，“金属药物配位化学”模块具有独特的地位和挑战性。该模块不仅涉及过渡金属配合物的电子结构调控、配位模式设计等抽象理论，还需要学生理解这些结构与药物生物活性之间的复杂关联。例如，金属药物配合物在抗癌、抗菌、神经调节等领域展现出巨大的应用潜力，但其作用机制往往与金属中心的氧化态、配位环境以及与生物分子的相互作用密切相关，这些内容对于学生而言具有较高的抽象性和理解难度。
传统讲授式教学在医药化学课程中，尤其是“配位化学原理、金属基药物的设计与优化等”内容的教学中，暴露出诸多局限性。教师通常以单向的知识传递为主，学生被动接受信息，缺乏主动探究和思考的机会[2]。这种教学方式难以满足学生对空间构型想象、反应机理推演及跨学科知识整合的需求，导致学生普遍存在“知其然不知其所以然”的学习困境。例如，在讲解金属配合物的晶体场理论时，学生可能只是机械地记忆了分裂能、高自旋和低自旋等概念，却无法理解这些概念如何影响配合物的颜色、磁性以及生物活性。
本研究旨在探讨合作学习模式在医药化学课程“配位化学原理、金属基药物的设计与优化”内容中的应用效果，通过构建科学合理的合作学习框架，评估该模式对学生知识掌握、技能提升和团队协作能力的影响[3]。本研究可以丰富医药化学课程的教学方法，为合作学习模式在该领域的应用提供理论支持和实践案例；为医药化学教师提供可借鉴的教学策略，帮助解决传统教学中存在的问题，提高教学质量，培养更具创新能力和团队协作精神的医药化学人才；促进学生的主动学习和全面发展，提高学生的综合素质，使其更好地适应未来医药行业的发展需求。
2. 合作学习模式与医药化学
2.1. 合作学习模式的相关研究
合作学习模式起源于20世纪70年代的美国，经过多年的发展，已成为一种被广泛认可和应用的教学模式[4]。其核心思想是通过小组协作的方式，促进学生之间的互动和交流，共同完成学习任务，实现知识的建构和能力的提升[5]。大量研究表明，合作学习模式在提高学生学习成绩、增强团队协作能力、培养创新思维等方面具有显著优势[6]。例如，约翰逊兄弟(Johnson & Johnson)的研究指出，合作学习能够创造积极的学习氛围，激发学生的学习动机，提高学生的学习参与度[7]。
2.2. 医药化学课程教学现状与挑战
当前，医药化学课程教学面临着诸多挑战。一方面，课程内容不断更新和拓展，涉及的知识面越来越广，包括有机化学、无机化学、生物化学、药理学等多个学科领域，对学生的知识储备和学习能力提出了更高的要求。另一方面，传统教学模式注重知识的传授，忽视了学生的主体地位和个性差异，导致学生学习积极性不高，缺乏自主学习和创新能力。在“配位化学原理、金属基药物的设计与优化”内容中，这些挑战尤为突出，抽象的理论知识和复杂的实验操作使得学生容易产生畏难情绪，影响学习效果。
2.3. 合作学习在医药化学教学中的应用研究现状
近年来，已有一些研究开始探索合作学习模式在医药化学教学中的应用[8]。然而，目前的研究大多停留在理论层面，缺乏系统的实践研究和效果评估。部分研究虽然开展了合作学习实践，但存在合作学习任务设计不合理、评价机制不完善等问题，导致合作学习效果不理想。因此，本研究将针对这些问题，设计科学合理的合作学习模式，并对其进行全面的效果评估，为合作学习在医药化学教学中的推广应用提供参考。
3. 合作学习模式的设计原则
3.1. 异质分组策略
异质分组是合作学习模式的基础，其目的是将不同学习水平、能力特点和性格特征的学生组合在一起，实现优势互补，促进共同发展[9]。在“配位化学原理、金属基药物的设计与优化”内容的教学中，我们基于学生前置知识水平、实验操作能力及沟通风格进行异质分组，每组4~6人。
具体分组时，通过前期测试和问卷调查了解学生的基本情况，确保组内包含理论型、实践型及领导型成员。通过围绕课程核心概念(如化学中的配合物结构、反应机理)设计选择题、简答题或案例分析题，考察学生对理论的理解深度和逻辑分析能力。设计结构化问卷，结合学生的自我认知和行为倾向进行辅助判断，核心问题包括：“你更擅长通过阅读文献/听课理解知识，还是通过动手实验掌握技能？”“在小组合作中，你通常承担的角色是：A：提供理论支持；B：执行具体任务；C：组织协调进度”“是否有过组织活动、带领团队完成任务的经历？请举例说明。”将测试结果与问卷数据交叉比对，结合教师日常观察学生课堂参与度、作业表现、小组活动中的行为模式等，最终确定学生类型：
理论型：理论测试得分高 + 问卷中偏好抽象思考 + 课堂中常主动回答原理类问题。
实践型：实践模拟表现优异 + 问卷中强调动手兴趣 + 实验课中操作效率高。
领导型：情境任务中展现组织能力 + 问卷中倾向团队协调角色 + 过往有明确的团队管理经验。
3.2. 任务驱动型框架
设计具有挑战性的协作任务是合作学习模式的关键。在“配位化学原理、金属基药物的设计与优化”等内容中，我们设计了多种类型的任务，以满足不同学习目标和教学内容的需求。
结构解析任务：要求学生通过X射线单晶衍射数据还原金属药物配合物的三维结构，并解释配位模式对药物活性的影响。例如，在研究一种新型铂类抗癌药物配合物时，学生需要分析其晶体结构，确定金属中心与配体的配位方式，并结合文献资料探讨这种配位模式如何影响药物与DNA的相互作用，从而发挥抗癌作用。
反应机理推演：针对“钴–氮杂卡宾配合物催化CO2还原”案例，引导小组绘制反应坐标图，标注关键中间体及能量变化。学生需要通过查阅相关文献，了解反应的基本过程和可能的中间体，然后运用所学的化学知识，推导反应的详细机理，并通过绘制反应坐标图直观地展示反应过程中能量的变化情况。
创新设计项目：以“开发新型镧系MRI造影剂”为主题，要求小组整合配位化学、生物相容性及药代动力学知识，提出分子设计方案。这是一个综合性较强的任务，需要学生综合运用多个学科的知识，考虑造影剂的稳定性、生物相容性、弛豫性能等多个方面的因素，设计出具有创新性和可行性的分子结构。
3.3. 过程性评价机制
为了全面、客观地评价学生的学习效果，我们采用“个人贡献度 + 小组协作度”双维度评价机制。
个人贡献度：通过课堂问答、实验报告及阶段性测试评估个体知识掌握情况。课堂问答可以及时了解学生对知识点的理解和掌握程度，实验报告可以反映学生的实验操作能力和数据分析能力，阶段性测试则可以对学生在一段时间内的学习效果进行综合评估。
小组协作度：依据小组互评、教师观察记录及最终成果展示评分，重点考察分工合理性、冲突解决能力及知识共享程度。小组互评可以让学生相互评价在小组活动中的表现，促进学生的自我反思和相互学习；教师观察记录可以记录学生在小组讨论、实验操作等过程中的表现，为评价提供客观依据；最终成果展示可以展示小组的学习成果，评价小组的整体水平和创新能力。
4. 实证研究设计
4.1. 研究对象
选取某医学院校药学专业二年级学生120人作为研究对象，随机分为实验组(n = 60)与对照组(n = 60)。实验组采用合作学习模式，对照组沿用传统讲授式教学。两组学生在入学成绩、前置知识水平等方面无显著差异，具有可比性。
4.2. 教学实施
4.2.1. 教学内容
对照组依赖王夔教授主编《生物无机化学》中“配位化学原理、金属基药物的设计与优化等”的基础内容，教学活动以课堂讲解、PPT演示、教材内容梳理等方式为主，学时安排8学时，与实验组一致。实验组以教材内容整合设计新模块“金属药物配位化学”，补充ChemRxiv平台2021~2022年发表的前沿论文作为案例素材，例如关于高自旋钴–亚胺配合物的电子结构调控，该研究探讨了通过改变配体结构来调控钴–亚胺配合物的电子结构，从而影响其磁性和催化性能[10]。通过引入前沿论文，让学生了解金属药物配位化学领域的最新研究动态，拓宽学生的视野，激发学生的学习兴趣和创新思维。
4.2.2. 实验项目
设计“钯(I)配合物催化交叉偶联反应”实验，要求实验组学生以小组为单位完成催化剂筛选、反应条件优化及产物结构表征全流程。在实验过程中，小组学生需要共同讨论确定实验方案，分工合作进行实验操作，及时交流实验结果和问题，并共同分析解决实验中遇到的困难。对照组学生按教师指导分步操作，缺乏自主探究和团队协作的过程。
4.3. 评估工具
4.3.1. 知识测试
采用选择题(40%)与开放题(60%)结合的形式，考察学生对配位场理论、晶体场分裂能及药物–金属相互作用机制的理解。选择题主要考查学生对基本概念和原理的掌握程度，开放题则要求学生运用所学知识分析和解决实际问题，如解释铂类抗癌药物配合物的生物活性机制、设计一种新型金属药物配合物等。
4.3.2. 技能评估
通过实验操作录像回放，统计仪器使用规范度、数据记录完整度及异常现象处理及时性等指标，见图1实验评分细则和表1评分示例。仪器使用规范度主要考察学生是否按照正确的操作方法使用实验仪器，数据记录完整度要求学生准确、完整地记录实验过程中的各项数据，异常现象处理及时性则评价学生在遇到实验异常情况时能否及时发现问题并采取有效的解决措施。
Figure 1. Scoring details for concept map
图1. 概念图评分细则
Table 1. Scoring examples
表1. 评分示例
|
优秀(90~100分) |
良好(70~89分) |
及格(60~69分) |
不及格(<60分) |
实验仪器使用规范度(仪器识别与选择、仪器操作规范、仪器维护与保养、安全意识) |
1. 能准确识别并选择所需实验仪器。 2. 操作完全符合规范，步骤清晰。 3. 实验后能及时清洁并妥善存放仪器。 4. 全程遵守实验室安全规则。 |
1. 基本能识别但选择有误。 2. 操作基本规范，但有轻微瑕疵。 3. 能清洁但存放不当。 4. 有轻微违规但未造成后果。 |
1. 部分能识别且选择有误。 2. 操作不规范，有较多瑕疵。 3. 部分未清洁且存放不当。 4. 有较多违规但未造成后果。 |
1. 识别不清且选择错误。 2. 操作不规范，存在明显错误。 3. 未清洁且存放混乱。 4. 严重违规或造成安全隐患。 |
数据记录完整度(数据记录及时性、数据准确性、数据整理与呈现) |
1. 实验过程中能实时记录数据，无遗漏。 2. 记录的数据与实验现象高度一致。 3. 数据整理有序，图表清晰，易于理解。 |
1. 数据记录基本及时，但有少量遗漏。 2. 数据基本准确，但有轻微偏差。 3. 数据整理基本有序，但图表不够清晰。 |
1. 数据记录不够及时，且有少量遗漏。 2. 数据不够准确，且有较大偏差。 3. 数据整理基本不够有序，且图表不够清晰。 |
1. 数据记录滞后或大量遗漏。 2. 数据明显不准确或存在错误。 3. 数据整理混乱，图表难以理解。 |
异常现象处理及时性(异常现象识别、应急处理措施、后续跟进与报告) |
1. 能迅速识别实验中的异常现象。 2. 针对异常现象能立即采取正确的应急处理措施。 3. 异常现象处理后能及时跟进并向教师报告。 |
1. 能识别但反应稍慢。 2. 处理措施基本正确，但不够迅速或全面。 3. 有跟进但报告不及时。 |
1. 部分不能识别且反应稍慢。 2. 处理措施不够正确，且不够迅速或全面。 3. 跟进不够且报告不及时。 |
1. 未能识别异常现象。 2. 处理措施错误或未采取任何措施。 3. 未跟进且未报告。 |
评分说明：
实验特殊性适配：强调无水无氧操作、催化剂管理、谱图解析等交叉偶联反应关键环节。
量化工具：使用电子天平记录称量误差、温度传感器监测反应曲线、紫外灯检测残留催化剂。
安全红线：涉及剧毒物质(钯配合物)或易燃溶剂(如THF)的操作违规，直接终止实验并扣分。
此细则通过明确实验操作中的高风险点和关键数据指标，通过具体行为和可测量指标，最大限度减少评分偏差，确保评分客观性，适用于有机合成或催化化学实验课程。
4.3.3. 态度调查
运用Likert五级量表测量学生的团队协作意愿、问题解决信心及跨学科学习动机。量表包含多个陈述语句，如“我愿意与小组成员合作完成学习任务”、“我对解决金属药物配位化学中的复杂问题充满信心”、“我对学习跨学科知识感兴趣”等，学生根据自己的实际情况选择相应的等级，具体见表2态度调查Likert五级量表。
Table 2. Attitude survey Likert five level scale
表2. 态度调查Likert五级量表
指导语：请根据您的实际感受对以下陈述进行评价，在对应的数字上打“√”。(1 = 非常不同意，2 = 不同意，3 = 一般，4 = 同意，5 = 非常同意) |
(1) 团队协作意愿 T1：我愿意主动承担团队任务中的困难部分。 T2：在团队讨论中，我会积极提出自己的观点。 T3：当团队成员需要帮助时，我会主动提供支持。 T4 (反向题)：我认为个人成绩比团队成绩更重要。 |
1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ |
(2) 问题解决信心 P1：我相信自己能独立解决学习中遇到的复杂问题。 P2：即使问题没有明确答案，我也有信心找到解决方案。 P3：面对失败时，我会调整方法并再次尝试。 P4 (反向题)：遇到难题时，我通常会直接放弃。 |
1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ |
(3) 跨学科学习动机 C1：我对结合不同学科知识解决问题非常感兴趣。 C2：我认为跨学科学习能提升我的创新能力。 C3：我愿意投入时间学习其他学科的基础知识。 C4 (反向题)：我觉得只需要专注本专业课程就足够了。 |
1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ 1○ 2○ 3○ 4○ 5○ |
信效度检验：
用SPSS计算各维度Cronbach’s α系数进行信度检验，见表3。
Table 3. Reliability testing
表3. 信度检验
维度 |
题项数 |
Cronbach’s α |
删除题项后α变化 |
团队协作意愿 |
4 |
0.82 |
无显著提升 |
问题解决信心 |
4 |
0.79 |
无显著提升 |
跨学科学习动机 |
4 |
0.81 |
无显著提升 |
内容效度：邀请5名教育领域专家对题项与维度的匹配度进行5级评分(1 = 不相关，5 = 高度相关)。
探索性因子分析(EFA)：主成分分析法提取公因子，旋转后保留载荷 > 0.4的题项。
团队协作意愿提取1个因子(解释方差62%)，题项T1~T3载荷均>0.6。
问题解决信心提取1个因子(解释方差58%)，题项P1~P3载荷均>0.55。
验证性因子分析(CFA)：三因子模型拟合度良好(χ2 = 124.5, df = 87, RMSEA = 0.06, CFI = 0.94)。
区分效度：计算各维度间相关系数。效度检验结果见表4。
Table 4. Validity testing
表4. 效度检验
检验类型 |
指标 |
结果 |
标准 |
内容效度 |
I-CVI |
0.82~0.95 |
>0.78 |
S-CVI/UA |
0.89 |
>0.8 |
探索性因子分析 |
KMO |
0.84 |
>0.7 |
Bartlett p值 |
0.000 |
<0.05 |
验证性因子分析 |
χ²/df |
2.15 |
<3 |
RMSEA |
0.06 |
<0.08 |
区分效度 |
团队协作意愿与问题解决信心相关系数 |
r = 0.48 (p < 0.01) |
<0.7 |
团队协作意愿与跨学科动机相关系数 |
r = 0.39 (p < 0.01) |
<0.7 |
4.4. 减少研究者偏见的措施
为减少研究者偏见，采用了使评估过程标准化的措施，包括：
制定明确的参与度指标：记录员需提交“讨论要点梳理表”、汇报人需通过“结构化评分表”(含逻辑清晰度、文献引用准确性等维度)，避免“参与度低”等主观判断；
独立第三方评估：邀请未参与教学改革的教师对小组讨论视频、学生作业进行盲法评分，降低研究者因“期望效应”导致的评价偏差。
5. 研究结果
5.1. 知识掌握度对比
实验组在开放题得分上显著高于对照组(t = 3.21, p < 0.01)，尤其在“解释锕系元素配合物的电子结构对药物稳定性的影响”及“设计铱(III)配合物光动力治疗剂”等复杂任务中表现突出。对照组学生更倾向于记忆标准答案，而实验组学生能结合前沿文献提出创新性观点。
例如，在解释锕系元素配合物的电子结构对药物稳定性的影响时，实验组学生引用了2022年发表的“钙–冠醚配合物”研究，提出通过配体空间位阻调控金属药物释放速率的策略。他们分析了锕系元素配合物中电子云的分布情况，以及配体空间位阻如何影响金属中心与配体的结合强度，从而影响药物的稳定性。这种结合前沿文献进行分析和思考的能力，体现了合作学习模式对学生创新思维和知识整合能力的培养。
5.2. 实验技能提升
实验组在催化剂表征环节的错误率较对照组降低41.7%，在反应条件优化阶段的尝试次数减少28.3%。小组协作模式下，学生能自发讨论“溶剂极性对配位平衡的影响”等深层问题，而非简单执行操作步骤。
在催化剂表征环节，实验组学生通过小组讨论和合作，能够更加准确地使用各种表征仪器，如X射线衍射仪、红外光谱仪等，对催化剂的结构和性质进行分析。他们能够相互提醒和纠正操作中的错误，提高实验的准确性。在反应条件优化阶段，实验组学生能够共同分析实验数据，探讨不同反应条件对反应结果的影响，从而更加有针对性地进行条件优化，减少尝试次数，提高实验效率。
5.3. 团队协作效应
87.5%的实验组学生认为“异质分组促进了知识互补”，75.0%的学生表示“通过讨论深化了对晶体场理论的理解”。如学生所言，学生A：“以前觉得‘分裂能’就是个抽象的公式，直到小组里有人用磁铁和小钢珠模拟配体和d轨道的排斥——原来Δ₀的大小真的和配体‘挤’轨道的程度有关！”学生B：“讨论时我误把‘成对能’当成了‘电子成对释放的能量’，被同学纠正说是‘克服电子间斥力所需的能量’——这种错误自己看书根本发现不了，必须得说出来才会暴露！”
典型案例显示，实验组五小组在解析“钌–多吡啶配合物”的吸收光谱时，理论型成员通过计算软件模拟电子跃迁，实践型成员通过实验验证理论预测，最终共同完成机制阐释。
在这个案例中，理论型成员运用量子化学计算软件，对钌–多吡啶配合物的电子结构进行计算，预测其吸收光谱的特征。实践型成员则按照实验方案进行光谱测定，将实验结果与理论预测进行对比分析。在讨论过程中，两者相互交流和启发，发现理论计算中未考虑到的因素，如溶剂效应、配体间的相互作用等，并对理论模型进行修正，最终共同完成了对钌–多吡啶配合物吸收光谱机制的阐释。这一过程充分体现了异质分组和小组协作的优势，促进了学生之间的知识共享和思维碰撞[11]。
5.4. 态度调查结果
态度调查结果显示，实验组学生在团队协作意愿、问题解决信心及跨学科学习动机等方面的得分均显著高于对照组(p < 0.05)。这表明合作学习模式能够增强学生的学习积极性和主动性，提高学生对团队协作和跨学科学习的认识和重视程度。
6. 讨论
6.1. 合作学习破解教学痛点的机制
金属药物配位化学的教学难点在于需同时掌握无机合成、结构表征及生物效应分析等多学科知识。合作学习通过以下路径实现突破：
认知冲突激发：异质小组中不同观点的碰撞促使学生主动检索文献、验证假设[12]。例如，实验组三小组在讨论“镧系配合物的发光机制”时，自发对比了2021年发表的“铥(II)分子自旋量子比特”与2022年“锎(II)冠醚配合物”的研究方法。学生通过对比不同研究的方法和结果，发现了现有研究的不足之处，并提出了自己的研究思路和假设，然后通过查阅文献和实验验证来支持自己的观点。这种认知冲突激发了学生的学习动机和探究欲望，促进了学生的主动学习。
社会互赖理论应用：明确分工与共同目标使个体利益与小组绩效挂钩。在实验环节中，若某成员操作失误导致数据异常，全组需共同分析原因并重新实验，强化了责任意识。每个小组成员都清楚自己的任务和责任，同时也知道小组的成功离不开每个成员的努力。当出现问题时，小组成员会共同承担责任，积极寻找解决问题的方法，这种社会互赖关系促进了学生之间的合作和互助，提高了小组的整体绩效。
6.2. 前沿文献的整合价值
将ChemRxiv预印本论文引入教学具有双重意义：
内容更新：传统教材中金属药物案例多聚焦于顺铂等经典药物，而前沿研究涉及锕系、镧系等特殊元素配合物，拓展了学生视野。学生通过学习前沿文献，了解到金属药物配位化学领域的最新研究进展和发展趋势，激发了学生对科学研究的兴趣和热情。
方法论示范：论文中使用的原位XAS、EPR等表征技术，以及DFT计算、机器学习等分析方法，为学生提供了跨学科研究范式。学生在学习前沿文献的过程中，不仅了解了金属药物的结构和性质，还学习了先进的研究方法和技术，培养了学生的科研思维和创新能力。
6.3. 局限性及改进方向
研究发现，部分内向学生在小组讨论中参与度较低，未来可引入“角色轮换制”，强制要求每位成员轮流担任记录员、汇报人等角色，确保每个学生都能积极参与小组活动。这种制度能够打破内向学生在小组中习惯性“隐身”的局面，为他们创造更多主动表达和展示的机会。当内向的学生被赋予特定角色时，他们会有一种被信任和被需要的责任感，从而更愿意克服内心的羞涩与不安，积极投入到小组讨论中。例如，在担任记录员时，他们需要认真倾听每一位成员的发言，这不仅能让他们更好地理解讨论内容，还能促使他们主动思考和梳理信息；而当成为汇报人时，他们要将小组讨论的成果进行总结和呈现，这无疑是对他们表达能力和自信心的一次极大锻炼。
维果茨基的理论关注“社会文化因素对发展机会的影响”，而角色轮换制的深层价值在于通过制度设计消除“隐性参与壁垒”(如内向者的社交焦虑、能力自信不足)。这与社会建构主义的“文化公平”主张高度契合——即通过调整互动规则(角色分工)，让不同特质的学生都能平等获取“文化工具内化”的机会。
研究的局限性也体现在“理想化教学模式”与“现实教学情境”的冲突——样本代表性、教师工作量、推广条件等问题，需通过分层试点(如先在小规模班级验证)、资源配套(如提供教师培训与文献数据库支持)逐步解决。