虛擬仿真技術(shù)在藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳章寶　肖國君　鄧君　羅紅麗

摘 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是采用多媒體、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通訊等多種技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)逼真可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開展實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目認(rèn)知操作預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ν卣褂?xùn)練、實(shí)驗(yàn)操作技能訓(xùn)練培養(yǎng)、藥物工業(yè)化生產(chǎn)制備的仿真訓(xùn)練等學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)教學(xué)過程中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2015）10-0086-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的一種延續(xù)，是讓學(xué)生對(duì)課堂上所學(xué)知識(shí)進(jìn)行消化和吸收的過程。實(shí)驗(yàn)過程是一個(gè)學(xué)習(xí)、培養(yǎng)及探索的過程，通過實(shí)驗(yàn)，能有效地訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力[1]。對(duì)于藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中部分不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)操作，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)則能有效利用信息技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通訊等多種技術(shù)，通過構(gòu)建一個(gè)逼真可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯優(yōu)勢(shì)，并對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了顛覆性影響，學(xué)生通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的反復(fù)多次模擬操作，可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解，還可節(jié)省大量時(shí)間進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性、探究性的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供保障。

西南大學(xué)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心秉持“實(shí)踐創(chuàng)新，能力至上”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，在強(qiáng)化真實(shí)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的前提下，針對(duì)部分高成本和高消耗、實(shí)驗(yàn)條件難以實(shí)現(xiàn)、所需投入和運(yùn)行費(fèi)用巨大等真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的部分實(shí)驗(yàn)操作，按照“能力培養(yǎng)，虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)為主”的原則，開發(fā)構(gòu)建了藥物制備工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、藥理生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、體內(nèi)藥物分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K和藥物分子虛擬篩選實(shí)驗(yàn)?zāi)K等共計(jì)103個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能有效利用信息技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能，中心將真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)操作的預(yù)習(xí)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作可實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)操作的預(yù)習(xí)，更好地理解掌握每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、實(shí)驗(yàn)原理和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作步驟，以保證學(xué)生在開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程中能更好地注意操作的規(guī)范性，實(shí)驗(yàn)后可以通過操作虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固，從而強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)提供更好的平臺(tái)。

中心教師采用圖、文、聲及活動(dòng)影像4 種功能兼?zhèn)涞膶?shí)驗(yàn)教學(xué)工具自主設(shè)計(jì)建設(shè)的分子生物學(xué)虛擬操作實(shí)驗(yàn)?zāi)K，將復(fù)雜抽象的PCR 擴(kuò)增、克隆、Southern印跡雜交、酶切與連接、轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、質(zhì)粒小量堿法提取實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)原理簡化為直觀可視的動(dòng)畫形式，學(xué)生可以按照提示將課堂上不好演示的實(shí)驗(yàn)過程模擬出來，使學(xué)生得到更多的模擬、重復(fù)的操作機(jī)會(huì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的不足，在教學(xué)中顯示出極大的優(yōu)越性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)知識(shí)的理解。

學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（小鼠或蛙）開展生理學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)等實(shí)驗(yàn)操作，但常常由于實(shí)驗(yàn)操作不熟練，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能順利完成或達(dá)不到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果，中心建設(shè)的藥理生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，能讓學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)完成操作實(shí)訓(xùn)，提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果。

發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)涉及菌種選育、培養(yǎng)基優(yōu)化、發(fā)酵罐使用及發(fā)酵實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，其中發(fā)酵過程優(yōu)化與放大是發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容，發(fā)酵工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以聚蘋果酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝為原型，利用動(dòng)態(tài)模型實(shí)時(shí)模擬真實(shí)工藝反應(yīng)裝置現(xiàn)象和過程，通過仿真工藝反應(yīng)裝置進(jìn)行互動(dòng)操作，產(chǎn)生和真實(shí)工藝處理一致的結(jié)果，每個(gè)學(xué)生通過操作本虛擬仿真模塊能夠充分理解聚蘋果酸生產(chǎn)工藝流程，通過設(shè)置不同運(yùn)行參數(shù)，觀察工藝反應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)行開停車操作及排除各種設(shè)備故障或工藝擾動(dòng)的操作，同時(shí)對(duì)于操作過程和結(jié)果進(jìn)行客觀的考核和評(píng)定。

二、實(shí)驗(yàn)操作技能的訓(xùn)練及培養(yǎng)

對(duì)一些操作難度大、僅憑教師做示范學(xué)生不易掌握操作方法的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)操作具有很好的直觀性、反復(fù)性訓(xùn)練的作用。如生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的減壓神經(jīng)放電（神經(jīng)的分離和分辨是難點(diǎn)）、膈神經(jīng)放電記錄（找出膈神經(jīng)是難點(diǎn)）、大腦皮層放電記錄（其中的開顱手術(shù)不易操作和掌握）等實(shí)驗(yàn)都是電生理實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生通過中心建立的生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目反復(fù)操作訓(xùn)練，極大地提高在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)操作能力，既能節(jié)約實(shí)驗(yàn)動(dòng)物又能很好地掌握所需的實(shí)驗(yàn)操作技能。

大型分析儀器由于設(shè)備臺(tái)套數(shù)、運(yùn)行費(fèi)用等限制了學(xué)生的操作使用，中心購買建設(shè)的大型分析儀器虛擬仿真操作軟件采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的具備機(jī)理模型，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫作為支撐，仿真操作過程與真實(shí)儀器操作過程極其相似，仿真結(jié)果與真實(shí)系統(tǒng)結(jié)果非常接近，能夠滿足學(xué)生日常操作實(shí)訓(xùn)、常規(guī)考核以及技能大賽等各種需求，學(xué)生通過虛擬仿真操作訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大型分析儀器的結(jié)構(gòu)、原理等有更深入的認(rèn)知理解，提高操作儀器設(shè)備的能力。

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐卣褂?xùn)練

知識(shí)更新速度越來越快，學(xué)生需要學(xué)習(xí)掌握的知識(shí)與能力也越來越多，但由于受到課程學(xué)時(shí)的限制，特別是部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作需要一定的實(shí)驗(yàn)條件，限制了學(xué)生的操作學(xué)習(xí)，虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以設(shè)計(jì)涵蓋范圍非常廣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練[3]。如生理學(xué)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不可能開出所有系統(tǒng)、器官的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及中心因課程學(xué)時(shí)的限制，藥理學(xué)只開設(shè)了12個(gè)實(shí)驗(yàn)，人體解剖生理學(xué)只開設(shè)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)，中心購買建設(shè)的藥理生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可彌補(bǔ)這一不足，該項(xiàng)目涵蓋了19個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，藥理學(xué)涵蓋了29個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可通過操作未開設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目拓展知識(shí)與操作能力，還可通過到中心開放實(shí)驗(yàn)室根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)并操作這些實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，更加全面的、系統(tǒng)的掌握生理學(xué)實(shí)驗(yàn)和藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和基本操作方法。

四、藥物工業(yè)化生產(chǎn)制備的仿真訓(xùn)練

藥物制劑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，涵蓋GMP標(biāo)準(zhǔn)下的藥物顆粒制劑生產(chǎn)、片劑生產(chǎn)、膠囊劑生產(chǎn)、水針劑生產(chǎn)以及衛(wèi)生水系統(tǒng)、空調(diào)空壓設(shè)備等，不僅具有3D形象生動(dòng)、操作性強(qiáng)、使用便利等特點(diǎn)，而且對(duì)許多復(fù)雜設(shè)備、間歇性生產(chǎn)控制、GMP質(zhì)量管理等進(jìn)行了三維立體的場景仿真，具備一定的智能化反應(yīng)能力。藥物制備GMP實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)校就能反復(fù)操作訓(xùn)練，全面了解藥物制備GMP車間的工藝布局、原料藥物及不同制劑藥物的生產(chǎn)要求、生產(chǎn)設(shè)備組成及潔凈度要求等，讓學(xué)生在進(jìn)入醫(yī)藥企業(yè)開展生產(chǎn)實(shí)習(xí)前能熟練掌握藥物制備GMP認(rèn)證要求及生產(chǎn)操作訓(xùn)練，保證學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)能快速適應(yīng)、掌握藥物制備的能力，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

五、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力

藥物開發(fā)過程中的藥物人工篩選存在前期經(jīng)費(fèi)投入大及鑒定周期長等弊端，開設(shè)藥物篩選學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本上不可能，隨著基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，各種疾病的發(fā)病機(jī)理和分子機(jī)制研究越來越透徹，對(duì)于疾病中的關(guān)鍵調(diào)控因子（如激酶）的研究也越來越透徹，用計(jì)算機(jī)模擬的方法設(shè)計(jì)或者篩選出具有潛在結(jié)合功能的藥物，并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，得到候選藥物。中心建設(shè)的藥物分子虛擬篩選模塊轉(zhuǎn)化成供學(xué)生操作實(shí)訓(xùn)的虛擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以開展的藥物篩選的操作實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

六、實(shí)驗(yàn)自測與考核評(píng)價(jià)

多數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K均有仿真考試模塊，學(xué)生可以開展虛擬仿真進(jìn)行自我測試，提交答案后系統(tǒng)對(duì)學(xué)生作答進(jìn)行自動(dòng)評(píng)閱、正誤判斷、給出得分及正確率，教師還可以對(duì)系統(tǒng)評(píng)閱進(jìn)行糾誤，在說明理由后可以重新給分，系統(tǒng)給出學(xué)生的最終成績，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)技能操作的仿真考核，便于教師直觀、省時(shí)、高效率的觀察到學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果[4]。

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