基于虛擬實驗平臺的天然藥物化學教學模式探討

何秋伶 徐濤 盛清 梁宗鎖 王森

摘要：天然藥物化學作為生物制藥專業(yè)的主干課程之一，其實驗教學是其中重要的組成部分。通過實驗教學能加深學生對理論知識的理解，滿足藥學人才培養(yǎng)要求。我們探討了在天然藥物化學實驗教學中，通過構(gòu)建虛擬仿真教學平臺，模擬和再現(xiàn)真實實驗環(huán)境，運用虛實相結(jié)合的實驗教學模式，以期能提高實驗教學質(zhì)量。實體實驗教學和虛擬實驗教學互為補充，豐富了教學內(nèi)容，提高了教學效率，對培養(yǎng)高素質(zhì)的藥學人才具有積極的作用。

關鍵詞：天然藥物化學；虛擬仿真實驗；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0273-04

虛擬仿真技術是一種由計算機技術輔助形成的高技術模擬系統(tǒng)，它綜合了傳感技術、顯示技術、計算機圖形及仿真技術等最新技術成果[1，2]。虛擬仿真技術作為信息技術，由于其職業(yè)性與情境性、典型性、過程性、交互性與智能型、趣味性等特征在實驗教學中的應用也越來越廣泛，涉及到多個專業(yè)和學科，國內(nèi)外很多的高校、科研院所以及遠程教育機構(gòu)都積極地投入虛擬實驗平臺的構(gòu)建[3]。日前，教育部批準了三批共300個國家級虛擬仿真教學實驗中心，涉及多個研究領域，如清華大學的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學中心，浙江大學醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心以及中國藥科大學的藥學虛擬仿真實驗教學中心等。[1，4]

天然藥物化學是以天然藥物中化學成分為主要對象，運用現(xiàn)代科學理論與手段對其進行提取、分離、鑒定的一門學科[5-8]。隨著國務院關于推進我國中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展的綱領性文件《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016-2030年）》的提出，國家加快了中醫(yī)藥現(xiàn)代化的步伐，天然藥物化學教學的重要性與日俱增[9]。為適應這一發(fā)展的需要，許多高等院校制藥學、藥物制劑等專業(yè)在本科生階段開設了天然藥物化學課程，以培養(yǎng)越來越多的研究工作者投入天然藥物研究。我校對四年制生物制藥專業(yè)開設了天然藥物化學課程，其中實驗課程占了較大比例。由于天然藥物化學的教學內(nèi)容涉及到多個學科知識如藥用植物學、藥理學、生藥學等的交叉，同時在技術上還包含了多種技能的相互滲透，兼有理論性與實踐性的特點[5，9，10，11]。實驗課程也是鍛煉提高學生動手能力、培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W邏輯能力以及創(chuàng)新意識的重要途徑[12，13]。針對近年來不斷蓬勃發(fā)展的天然藥物化學領域涌現(xiàn)出的新技術、新方法，如何使學生在有限的學時內(nèi)和實驗條件下既掌握基礎又接觸前沿，是天然藥物化學教學面臨的重要問題。用虛擬仿真系統(tǒng)進行天然藥物化學實驗教學，是對生物制藥專業(yè)課程教學的有力補充。

一、天然藥物化學實驗教學需要虛擬現(xiàn)實技術的支持

（一）傳統(tǒng)教學手段的不足

目前，天然藥物化學實驗教學大多采用傳統(tǒng)的化學類實驗教學課程的授課方式，在教學手段方面存在有比較多的問題[14]。而這些問題在一定程度上制約了實驗教學在應用類專業(yè)課程教學中的應用與發(fā)展[15]。

教學成本在傳統(tǒng)實驗教學中占有較大的比重，但由于資金和場地的限制，學校只能引進部分相關實驗設備，這就造成了數(shù)量不足的實驗儀器與滿足大多數(shù)學生操作需求的矛盾。同時，大型儀器設備維護成本高，實驗教學中容易發(fā)生損壞，加速了儀器設備的報廢，使得教學成本增加[16]。另一方面，天然藥物化學實驗教學過程中涉及的實驗方法主要包括天然藥物的提取分離、有效成分的結(jié)構(gòu)鑒定等，這些過程中需要用到大量的天然原料、輔料及標準品，而且天然藥物化學實驗內(nèi)容具有較強的連貫性，中間任何一個操作環(huán)節(jié)的失誤都有可能造成整個實驗的失敗[17]。因此，在實驗教學操作過程中難免會產(chǎn)生大量不符合要求的失敗品，對這些廢品的處理大多采用丟棄或銷毀的方式，從而導致大量教學資源的浪費[16]。而在傳統(tǒng)的藥物化學實驗教學過程中還存在一些安全隱患[18]。其一是實驗過程中需要運用到大量的化學試劑，普通的本科教學實驗室安全設施及環(huán)境比較簡陋，會對學生的身體健康存在不利的影響，而從事實驗教學的人員長期工作于這種環(huán)境，對身體更易造成傷害。其二，實驗過程中有時還需要用到大型實驗設備涉及高壓、高溫等環(huán)境，這些操作都具有很大的安全隱患[19]。

在實驗教學的授課方式上，傳統(tǒng)的教學方式普遍采用講授法。首先，針對特定實驗，會先分析實驗原理，再講解實驗步驟，最后進行示范性操作，同時強調(diào)實驗過程中需要注意的事項，整個過程占用了大量的實驗課程時間，對學生的學習興趣帶來了消極的影響。另外，有部分學生課前不預習，課堂上學生自行練習時間有限，往往也不能保證實驗的連貫性；而且學生在實驗過程中，有時會因為種種原因而失敗，受時間的限制，不可能重做，這就造成了部分學生實驗課后不思考不總結(jié)，甚至相互抄襲實驗報告的現(xiàn)象，進而對相關理論知識的認識和理解造成極大的影響。

（二）虛擬現(xiàn)實技術在天然藥物化學教學中的優(yōu)勢

構(gòu)建虛擬實驗平臺，其使用的教學手段要比傳統(tǒng)教學中使用的文字、模型更形象、生動和完整[16]。同時，它使得學習知識的過程變得多樣化。一方面，虛擬儀器可以安全方便地讓學生拆卸、組裝；另一方面，教學人員也可以根據(jù)不同步驟逐次展示實驗的原理和工作方式。在整個實驗過程中，學生的親身體驗使得對相關知識的理解更為深刻，有利于學生消化和運用知識。再則，在這種主動交互的教學過程中，學生的能動性得到了有效提高，大大增加了學生學習的信心和動力，使他們更容易地投入到學習環(huán)境中去，同時還有利于培養(yǎng)學生自主探索的能力和創(chuàng)新能力，以及在實驗過程中的交流與合作能力。

在教育成本方面，虛擬仿真實驗既不消耗實驗耗材，也不損壞實驗設備，同時還避免使用大量危險化學試劑。整個教學過程節(jié)約了教學經(jīng)費，又減少了對環(huán)境的污染。在虛擬實驗環(huán)境中，學生還可以放心地去操作各種在現(xiàn)實實驗條件下有危險的或危害人體健康的實驗，避免了各種危險[20]。

二、基于虛擬技術實施天然藥物化學實驗課程教學改革

（一）虛擬實驗平臺在天然藥物化學實驗教學程序設計中的運用

由于藥物化學實驗課程內(nèi)容具有邏輯性強、連貫性強的特殊性，天然藥物化學實驗教學的程序設計需要突出制藥專業(yè)的特點，特別強調(diào)遵循教學內(nèi)容的邏輯性和學生的認知規(guī)律[21]。首先，突出制藥專業(yè)的特點，就是要盡可能多地創(chuàng)造實驗教學條件，讓學生更多地參與到實驗活動中去，培養(yǎng)學生的主動動手能力。在指導學生進行實驗時，要注重引導促進學生主動思維能力的培養(yǎng)，在教學過程設計中引導學生進行探究性的嘗試。同時，應合理運用“因材施教”的原則，即根據(jù)本學校和學生的實際情況，結(jié)合不同的教學內(nèi)容，選擇不同的實驗教學方法，來設計不同的教學程序[15]。隨著生物學、高分子合成分離技術及計算機技術在藥物化學研究領域的應用越來越廣泛，天然藥物化學對多種學科研究方法的應用程度也不斷加深[22]，例如超臨界流體萃取技術、智能多維純化系統(tǒng)AKTAxpress、多角度激光光散射儀與凝膠滲透色譜聯(lián)用技術等是非常有應用前景的提取、純化技術。但是由于教學經(jīng)費及實驗條件等原因的限制，不可能逐一開展相關的實驗，這時結(jié)合虛擬仿真實驗教學平臺對這部分的實驗進行講解和操作，則更有利于開拓學生視野，加深對前沿技術的了解。

（二）虛擬平臺下的天然藥物化學實驗教學策略

1.豐富的教學材料。向?qū)W生介紹天然藥物化學學科研究成果的研究背景及歷史，有助于學生頭腦中形成完整的科研思路，建立學生對于天然藥物化學研究的總體認識。同時，可以結(jié)合虛擬仿真平臺，將科學研究實例生動地在虛擬環(huán)境中進行展現(xiàn)，了解本學科研究領域優(yōu)秀成果的發(fā)現(xiàn)過程，從而引導學生的探究興趣，激發(fā)內(nèi)在的學習動力。例如以獲得諾貝爾醫(yī)學獎的屠呦呦研究團隊為實例，介紹科研人員如何通過大量的調(diào)查研究，從歷史醫(yī)著文獻《肘后備急方》中尋找到有價值的研究線索，然后以提取、分離等手段從青蒿中分離出抗瘧成分青蒿素的研究過程，從而延伸到天然藥物化學實驗中如何確定天然藥物有效部位的方法、如何設計合理的技術流程進行效成分的分離和研究。同時，結(jié)合虛擬仿真平臺進行演示，使學生熟悉從天然藥物中尋找、開發(fā)新藥的過程，引發(fā)學生的好奇心，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科研意識。

2.基于虛擬仿真平臺的實驗操作。由于大多數(shù)實驗學生都是首次接觸，因此在進行實驗的時候難免會出現(xiàn)錯誤，這就需要一定時間的練習來降低錯誤率?？梢圆捎靡韵聨追N形式：第一是單個環(huán)節(jié)的練習。天然藥物化學實驗一般具有連貫性，其中包含有多個環(huán)節(jié)。因此，可以在虛擬仿真操作練習中針對某一重要環(huán)節(jié)進行練習，使學生能夠更熟練地掌握該環(huán)節(jié)的知識點和操作要點。該操作練習的優(yōu)點是能突出重點、有明確的目標導向，有利于熟練掌握運用重要的知識點。如“大黃中蒽醌類成分的提取、分離和鑒定”虛擬實驗中，學生先對其中的“柱層析分離”進行操作練習，實驗中學生可以體驗不同pH值、溶劑配比的三維模型對實驗結(jié)果的影響，讓學生對摸索實驗條件的重要性有著更直觀的認識。第二是多流程練習，即把多個知識點和多個流程串聯(lián)在一起，利用虛擬實驗平臺進行練習。不僅有利于學生對整體實驗流程的掌握，也有利于提高學生綜合運用多個知識點甚至交叉學科知識來解決問題的能力。如利用虛擬仿真平臺對“氧化苦參堿的提取分離和鑒定”虛擬實驗中，我們可以結(jié)合實驗條件參數(shù)模塊來確定實驗最佳方案，同時可以使用“HPLC組件及系統(tǒng)”虛擬模塊進行樣品分析和數(shù)據(jù)采集，來了解高壓液相色譜等分析儀器在使用中需要注意的要點，結(jié)合基于虛擬平臺的實際操作加深對實驗原理的進一步認識，鍛煉和提高實驗基本操作的能力。這種方法不僅可以綜合檢驗學生將理論知識應用于實驗操作的能力，也是培養(yǎng)學生綜合應用能力的重要途徑之一。第三是比較練習。這種方法可以通過對比的方式強化知識點之間的聯(lián)系與區(qū)別。如不同提取方式對提取效率的影響，各自的優(yōu)缺點等，更有利于知識點的運用。

（三）改革考核制度、重視綜合能力的考察

針對天然藥物化學實驗課的特點，應該注重理論與實驗相結(jié)合，重點針對學生綜合實驗能力的考核[14]。因此，在考核方式上，要把重點放在實驗報告的撰寫、實驗理論的運用和實驗操作能力的正確規(guī)范上。采用平時成績（20%）、實驗操作技能（25%）、實驗設計（25%）及最終實驗報告（30%）的模式，這種考核制度，不僅能夠綜合反映學生的治學態(tài)度、理論知識的掌握程度以及實驗技能的運用能力，也符合天然藥物化學實驗教學注重實際操作能力培養(yǎng)的特點，增強了學生學習的能動性，發(fā)展了自主探索的能力。

三、結(jié)論和展望

通過天然藥物化學“虛實結(jié)合”的實驗教學方式，既可以充分發(fā)揮虛擬仿真實驗技術的優(yōu)勢，在一定程度上解決當前藥物類化學實驗教學過程中存在的一些困難和問題，也能通過形象生動的實驗手段提高學生的學習興趣，增強學生自主學習的能力，優(yōu)化實驗教學過程，提高實驗教學水平，共同完成目前天然藥物化學的實驗要求。

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