虛擬化模式在藥學(xué)實驗教學(xué)中的運用研究

●宋春香 任恒鑫 吳莉莉 張舒婷 孫長海

高校藥學(xué)專業(yè)的實驗教學(xué)，是培養(yǎng)藥學(xué)專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，也是造就高素質(zhì)藥學(xué)人才不可或缺的重要組成部分。近年來，多媒體和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，在高等教育實驗教學(xué)領(lǐng)域也相應(yīng)的產(chǎn)生了一些新型的實驗教學(xué)方法和模式，其中開放式實驗教學(xué)是重點探討和研究的實驗教學(xué)方式，而虛擬化仿真模式作為開放式實驗教學(xué)的形式之一，在實驗教學(xué)中越來越受到高校的青睞。虛擬仿真實驗教學(xué)是一種新式的、新觀念的實驗教學(xué)手段，它是借助日臻完善的多媒體技術(shù)、蓬勃發(fā)展的仿真及虛擬技術(shù)在計算機上制作相應(yīng)的實驗?zāi)M程序，使得傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)能部分或全部以仿真畫面的方式呈現(xiàn)，虛擬實驗的設(shè)計、制作以及可實施必須在建立完善的虛擬實驗室基礎(chǔ)上才能完成，而虛擬實驗室這一說法是由美國的威廉·沃爾夫教授首先提出來的，它設(shè)計了一個計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬實驗室環(huán)境，其設(shè)計與運用有助于實驗教學(xué)創(chuàng)新和發(fā)展。在這個虛擬環(huán)境里，用戶可以虛擬動手操作實驗，這有助于提高實驗操作能力、設(shè)計優(yōu)化實驗?zāi)芰驮鰪妱?chuàng)新意識。日前，教育部批準了三批共300 個國家級虛擬仿真教學(xué)實驗中心，涉及多個研究領(lǐng)域。在高校虛擬實驗室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識，經(jīng)過虛擬實驗的科學(xué)指導(dǎo)和學(xué)生的迅捷反饋，必將使實驗教學(xué)更加符合培養(yǎng)人才的要求。建立虛擬仿真實驗室是未來高校實驗教學(xué)的發(fā)展方向，能提高實驗教學(xué)的伸縮性和發(fā)展性。

把計算機虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于藥學(xué)實驗教學(xué)中，使藥學(xué)專業(yè)的主干課程（藥劑學(xué)、藥物分析學(xué)、藥理學(xué)等）實驗課程，更加生動形象，符合學(xué)生由抽象到具體，再由具體到抽象的認知過程，用虛擬現(xiàn)實場景把抽象的知識呈現(xiàn)出來，可以顯著增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)的科技含量，在教學(xué)效果方面將有質(zhì)的飛躍。

一、計算機虛擬仿真實驗的特性

（一）虛擬仿真性

在虛擬仿真實驗中，學(xué)習(xí)者感覺操作的設(shè)備就在眼前，觸手可得，但實際上它們并不存在，是虛擬的、仿真的，是對實物的模擬再現(xiàn)。實驗設(shè)備實現(xiàn)虛擬化，在很大程度上能減少實驗設(shè)備的投入和空間的占用，從而節(jié)約實驗耗材，改善實驗條件，同時達到很好的教學(xué)效果，這樣可以把節(jié)省的資源，投入到其他教學(xué)環(huán)節(jié)中，因此虛擬仿真實驗為培養(yǎng)高質(zhì)量的藥學(xué)專業(yè)人才提供條件和技術(shù)支撐。

（二）實踐操作性

虛擬實驗教學(xué)，在學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用，具體體現(xiàn)在對新知識的認知與掌握、對原有知識結(jié)構(gòu)的完善、對動手實踐能力的提高等方面。虛擬仿真實驗中的儀器、設(shè)備均是按照其原型進行設(shè)計，實驗程序的設(shè)定和操作規(guī)則也與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相同，無論是虛擬的還是現(xiàn)實的實驗教學(xué)，都是在理論教學(xué)指導(dǎo)下開展實施。因此虛擬實驗和現(xiàn)實實驗的組成要素是一致的，學(xué)生利用虛擬實驗雖然不能獲得直接經(jīng)驗，但是能提高他們對相關(guān)領(lǐng)域的認知，并通過虛擬實驗來改進實踐活動中的操作或規(guī)范操作，同時虛擬實驗也給學(xué)生們提供重要的實踐環(huán)節(jié)。

（三）靈活多樣性

在現(xiàn)實教學(xué)中，教師通過在實驗室演示或?qū)W生自己動手來完成實驗教學(xué)，而在虛擬實驗中，教師的實驗教學(xué)主要通過計算機軟件來實現(xiàn)的，在一定程度上也可以彌補因為一些不可抗拒的原因?qū)е碌默F(xiàn)實實驗課程沒法開展的缺陷。另外，考慮到學(xué)生客觀存在的水平差異性，所提供的虛擬實驗應(yīng)該滿足各個層次學(xué)習(xí)者的要求。當虛擬實驗?zāi)軡M足針對性實驗要求，并能同時滿足不同層次學(xué)生的需求時，虛擬實驗的優(yōu)勢才能得以充分地體現(xiàn)，才更有吸引力，更彰顯其生命力。

在虛擬實驗教學(xué)過程中，學(xué)生可以很方便地改變實驗條件，并觀察改變條件后所產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象，這有利于學(xué)生獲得豐富的感性認識，較好地掌握實驗原理及步驟，并大大激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，有助于學(xué)生根據(jù)自己改變的實驗條件來假設(shè)分析實驗數(shù)據(jù)。靈活的實驗過程使得學(xué)生能快速地融入到實驗過程的學(xué)習(xí)中，不僅能得出實驗結(jié)果，而且能體驗設(shè)計實驗的樂趣，從而增強學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的興趣。

二、虛擬實驗教學(xué)模式在藥學(xué)尤其是藥物分析實驗教學(xué)方面的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）虛擬仿真實驗有教學(xué)成本低、污染少的優(yōu)勢

在藥學(xué)實驗教學(xué)中，特別是藥物分析實驗教學(xué)，許多大型昂貴的實驗器材，比如高效液相色譜儀、氣相色譜儀、液質(zhì)聯(lián)用、氣質(zhì)聯(lián)用等儀器，由于受各種條件的限制而無法普及應(yīng)用，還有些因各種原因無法開設(shè)的實驗等，可以利用虛擬仿真技術(shù)，在計算機上建立虛擬實驗室，學(xué)生們便可以身臨其境的操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以及時反饋給學(xué)生，這種實驗既不產(chǎn)生“三廢”，也不消耗器材，還不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至實驗操作熟練并得出滿意結(jié)果。改變了傳統(tǒng)演示實驗的教學(xué)方式和手段，有效地協(xié)調(diào)并解決了實驗條件與實驗效果之間的矛盾。

藥學(xué)專業(yè)各學(xué)科試驗中不可避免地要消耗大量的藥品和水資源，實驗過程中還會產(chǎn)生“三廢”，既污染環(huán)境又影響實驗效果，既不利于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，也不利于環(huán)境保護。而虛擬實驗教學(xué)可以避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，既能滿足教學(xué)要求，又能提高辦學(xué)效益，減少實驗耗損。

（二）實驗過程有形象直觀，便于知識的傳授與理解的優(yōu)勢

虛擬實驗室可以模擬出實驗的各個環(huán)節(jié)，甚至將微觀的環(huán)節(jié)也能呈現(xiàn)出來，多媒體動畫等方式可以把不明顯的實驗現(xiàn)象逼真地表現(xiàn)出來，很直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，有助于教師新知識的講授，有利于學(xué)生對新知識的消化和理解，不僅達到實驗教學(xué)的預(yù)期效果，還能進一步提高教學(xué)質(zhì)量。

（三）傳統(tǒng)實驗室不能很好完成的實驗，虛擬實驗室有替代的優(yōu)勢

教師通過虛擬實驗室來輔助完成課堂實驗演示：比如較復(fù)雜的實驗（體內(nèi)藥物分析）、具有危險性的實驗（毒品分析）、具有極端破壞性實驗（氧瓶燃燒法處理有機氟化藥物）、反應(yīng)周期過長的實驗（藥物合成）、控制反應(yīng)過程較困難的實驗（磺胺醋酰鈉的制備），通過虛擬實驗室，這些實驗就可以安全地進行，并直觀地展示出來。

（四）有增強課堂趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的優(yōu)勢

虛擬實驗通過音頻、視頻、圖像、動畫等多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、信息技術(shù)等構(gòu)建了一種高度模擬現(xiàn)實的仿真實驗教學(xué)模式，使學(xué)生們有身臨其境般的體驗，不僅實現(xiàn)了實時互動的實驗教學(xué)，而且能最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，有助于發(fā)展學(xué)生的擴散思維，具有別具匠心的實驗教學(xué)作用。

（五）藥學(xué)實驗室實驗教學(xué)平臺的設(shè)計內(nèi)容

構(gòu)建藥學(xué)虛擬實驗室教學(xué)平臺，是虛擬仿真實驗是否能達到預(yù)期教學(xué)效果的基礎(chǔ)，平臺建設(shè)內(nèi)容包括：文字材料、實驗視頻、虛擬實驗三方面，下面以藥物分析實驗——葡萄糖一般雜質(zhì)檢查實驗為例進行闡述。

1. 文字材料。本文所構(gòu)建的虛擬實驗平臺的文字材料與現(xiàn)實實驗的內(nèi)容相一致，具體有：實驗教學(xué)方案的設(shè)計，包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗方法及步驟；實驗儀器（比色管）使用方法、注意事項及思考題。

2.實驗視頻。視頻內(nèi)容主要是教師的講解與示范，指出基本操作的注意事項（比色管的配對使用、比色及比濁方法、結(jié)論的正確敘述等），同時提供給學(xué)生正確的實驗操作過程，使學(xué)生對于葡萄糖一般雜質(zhì)檢查實驗的基本操作有感性的認識，為模擬實驗的開展奠定基礎(chǔ)。

3.虛擬實驗。虛擬仿真實驗以多媒體動畫為主，包括葡萄糖供試品溶液配制的虛擬實驗、比色管使用操作和葡萄糖中氯化物、硫化物等一般雜質(zhì)檢查實驗的實驗步驟，通過動畫的形式演示比色管正確使用的基本操作過程及要點，進一步規(guī)范學(xué)生的實驗操作技能，提高學(xué)生的實驗動手能力，經(jīng)過虛擬仿真實驗的多次反復(fù)的訓(xùn)練，學(xué)生能進一步加深對實驗原理的深刻認識，強化理論聯(lián)系實際的動手能力。由此可見，虛擬實驗不僅是現(xiàn)實實驗的有力補充，同時更加能強化學(xué)生們自主學(xué)習(xí)能力，增強學(xué)生學(xué)習(xí)藥物分析課程的興趣，為培養(yǎng)專業(yè)的藥品檢驗人員提供平臺。

（六）藥物分析實驗課程虛擬化的評價

學(xué)生通過分析虛擬實驗的訓(xùn)練，可以描述自己參與虛擬實驗的感覺和反應(yīng)，以此來判斷基本原理、基本操作等掌握的情況，分析問題和解決問題的能力是否提高，從而能意識到自己在本次實驗中存在的問題和不足，并能積極尋求新的解決問題的方法，教師根據(jù)學(xué)生的知識掌握、能力提升等方面，綜合分析學(xué)生是否通過實驗達到基本的教學(xué)目標，比如葡萄糖一般雜質(zhì)檢查的原理、實驗的基本步驟、比色管的操作及注意事項等等，檢驗教學(xué)目標的合理性、實驗知識建構(gòu)的完整性、實驗技能的準確性等。

三、虛擬實驗教學(xué)流程

虛擬實驗教學(xué)流程如下圖所示，重點強調(diào)的是學(xué)生的“學(xué)”或者說自學(xué)能力，而不是老師的“教”，學(xué)生可以通過虛擬仿真軟件主動學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力、利用學(xué)生掌握信息資源能力，表面上看教師講課的工作量減輕了，但引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、回答學(xué)生咨詢、控制教學(xué)質(zhì)量、反饋處理等工作和責任相應(yīng)增加，實際上，老師的工作量不減反增?？傊?，與真實實驗課堂一樣，需要教師和學(xué)生共同配合才能達到較好的教學(xué)效果。

虛擬實驗教學(xué)的流程

總之，隨著互聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，線上理論教學(xué)已經(jīng)摩拳擦掌，虛擬實驗教學(xué)也必將日益得到廣泛關(guān)注和發(fā)展，虛擬環(huán)境的實驗教學(xué)比現(xiàn)實的實驗教學(xué)有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在方便靈活、形象逼真、實時交互的仿真實驗環(huán)境，既能發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，又能在較短時間內(nèi)讓知識信息大量呈現(xiàn)在學(xué)生面前，可以大幅度的提高教學(xué)效率，使教學(xué)相長。實驗教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的巧妙應(yīng)用，為教師改進教學(xué)方法，完善教學(xué)手段提供了很好的前提條件，同時因為虛擬仿真實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，又有著很好的安全性和可重復(fù)操作性，可以培養(yǎng)學(xué)生在操作過程中敢于動手實踐的能力。因此虛擬藥學(xué)實驗的開設(shè)，可以鍛煉學(xué)生綜合實驗的操作技能，糾正學(xué)生實驗操作的規(guī)范性，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的綜合能力，進而提高教學(xué)質(zhì)量，深化教學(xué)改革，為培養(yǎng)高素質(zhì)、能力強的藥學(xué)專業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用型人才提供支持。