基于虛擬實驗的創(chuàng)新藥物分析實驗教學(xué)模式探討

◆譚穗懿 段文軍 劉利紅 楊潔 慈薇

作者：譚穗懿，博士，南方醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院講師，主要從事抗病毒藥物藥理研究；段文軍、劉利紅、楊潔、慈薇，南方醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院（510515）。

藥物分析是藥學(xué)專業(yè)的一門核心課程，其實踐性、應(yīng)用性、綜合性很強(qiáng)。實驗課是藥物分析課程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，對于提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力具有不可替代的重要作用[1]。然而隨著現(xiàn)代教育改革的實施，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們的教育觀念、學(xué)習(xí)方式都發(fā)生深刻的變化。傳統(tǒng)的藥學(xué)分析實驗課程受時間、空間、內(nèi)容、手段等種種因素的限制，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，實驗教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法亟待創(chuàng)新與完善。

虛擬實驗技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生的一項新的實驗技術(shù)，它起源于20世紀(jì)末，是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新[2]。虛擬實驗主要是在虛擬實驗室系統(tǒng)中操作的。虛擬實驗室是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的一種適于進(jìn)行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)。其可以是某一現(xiàn)實實驗室的真實重現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想出來的實驗室。主要組成成分有相應(yīng)的實驗室環(huán)境、相關(guān)的實驗儀器及設(shè)備、實驗對象和實驗信息資源等。通過計算機(jī)操作，學(xué)生就能夠像在實驗室中完成實驗一樣，而且所取得的學(xué)習(xí)效果并不會比在現(xiàn)實實驗室中差。虛擬實驗系統(tǒng)能夠擴(kuò)展學(xué)生的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，使得教學(xué)模式向多元化發(fā)展。虛擬實驗進(jìn)一步提升課堂實驗教學(xué)囊括的新技術(shù)含量，實現(xiàn)實驗及教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)化、系統(tǒng)化，從而可使教學(xué)質(zhì)量得以大幅提高。

1 虛擬實驗在藥物分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 用于實驗前的演練

實驗預(yù)習(xí)是非常必要的。學(xué)生在沒有充分預(yù)習(xí)并掌握相關(guān)實驗理論知識和操作技能的前提下，就可能發(fā)生無法完成實驗、操作錯誤、損壞實驗儀器等現(xiàn)象[3]。對于滴定分析操作，學(xué)生可能會忽略一些操作細(xì)節(jié)，比如滴定管的排氣、讀數(shù)、滴定姿勢等，帶來對測定結(jié)果的影響。而對于利用儀器進(jìn)行的分析實驗，學(xué)生往往由于書本抽象生硬的文字說明，而打擊預(yù)習(xí)熱情。到了實驗場地，由于對儀器的原理、操作等知識的不了解，學(xué)生囫圇吞棗或盲目跟從別人進(jìn)行儀器操作，達(dá)不到實驗教學(xué)的目標(biāo)。

虛擬實驗的直觀真實性能大大提升學(xué)生的預(yù)習(xí)積極性，虛擬實驗室給學(xué)生提供了直接觀看實驗或者進(jìn)行操作的機(jī)會。這樣學(xué)生就可以了解實驗的目的、操作步驟及結(jié)果。在此基礎(chǔ)上學(xué)生再進(jìn)行實際操作，就可做到心中有數(shù)，更明確實驗?zāi)康?，對一些實驗?xì)節(jié)和注意事項也是有所準(zhǔn)備，實驗操作更順利，實驗效率得到提高。

1.2 課堂演示實驗

演示實驗對理論教學(xué)輔助作用良好，所以成為藥物分析實驗教學(xué)中較常用的一種教學(xué)手段。枯燥的理論、繁瑣的操作步驟、生硬的儀器構(gòu)造描述通過演示實驗變得直觀易懂，學(xué)生也在這個過程當(dāng)中更好地掌握了實驗的目的及操作要領(lǐng)，充分培養(yǎng)了學(xué)生在觀察和綜合分析上的能力。

例如，在講授液相色譜法測定藥物含量時，利用虛擬實驗系統(tǒng)，可以先把液相色譜儀的進(jìn)樣器、色譜柱、檢測器、數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)等各部件呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生對儀器的構(gòu)造有了整體認(rèn)識，然后通過虛擬實驗，把藥物含量測定的實驗過程與儀器操作展現(xiàn)出來，包括樣品的制備、樣品進(jìn)樣、樣品在色譜柱中的分離、樣品的檢測和數(shù)據(jù)的輸出。最后，展現(xiàn)出數(shù)據(jù)分析處理的過程與結(jié)果，包括介紹數(shù)據(jù)的一些參數(shù)，如理論板數(shù)、分離度、重復(fù)性、拖尾因子等，藥物含量計算的過程，如內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、自身對照法與面積歸一化法等。這樣學(xué)生可以直觀地看到液相色譜法測定藥物含量的整個操作過程及分析方法。

尤其對于液相色譜法、氣相色譜法這些大型貴重儀器的分析方法，貫穿于藥物分析各類藥物的質(zhì)量分析中，學(xué)生接觸這類儀器相對較少，分析理論較復(fù)雜，是學(xué)習(xí)的難點和重點。如果學(xué)生一開始就沒有把這些儀器測定的原理、操作搞清楚，就會影響到后面章節(jié)的學(xué)習(xí)，打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。利用虛擬實驗室，使得課堂演示能夠?qū)崿F(xiàn)，教師只需操作電腦，把實驗操作調(diào)出來即可，解決了一些大型儀器不可隨便搬動，不易進(jìn)行課堂演示等缺點，提高了課堂效率，使理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機(jī)地融為一體，生動演示模擬實驗過程，而非紙上談兵的空洞教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生的具體化認(rèn)知，而且也提高實驗操作的趣味性[4]。

1.3 用于實驗課實驗

在藥物分析實驗課中，很多高校都存在實驗室少、實驗儀器短缺和陳舊等問題，往往是2～3人一組做實驗，導(dǎo)致學(xué)生獨立完成實驗機(jī)會少。高效毛細(xì)管電泳、高效液相色譜、氣相色譜等一些大型貴重的儀器，學(xué)生更是接觸得少之又少。這不利于學(xué)生繼續(xù)深造和滿足工作的需要，也在一定程度上制約了學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。另外，一般實驗過程中學(xué)生根據(jù)教師的講解與講義上的操作方法按部就班地進(jìn)行操作，這種“照方抓藥”的模式抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)造性。

利用虛擬實驗室，第一個好處是在實驗前省掉了準(zhǔn)備工作，操作簡單，可以在單位時間內(nèi)完成更多實驗任務(wù)。并且實驗效果逼真，每個實驗都有具體的實驗要求與目的，學(xué)生按指導(dǎo)書的步驟來進(jìn)行，在實驗過程中記錄數(shù)據(jù)、現(xiàn)象，完成報告，進(jìn)行誤差分析，可以實現(xiàn)“一人一機(jī)”的獨立操作。

1.4 用于課外實驗

課外實驗為課內(nèi)實驗的有效補充。受藥物分析實驗課有限學(xué)時的制約，不一定所有的分析方法、分析儀器都能安排在課堂上進(jìn)行實踐教學(xué)，因此，一些有一定難度，需要學(xué)生參考課外資料才能完成的實驗，或者由于耗時較長、試劑不容易購買、貴重儀器、操作過程有一定危險性等難以在普通實驗室開展的實驗，可以選作為課外實驗，利用虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行操作。這樣拓展了課本內(nèi)容，加深學(xué)生對理論知識的理解，拓展了學(xué)生知識面，優(yōu)化實驗效果。

1.5 用于設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗一般指給定實驗?zāi)康摹⒁?，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案、選擇實驗儀器和試劑并完成的實驗。在設(shè)計性實驗中，以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)模式得到充分體現(xiàn)，這樣使得學(xué)生更好地掌握實驗原理及操作方法，更全面了解儀器設(shè)備的工作原理并正確地操作儀器，使得學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力得到加強(qiáng)。虛擬實驗室的優(yōu)點使學(xué)生開展設(shè)計性實驗的可行性進(jìn)一步提高。

2 虛擬實驗在藥物分析實驗教學(xué)中發(fā)揮的積極作用

2.1 優(yōu)化實驗過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師講授內(nèi)容步驟，學(xué)生完成實驗。這樣就不可避免地出現(xiàn)學(xué)生直接按照實驗講義“照方抓藥”進(jìn)行操作的現(xiàn)象。實驗中缺乏演示，不能提高學(xué)生對實驗的感官認(rèn)識，不能激發(fā)學(xué)生對實驗的熱情。而虛擬實驗良好的互動性，使枯燥無味的實驗操作變得形象生動，便于記憶與掌握，將學(xué)生的眼、耳、手、腦等感官充分調(diào)動應(yīng)用。

2.2 增加實驗的成功率

虛擬實驗室可反復(fù)操作的優(yōu)點，使得學(xué)生可無限制地重復(fù)操作實驗，這樣學(xué)生在掌握正確操作方法之后，再進(jìn)行真實的實驗，就可大幅度提升實驗的成功率，對于在現(xiàn)實操作中存在各種危險及有一定難度的實驗，其操作性和成功率得到大大的提升。

2.3 成本低，效率高

藥物分析實驗教學(xué)中，由于實驗課時數(shù)或?qū)嶒瀮x器的資源有限，實驗材料不夠，只能使用多人同組的方式。本科實驗大半都安排了滴定分析與紫外分析，對于液相、液質(zhì)聯(lián)用的貴重分析儀器，學(xué)生一般很少接觸到。在虛擬實驗里，“軟件即儀器”，彌補了實驗儀器的不充足。因?qū)嶒灲?jīng)費不足，一些精密設(shè)備沒有購買，無法展開實驗，原材料、儀器損壞、元件丟失也導(dǎo)致實驗費用增高，影響實驗的進(jìn)行。但是虛擬實驗就很好地解決了這些問題，沒有耗材上的投資，通過反復(fù)實驗，學(xué)生可以在實驗前初步了解實驗原理和實驗方法，熟悉實驗操作步驟及注意事項，提高了實驗成功率，同時也減輕了教師的工作量，減少了實驗耗材[5]。在實驗內(nèi)容上也可以有很大的改進(jìn)空間。可以在現(xiàn)有開展經(jīng)典的藥物質(zhì)量分析的基礎(chǔ)上，選用一些日常使用的藥物進(jìn)行分析，如“板藍(lán)根”等，這樣能使實驗貼近生活，學(xué)生會對自己經(jīng)常接觸的藥物產(chǎn)生興趣，加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解和掌握。虛擬實驗技術(shù)還可以提供一些平時學(xué)生很少接觸到的實驗，比如電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定中藥中重金屬的含量，LC-MS檢測川楝子中的川楝素，特征譜圖和指紋圖譜技術(shù)用于中藥質(zhì)量控制等。

2.4 拓展學(xué)生知識廣度

在虛擬實驗室中，學(xué)生的實驗時間、地點沒有限制，而且在實驗內(nèi)容上，一部分學(xué)有余力的學(xué)生能夠根據(jù)自己的需要拓展課程內(nèi)容的廣度和深度，開闊視野，在完成正常的教學(xué)安排實驗后，可進(jìn)行一些創(chuàng)造性、開發(fā)性的實驗研究。

《中國藥典》2010年版中現(xiàn)代醫(yī)藥的分析方法與技術(shù)方面均增加明顯，因此，教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)該跟上進(jìn)度，把一些藥物分析研究方面的熱點及藥典中的新內(nèi)容添加到實驗項目中，如增加高效液相色譜法、氣相色譜法、核磁共振波譜法等新方法來分析實驗內(nèi)容。學(xué)生在這個過程中了解了學(xué)科前沿知識，拓寬了知識廣度，創(chuàng)新意識和科研能力都因此被培養(yǎng)起來。

2.5 適用于不同層次的藥物分析教學(xué)

虛擬實驗教學(xué)可以本著以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的遠(yuǎn)程教育基本思想，為學(xué)生提供自主、交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在任何時間任何地方選擇進(jìn)入實驗，讓他們運用基本的理論知識親自實踐、自我評價，充分體現(xiàn)學(xué)生在遠(yuǎn)程實驗教學(xué)中的主體作用。其強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫，讓不同文化層次、閱歷的學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)，因材施教不同文化背景的學(xué)生。

3 虛擬實驗在藥物分析實驗教學(xué)中開展應(yīng)注意的問題

虛擬實驗雖然可以彌補真實實驗的諸多不足，為學(xué)生、教師提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，但事物都具有兩面性。虛擬實驗在替代真實實驗中雖然起到了很大作用，但不能完全替代。學(xué)生在虛擬實驗中對基本技能訓(xùn)練的重視可能被淡化，導(dǎo)致掌握儀器操作方面不規(guī)范，面對突發(fā)事件時缺乏應(yīng)對經(jīng)驗，實驗教學(xué)失去其藝術(shù)性。

3.1 弱化了實驗操作的作用

藥物分析是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，只有親力親為去操作，才能真正掌握知識要領(lǐng)、領(lǐng)悟科學(xué)方法、發(fā)現(xiàn)科學(xué)真理，從而樹立起科學(xué)的價值觀。如果教學(xué)中把大量的實驗用虛擬實驗替代，學(xué)生就只知道操作鍵盤鼠標(biāo)，而忽略了實驗操作的精髓，導(dǎo)致學(xué)生可能認(rèn)為實驗是可有可無的，弱化了實驗在培養(yǎng)學(xué)生實踐性、創(chuàng)造性過程中的重要作用，學(xué)生的動手能力得不到鍛煉與提高，違背了實驗教學(xué)的初衷。

3.2 減少了師生之間的互動，忽略了教師的指導(dǎo)地位

虛擬實驗實現(xiàn)的是人機(jī)的交流，但減少了師生之間的互動。由于進(jìn)行虛擬實驗的靈活性，實驗內(nèi)容和地點等都沒有限制，所以學(xué)生能結(jié)合自己的實際情況隨時隨地展開實驗。但是，由于教師的引導(dǎo)作用沒有在這個過程中體現(xiàn)，學(xué)生操作時出現(xiàn)的問題無法及時反饋給教師，教師也無法實時掌握實驗情況和發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題，因此難以針對不同學(xué)生個體因材施教，師生情感交流減弱。

3.3 實驗過程理想化，學(xué)生不能創(chuàng)新

由于虛擬實驗只依靠計算機(jī)來進(jìn)行操作，實驗的過程都是安裝預(yù)先設(shè)定好的程序運行，所以虛擬實驗的結(jié)果都是一樣的，一些小概率事件不會在結(jié)果中發(fā)生，實驗結(jié)果看起來沒有漏洞，有也只是計算機(jī)死機(jī)等程序錯誤出現(xiàn)。這樣就不利于學(xué)生掌握真正的操作技能，忽視了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實際能力減弱了，創(chuàng)新意識及創(chuàng)新思維也被抹殺，在實驗過程中缺乏分析和思考，只是一味按照步驟來，沒辦法在實驗中發(fā)現(xiàn)新問題，達(dá)不到實驗教學(xué)的預(yù)期效果。由于實驗中的儀器都是電腦中的“圖畫”，這樣就減少了學(xué)生排除故障和對實驗儀器常規(guī)檢修的機(jī)會。而且虛擬實驗是一人一機(jī)進(jìn)行操作，無法培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊精神。

3.4 要加強(qiáng)教師綜合素質(zhì)

虛擬實驗教學(xué)在藥物分析實驗課程中的應(yīng)用還處在起步階段。課件制作需要大量人力、物力、財力幫助，分工協(xié)作。同時知識和技術(shù)更新迅速，教師只有不斷地學(xué)習(xí)，才能使自己保持競爭力。目前大多數(shù)藥物分析教師還未能把虛擬實驗教學(xué)真正應(yīng)用于日常教學(xué)中，不能與專業(yè)的軟件工程技術(shù)人員合作，設(shè)計出適用于各層次的藥物分析實驗教學(xué)的虛擬實驗系統(tǒng)，因此無法體現(xiàn)虛擬實驗室在藥物分析實驗教學(xué)中的作用。多媒體實驗軟件的制作需要藥學(xué)教師加強(qiáng)計算機(jī)方面的技能，開發(fā)具有實際應(yīng)用性的教學(xué)軟件。

4 結(jié)語

在實驗教學(xué)中，要合理適當(dāng)?shù)馗淖儗嶒炐问?，對實驗?nèi)容做一些調(diào)整，采用一些現(xiàn)代輔助技術(shù)來開展多樣化教學(xué)，只有這樣，才能在實驗中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，從而提高藥物分析的實驗教學(xué)效果，在保證教師主導(dǎo)作用的同時，體現(xiàn)出學(xué)生的主體性。虛擬教學(xué)將運用新的技術(shù)不斷克服其局限性，達(dá)到與傳統(tǒng)教學(xué)的良好兼容。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的教學(xué)媒體，將在藥物分析實驗教學(xué)中發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

[1]劉瑞華,李琳,朱元元.藥物分析實驗教學(xué)的思考和建議[J].實驗室科學(xué),2011(2):60-63.

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