藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

馬志國(guó)，徐 俊，王 峰，曹 暉，丁 克，李滿妹，譚秋彤，周光雄

（暨南大學(xué) 藥學(xué)院，廣東 廣州 510632）

藥學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是藥學(xué)人才培養(yǎng)中必不可少的環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是讓學(xué)生掌握必要的藥學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作技能，為相應(yīng)理論知識(shí)的掌握和藥學(xué)創(chuàng)新研究工作的開(kāi)展打下基礎(chǔ)。根據(jù)教育部有關(guān)文件[1-3]，借鑒其他藥學(xué)類(lèi)院校的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[4-5]，以培養(yǎng)藥學(xué)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，結(jié)合我校藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需要，在前期建設(shè)基礎(chǔ)上，藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)原有各學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行了整合，打破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科、課程限制，形成了基于藥學(xué)系統(tǒng)研究的整體教學(xué)體系，面向各學(xué)科學(xué)生提供了一個(gè)資源共享的平臺(tái)，2015年獲批為廣東省藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。在三年多的建設(shè)期中，以培養(yǎng)綜合創(chuàng)新性藥學(xué)人才為目標(biāo)，秉承“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的建設(shè)理念，將藥學(xué)類(lèi)基礎(chǔ)性、綜合創(chuàng)新性以及示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了藥學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)、人才培養(yǎng)、成果推廣等方面取得了明顯成效。

1 藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

近年來(lái)，各藥學(xué)類(lèi)院校在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等多方面加大了改革力度，取得了很多教學(xué)改革成果。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，由于多種客觀條件的限制，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了諸多困難。

（1）時(shí)間和空間的限制增大了系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)的難度。藥學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)具有相當(dāng)程度的連續(xù)性，尤其是血藥濃度測(cè)定、藥物合成、天然產(chǎn)物提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定、體內(nèi)/外抗腫瘤活性測(cè)定、藥物-靶蛋白相互作用分析等綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，需要較多的時(shí)間保證，使在單位時(shí)間連續(xù)完成實(shí)驗(yàn)的難度增大。

（2）實(shí)驗(yàn)的安全性風(fēng)險(xiǎn)限制了部分實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)設(shè)。受特殊條件限制，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)展受到制約。因藥學(xué)類(lèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)廣泛涉及有毒試劑、易燃易爆試劑、細(xì)胞、細(xì)菌、病毒，增加了實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的安全性風(fēng)險(xiǎn)，如果操作不當(dāng)將直接對(duì)人體產(chǎn)生不可估量的損傷，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)廢棄物回收與無(wú)害化處理也大大增加了教學(xué)成本，這些都限制了部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)展。

（3）教學(xué)成本與設(shè)備條件限制了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。藥學(xué)類(lèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)所涉及的部分耗材，如SPF級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)，其條件嚴(yán)格且數(shù)量有限，部分細(xì)胞、細(xì)菌株極其珍貴，試劑、藥品的消耗也不容小覷，這些因素限制了課程的開(kāi)設(shè)。對(duì)于一些綜合性實(shí)驗(yàn)，受設(shè)備臺(tái)套數(shù)的限制，無(wú)法使每個(gè)學(xué)生都動(dòng)手操作，學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與率大大降低。

2 開(kāi)設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，以便在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不具備或難以完成的條件下，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的教學(xué)方式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教育教學(xué)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，是教育信息化的重要組成部分[6]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作安全、高度開(kāi)放和資源共享等特點(diǎn)[7]，藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是藥學(xué)專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。作為傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充和延伸，藥學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，發(fā)散學(xué)生科學(xué)思維，增加學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，節(jié)約教學(xué)成本，是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的手段；符合藥學(xué)教育規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，能夠有效利用學(xué)生的課余時(shí)間，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和開(kāi)拓性，是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)，為高素質(zhì)應(yīng)用型藥學(xué)人才培養(yǎng)提供了保障。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多個(gè)藥學(xué)類(lèi)高校結(jié)合自身教學(xué)需要，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了藥劑學(xué)[8]、分析化學(xué)[9]、中藥化學(xué)[10]、中藥制劑分析[11]等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并在教學(xué)中得以應(yīng)用。

3 藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用

3.1 平臺(tái)構(gòu)建

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)突出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，加大了綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的比重，形成了藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。首先，將藥物化學(xué)、藥理學(xué)、藥劑學(xué)、藥物分析學(xué)、生藥學(xué)等藥學(xué)類(lèi)主干課程及中藥學(xué)、生物制藥學(xué)多年來(lái)積累的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有效整合。其次，逐步將一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬化，同時(shí)建設(shè)一系列限于時(shí)間、空間以及硬件條件無(wú)法實(shí)操的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。建成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組織框架

目前，平臺(tái)已建立有機(jī)化學(xué)與藥物化學(xué)、藥理學(xué)與分子生物學(xué)、藥用植物學(xué)與生藥學(xué)、藥劑學(xué)、藥物設(shè)計(jì)類(lèi)等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)虛擬仿真項(xiàng)目21項(xiàng)，建立藥學(xué)創(chuàng)新綜合大實(shí)驗(yàn)/新藥研發(fā)及生物活性測(cè)定類(lèi)綜合創(chuàng)新性虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目8項(xiàng)，建立示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包括“道地藥材廣地龍加工炮制的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”“重組SOD2蛋白中試規(guī)模制備的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”“珍稀藥材肉蓯蓉加工炮制的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”“珍稀藥材蘄蛇加工炮制的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”等4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外，還構(gòu)建了藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心虛擬可視化系統(tǒng)，可真實(shí)呈現(xiàn)藥學(xué)各學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的基本概況，通過(guò)不同功能模塊支撐學(xué)生自主學(xué)習(xí)。整合后的平臺(tái)資源優(yōu)化、功能集約、開(kāi)放、高效，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新活動(dòng)創(chuàng)造了條件，有效補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)操作技能的提升。

3.2 應(yīng)用與共享

在教學(xué)過(guò)程中，首先讓學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體和關(guān)鍵步驟建立初步認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)思考、消化再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，就會(huì)目的性更強(qiáng)、更有把握，能夠在很大程度上提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。針對(duì)那些由于條件限制現(xiàn)階段不宜開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有一定的替代作用，有興趣的學(xué)生能夠通過(guò)此平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，為將來(lái)進(jìn)一步的實(shí)踐和研究奠定基礎(chǔ)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，又是真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，是提升教學(xué)效果的有效途徑。

由于我校為僑校，學(xué)生為來(lái)自中國(guó)大陸、港澳臺(tái)及其他多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的華僑華人子弟，我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輻射的用戶群體非常豐富。該平臺(tái)除了對(duì)我校藥學(xué)、中藥學(xué)、生物制藥學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)放外，在相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科畢業(yè)專(zhuān)題實(shí)習(xí)、大學(xué)生創(chuàng)新工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施上也起到了積極作用。目前平臺(tái)注冊(cè)人數(shù)達(dá)到300余人，每月操作量平均為1400余人次。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的所有教學(xué)資源，還采用分布式網(wǎng)絡(luò)支撐平臺(tái)構(gòu)架，面向校內(nèi)外開(kāi)放共享，使平臺(tái)效益最大化。由于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)共享優(yōu)勢(shì)，本平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目受眾包括但不限于高等院校、醫(yī)院及科研機(jī)構(gòu)，具有良好的同行影響力和社會(huì)價(jià)值。

3.3 教學(xué)成果與示范推廣

本平臺(tái)已建設(shè)應(yīng)用的4項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，“道地藥材廣地龍加工炮制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”和“重組SOD2蛋白中試規(guī)模制備的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”分別獲得2017、2018年度教育部國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定，已在教育部網(wǎng)站（http://www.ilab-x.com/）面向全國(guó)開(kāi)放共享近兩年，我院也因此成為目前國(guó)內(nèi)藥學(xué)類(lèi)項(xiàng)目獲批數(shù)量最多的高校之一。其中，“道地藥材廣地龍加工炮制的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”截至2019年8月30日，累計(jì)瀏覽量4933人次，698人參與實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)學(xué)習(xí)并評(píng)分，平均得分4.9（滿分5分）；“重組SOD2蛋白中試規(guī)模制備的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”截至2019年8月30日，累計(jì)瀏覽量5089人次，258人參與實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)學(xué)習(xí)并評(píng)分，平均得分4.7（滿分5分）。

4 特色與創(chuàng)新

4.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

秉承“虛實(shí)結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新”理念，將原有各學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行整合，打破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科、課程限制，形成了基于藥學(xué)系統(tǒng)研究的整體教學(xué)體系，面向各學(xué)科學(xué)生提供了一個(gè)資源共享平臺(tái)。結(jié)合虛擬仿真項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，開(kāi)展具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值但限于種種條件而無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，支撐學(xué)生進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)，完善知識(shí)鏈系統(tǒng)。

4.2 信息化人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有良好的交互性、開(kāi)放性和共享性，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加了學(xué)生動(dòng)手虛擬操作的機(jī)會(huì)，節(jié)約了教學(xué)成本，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的手段，是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措，符合藥學(xué)教育規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，是高素質(zhì)創(chuàng)新型藥學(xué)人才培養(yǎng)的新模式。

4.3 藥學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)

藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)旨在培養(yǎng)符合社會(huì)需求的藥學(xué)創(chuàng)新人才，該平臺(tái)不但包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作項(xiàng)目，也將本院卓越的科研成果虛擬化，形成了綜合創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。該平臺(tái)將科研的理念、思維模式和具體的實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，提升本科生和研究生的科研能力，為培養(yǎng)綜合性藥學(xué)創(chuàng)新性人才發(fā)揮了積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有利于教育資源的共享與優(yōu)化，有利于教育信息化的推進(jìn)和教育質(zhì)量的提高。將信息化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，創(chuàng)建信息化人才培養(yǎng)模式，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。中心立足于藥學(xué)類(lèi)學(xué)科特色，堅(jiān)持利用自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)，搭建了以學(xué)生為主體的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為藥學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了豐富的教學(xué)資源。

藥學(xué)是一門(mén)不斷發(fā)展和更新的學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與操作是與時(shí)俱進(jìn)的，今后中心將結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新發(fā)展，堅(jiān)持“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，進(jìn)一步完善藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、豐富教學(xué)資源、優(yōu)化管理體系、加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，進(jìn)一步提高平臺(tái)信息化共享水平和服務(wù)水平，注重人才創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，使藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心更好地支撐我?！八帉W(xué)”雙一流學(xué)科建設(shè)。