虛擬仿真技術(shù)在藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

李福榮，李炳龍，王 蕾，管西棟

（山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）藥學(xué)院，山東 泰安 271000）

新時(shí)代對(duì)高校人才培養(yǎng)提出了更高要求[1]。培養(yǎng)動(dòng)手與創(chuàng)新能力強(qiáng)、科研素養(yǎng)高、專(zhuān)業(yè)技能扎實(shí)、職業(yè)道德良好的新型藥學(xué)專(zhuān)業(yè)人才，滿(mǎn)足科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥企業(yè)需求是藥學(xué)類(lèi)高校面臨的新挑戰(zhàn)[2-3]。藥物化學(xué)是一門(mén)發(fā)現(xiàn)與發(fā)明新藥、合成化學(xué)藥物、闡明藥物化學(xué)性質(zhì)、研究藥物分子與機(jī)體細(xì)胞（生物大分子）之間作用規(guī)律的綜合性學(xué)科。實(shí)驗(yàn)是藥物化學(xué)的重要組成部分，它將藥學(xué)和化學(xué)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)具有重要作用，為以后學(xué)生在科研院所、醫(yī)藥企業(yè)工作奠定基礎(chǔ)[4-5]。

創(chuàng)新能力、科研思維的培養(yǎng)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程[5-6]。本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、教師講解、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告幾個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)包括投料、實(shí)驗(yàn)跟蹤、實(shí)驗(yàn)后處理幾個(gè)步驟。由于時(shí)間關(guān)系，實(shí)驗(yàn)跟蹤中TLC檢測(cè)、液相檢測(cè)等經(jīng)常一帶而過(guò)。從科研思維培養(yǎng)角度來(lái)看，本科實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是不完整的，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確認(rèn)—產(chǎn)品純度分析（熔點(diǎn)測(cè)定、HPLC）—工藝優(yōu)化—中試放大—車(chē)間生產(chǎn)—自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)很少涉及。這一過(guò)程完整展現(xiàn)了藥物研發(fā)、分析、生產(chǎn)過(guò)程，包括從實(shí)驗(yàn)室小試研發(fā)到中試放大、車(chē)間生產(chǎn)，最后到實(shí)驗(yàn)室研發(fā)。完整的培訓(xùn)有利于增強(qiáng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題能力，提高科研素養(yǎng)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力，更好地滿(mǎn)足醫(yī)藥研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

傳統(tǒng)藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，如葡萄糖酸鋅、阿司匹林、撲熱息痛、苯唑卡因等的合成[7-8]，這些實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、方法成熟，有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力。其教學(xué)模式為教師講授、示教，學(xué)生重復(fù)驗(yàn)證，缺乏積極性和主動(dòng)性，不利于科研思維培養(yǎng)。人們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行了許多有益探索，如把驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等[9-10]，但是，受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等限制，藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能進(jìn)行從投料到后處理部分的操作，舍棄了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確認(rèn)、純度分析等內(nèi)容，學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力得不到鍛煉，對(duì)于醫(yī)藥研發(fā)企業(yè)急需的工藝研究、中試放大等實(shí)驗(yàn)技能更是無(wú)法展開(kāi)培訓(xùn)，很難滿(mǎn)足醫(yī)藥企業(yè)人才需求。此外，思想道德教育與藥物化學(xué)職業(yè)道德教育也沒(méi)有結(jié)合起來(lái)。因此，改革藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將新思想、新技術(shù)和新內(nèi)容融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，為今后藥物化學(xué)教學(xué)改革提供新的方向。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，極大地拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，豐富了教學(xué)模式，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足[11]。特別是情景式虛擬教學(xué)方法，使學(xué)生身臨其境地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，教學(xué)效果好于教師單純說(shuō)教。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，彌補(bǔ)教學(xué)中設(shè)備、學(xué)時(shí)等的不足，線(xiàn)上和線(xiàn)下教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力，不僅有助于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)走出困境，也對(duì)促進(jìn)藥學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有一定的積極作用。

1 傳統(tǒng)藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 教學(xué)模式單一

目前的藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性，所選項(xiàng)目多為經(jīng)典藥物的合成，操作簡(jiǎn)單。教師講解實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，示范儀器使用方法，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)課本和教師的講解在有限的時(shí)間內(nèi)按部就班地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏思考，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力得不到提升，創(chuàng)新思維和科研意識(shí)得不到培養(yǎng)。

1.2 學(xué)時(shí)有限，部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展

藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)一般為30～50學(xué)時(shí)，由于時(shí)間有限部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。教師講解后，學(xué)生要完成儀器組裝、稱(chēng)量樣品、投料、后處理等一系列操作，導(dǎo)致時(shí)間非常緊張。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往規(guī)定反應(yīng)時(shí)間，到時(shí)間后，結(jié)束反應(yīng)進(jìn)行后處理，缺乏反應(yīng)跟蹤，不能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程，學(xué)生無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，培訓(xùn)過(guò)程不完整

正常的科研流程中，得到產(chǎn)品后結(jié)構(gòu)確認(rèn)是非常重要的一環(huán)，也是藥學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的基本技能，常用儀器有核磁共振儀、高分辨質(zhì)譜儀。由于這些儀器價(jià)格昂貴，使用成本高，因此相關(guān)實(shí)驗(yàn)無(wú)法普及。教師只在理論課上進(jìn)行講解，學(xué)生無(wú)法親身實(shí)踐，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析缺乏認(rèn)知，相關(guān)知識(shí)匱乏。

1.4 缺乏實(shí)踐，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

新時(shí)代對(duì)高校提出了新的要求。學(xué)校教學(xué)大綱的制定落后于行業(yè)發(fā)展，教學(xué)缺少到工廠(chǎng)實(shí)踐的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致人才培養(yǎng)質(zhì)量難以滿(mǎn)足藥企需求。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是比較成熟的實(shí)驗(yàn)的重復(fù)，學(xué)生對(duì)于如何得到成熟工藝缺少認(rèn)知。另外，藥品工業(yè)化生產(chǎn)需要在小試研究工藝成熟的情況下，于中試工廠(chǎng)或車(chē)間進(jìn)行中試研究，掌握規(guī)模擴(kuò)大過(guò)程中各化學(xué)反應(yīng)條件的變化規(guī)律，解決實(shí)驗(yàn)室研究中不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是實(shí)驗(yàn)室小試研究，學(xué)生缺乏相關(guān)技能，無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)需求。

1.5 重視專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，忽略思政教育

近年來(lái)，高校學(xué)生在社交平臺(tái)發(fā)布不當(dāng)言論的情況屢有發(fā)生，暴露出高校在思政教育方面存在缺陷。高校思政教育效果不佳，教育內(nèi)容抽象、方法單一，學(xué)生沒(méi)興趣、不愿學(xué)，參與度不高。將思政元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠很好地解決這一問(wèn)題?？梢栽趯W(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課的同時(shí)開(kāi)展思政教育，達(dá)到潤(rùn)物無(wú)聲的效果。然而，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以專(zhuān)業(yè)技能教授為主，思政教育略顯不足。

2 藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討

2.1 改革教學(xué)模式，虛實(shí)結(jié)合

改變傳統(tǒng)的教師灌輸式教學(xué)、學(xué)生機(jī)械性重復(fù)的教學(xué)模式，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念，采用基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開(kāi)放式教學(xué)，引入虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)真人模擬、人機(jī)交互，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)考核等模塊。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊類(lèi)似實(shí)驗(yàn)教材，有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)演示模塊為全過(guò)程規(guī)范操作的錄像，便于學(xué)生快速了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)操作模塊模擬具體實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，在文字、聲音和高亮提示幫助下，人機(jī)交互，模擬操作實(shí)驗(yàn)。

2.2 改革教學(xué)內(nèi)容，線(xiàn)上線(xiàn)下相結(jié)合

改革教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目精簡(jiǎn)合并，結(jié)合虛擬教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)中合成、跟蹤、熔點(diǎn)測(cè)定、工藝研發(fā)部分，通過(guò)線(xiàn)下教學(xué)完成。教師提前布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)、查閱文獻(xiàn)、看演示視頻，掌握相關(guān)知識(shí)。教師上課時(shí)提問(wèn)，然后講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)跟蹤部分，分組討論，以TLC和液相色譜為主。工藝研發(fā)部分需要集體合作，將全班分成幾個(gè)組，每組在不同條件下實(shí)驗(yàn)，最后匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全班進(jìn)行討論。

2.3 采用虛擬仿真技術(shù)模擬，克服設(shè)備缺陷

結(jié)構(gòu)鑒定部分需要用到的大型儀器價(jià)格昂貴，而且還受到儀器數(shù)量和教學(xué)學(xué)時(shí)限制，導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。此類(lèi)儀器操作自動(dòng)化程度較高、內(nèi)部器件大多被封閉，學(xué)生不能在短時(shí)間內(nèi)熟練操作儀器、理解工作原理。構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)儀器教學(xué)環(huán)境，學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)（包括樣品前處理、儀器參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試過(guò)程的操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)分析等），既能對(duì)這些大型儀器的工作原理及操作方法有一個(gè)基本了解，又能掌握化合物結(jié)構(gòu)分析操作。

2.4 設(shè)計(jì)虛擬中試工藝，補(bǔ)齊工廠(chǎng)實(shí)踐短板

實(shí)驗(yàn)室小試研究與中試放大、車(chē)間生產(chǎn)既相互聯(lián)系又有很大區(qū)別。中試放大的目的是為擴(kuò)大生產(chǎn)提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)工藝進(jìn)行修正，對(duì)不適合工業(yè)化的部分進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出適合生產(chǎn)的工藝，此過(guò)程需在中試車(chē)間進(jìn)行。由于試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備和安全性等條件的限制，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法開(kāi)展。采用虛擬仿真技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程，模擬中試車(chē)間操作流程，按照實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程創(chuàng)建教學(xué)情景，其中工藝路線(xiàn)和單元反應(yīng)操作方法的最終確定、設(shè)備材質(zhì)和型號(hào)的選擇、工藝流程和操作方法的確定、物料衡算等步驟和實(shí)際生產(chǎn)流程吻合，使學(xué)生對(duì)車(chē)間操作規(guī)程有基本的了解，掌握中試放大技巧，提高實(shí)踐能力。

2.5 加強(qiáng)思政引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生家國(guó)情懷和科研素養(yǎng)

堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為教育的根本任務(wù)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程。在藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，把教學(xué)和思政元素糅合在一起，做到潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲。利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提倡科研誠(chéng)信；工藝優(yōu)化環(huán)節(jié)，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，通過(guò)對(duì)工藝條件的討論，增強(qiáng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源意識(shí)；中試放大過(guò)程中，要求學(xué)生如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科研作風(fēng)，愛(ài)崗敬業(yè)、誠(chéng)實(shí)守信的職業(yè)精神。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科研思維培養(yǎng)過(guò)程是不完整的，學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力欠缺，無(wú)法滿(mǎn)足新時(shí)代科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥企業(yè)對(duì)人才的需求。虛擬仿真技術(shù)由于自由度高、交互性強(qiáng)、趣味性好、仿真度高等特征被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)科和專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入虛擬仿真技術(shù)，虛實(shí)結(jié)合，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，線(xiàn)上和線(xiàn)下相結(jié)合，在教學(xué)中融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、科研素養(yǎng)、實(shí)踐能力，滿(mǎn)足新時(shí)代人才培養(yǎng)需求。

筆者對(duì)藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，并在超星泛雅平臺(tái)建成網(wǎng)絡(luò)課程，實(shí)驗(yàn)課前組織學(xué)生觀看演示視頻，進(jìn)行線(xiàn)上學(xué)習(xí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，書(shū)寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告。我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解比以前深刻，掌握實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間明顯縮短，動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)。目前，筆者正在積極進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，探索虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路。