藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺的構建與應用研究

卑占宇 郭小慧 何新蕾 于海英 周永輝 張 瑤

漯河醫學高等專科學校藥學系，河南漯河 462002

藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺的構建與應用研究

卑占宇 郭小慧 何新蕾 于海英 周永輝 張 瑤

漯河醫學高等?？茖W校藥學系，河南漯河 462002

結合高職高專藥學專業有機化學實驗特點，探討了構建有機化學虛擬實驗室教學平臺的必要性和可行性；探討了構建有機化學虛擬實驗室教學平臺的原則、思路、方法和內容；設計了有機化學虛擬實驗室網站操作界面的整體布局。實踐證明，通過進入有機化學虛擬實驗室的學習，提高了學生的學習興趣，培養了實驗動手能力和實踐能力，有力推動了有機化學實驗教學的改革和教學質量的提高。

高職院校；藥學專業；有機化學；虛擬實驗室

虛擬實驗室是一種基于Web技術、虛擬仿真技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化[1-2]。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。學生通過點擊具體實驗，可直觀了解該實驗的內容、過程及其相關有機化學基礎知識。虛擬實驗室是未來實驗室建設的發展方向。

1 虛擬實驗室的概念及其研究背景

虛擬實驗室的概念最早由美國弗吉尼亞大學（University of Virginia）的教授威廉·沃爾夫（William Wolf）于 1989 年首先提出的，它描述了計算機網絡化的虛擬實驗室環境，在這個環境里，用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數據、信息、儀器設備及人力等資源。

虛擬實驗室概念的提出至今僅十余年，但因其誘人的應用前景，各國均在大力開發，己經取得了一些進展[3]。目前，虛擬實驗室的建設在發達國家己十分普及。美國作為當今的科技強國，繼續保持其在該領域的領先地位。國外的一些大學己組建了遠程虛擬實驗室。德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化工作平臺；意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室；新加坡國立大學開發了遠程示波器實驗和壓力容器實驗。

在國內，虛擬實驗室的建設起步較晚，但也得到了應用上的重視。目前，已有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如：清華大學利用虛擬實驗儀器構建了汽車發動機檢測系統；華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示，供遠程教育使用；四川聯合大學基于虛擬儀器的設計思路，研制了航空電臺二線綜合測試儀，將八臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統；北方交通大學的網上電工電子教學實驗系統；中國農大的虛擬土壤-作物系統實驗室。復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校也開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研。這些嘗試為虛擬實驗室在教學中的應用提供了初步的經驗和可供參考的模式[4]。

本文結合藥學專業有機化學虛擬實驗室構建和河南省十二五規劃課題的實施，探索了構建有機化學虛擬實驗室的必要性和可能性、構建方法、實施措施以及實施效果，為虛擬實驗室在各學科實驗教學中的應用提供可借鑒的經驗[5]。

2 構建藥學專業有機化學虛擬實驗室的必要性和可能性

高等職業院校培養目標的突出特點就是其實踐性和技術性，培養技術型實用型人才，這是我們國家已經明確了的高職高專院校培養人才的方向。實驗或實訓是高等職業教育教學活動中最重要的教學環節，實驗或實訓對于培養學生的實際操作能力和解決實際問題的能力是至關重要的，學生的大部分實踐能力都是通過實驗或實訓課程得到的，學生只有通過足夠的實驗或實訓和實習，才能具備理解和掌握該專業的理論知識，才能獲得足夠的實踐技能和動手能力。但是，隨著學生數量和實驗或實訓任務量的不斷增大，實驗或實訓設備的數量已經遠遠不能滿足要求。虛擬實驗或實訓室是改變這一現狀最有效的途徑。

現代信息技術的飛速發展和校園網絡的建設使虛擬實驗或實訓室的構建成為可能，并賦予虛擬實驗或實訓室的智能化特征，無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗或實訓室，進行各種實驗或實訓練習。

有機化學實驗在藥學教育中占有非常重要的地位，它是對學生進行素質教育的一個重要環節。實驗教學不僅是傳授知識和教會操作，更重要的是傳授獲取知識的方法和思想，培養學生的創新意識和科學品質，使學生具有潛在的發展能力和基礎。虛擬實驗是實驗教學的一個必要的有益補充，既能節約大量的教學經費，也使實驗在時間和空間上得到有效的延伸。它在教育、科研等領域中具有廣闊的應用前景，是實驗教學的一個新的發展方向。因此，虛擬實驗室的構建具有重要的現實意義，是改善傳統實驗或實訓教學條件不足的一種良好手段和一大趨勢。

3 藥學專業有機化學虛擬實驗室的特點

虛擬實驗或實訓室具有傳統實驗或實訓室無法比擬的功能特點，資源共享性、交互性、開放性、先進性、安全性等特點決定了它在科研和教育教學中的美好應用前景[6]。

3.1 資源共享性

網絡技術的迅猛發展，校園網的建立，使教學信息資源共享成為可能。建立虛擬實驗或實訓室的目的之一就是為了資源共享。不管是教師還是學生，無論何時何地只要網絡存在，都可以通過輸入給定的密碼進入虛擬實驗或實訓室進行學習，不受時間地點條件的限制。

3.2 開放性

虛擬實驗或實訓室提供在線教學視頻、在線實驗動畫演示等全方位立體化學習模式，保證了教師和學生在任何時間、任何地點都能得到實時指導，從而更好地完成實驗實訓項目，也可以自由地進入或退出實驗系統，毫無限制地進行基本操作練習，儀器組裝等，實現實驗教學的開放性。

3.3 交互性

虛擬實驗或實訓室以現有校園網絡硬件設備為基礎，有機化學虛擬實驗學習網站為平臺，僅僅通過鼠標點擊或拖拽就能完成實驗裝置的組裝、實驗基本操作、儀器使用的練習；通過按鈕控制實現實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗數據的處理，具有學習的交互性。交互性是虛擬實驗室的顯著特點。

3.4 先進性

虛擬實驗室使用非常簡單，不需要復雜的設置與安裝，資源也可以隨著技術的發展，不斷充實完善，隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器，具有良好的可維護性、擴展性和先進性。

3.5 安全性

化學實驗試劑大多數具有易燃、易暴、劇毒、強腐蝕性，在實際操作過程中即使學生高度認真，也難免因為一時疏忽致事故發生。虛擬實驗室的構建可以為學生提供一個虛擬的實踐空間，可以無限制地重復練習，可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗，避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。

4 藥學專業有機化學虛擬實驗室構建

4.1 構建藥學專業有機化學虛擬實驗室的方法

采用Web技術，使用圖形設計軟件Adobe Photoshop或Fireworks或Corel DRAW或Illustrator圖像處理，動畫設計軟件Macromedia Flash MX或Ulead GIF Animator或Image Ready或3D Max進行Flash虛擬實驗動畫制作，網頁設計軟件Macromedia Dreamweaver MX或Microsoft Front Page在本地磁盤上創建站點并編輯網頁，然后上傳到校園網Web服務器上，供全校師生使用[3]。

4.2 藥學專業有機化學虛擬實驗室的設計思想

根據職業教育的國家整體培養目標和藥學專業培養目標，體現職業教育的特色，樹立以技能帶動理論的思想，設計開發實用、交互、開放型的藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺。因此，以基本操作實驗為核心，以藥物有效成分的提取實驗為重點，以有機化學性質實驗為補充。構建基本操作虛擬實驗室、有效成分的提取虛擬實驗室和有機化學性質驗證實驗虛擬實驗室，體現虛擬實驗室學習平臺的“高交互性、高參與性、實用性強”的特點。

4.3 構建藥學專業有機化學虛擬實驗室的創新點

藥學專業有機化學虛擬實驗室以動畫為核心，通過鼠標拖拽完成實驗裝置的組裝、儀器使用的練習；通過按鈕控制，實現實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗數據的處理等交互性學習，交互性、參與性和簡單實用性成為藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺的特色。

4.4 藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺的設計與內容

有機化學虛擬實驗室學習平臺網站設計包括：界面設計、動畫設計、文字排版與網頁制作。操作界面要求美觀簡潔、重點突出、操作便利、能適應各種不同的分辨率，目錄導航、各種按鈕和主窗口位置在整體界面中的比例協調美觀大方。

藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺內容由文字材料、實驗視頻、虛擬實驗三大模塊組成：①文字材料包括化學有機化學實驗課程標準、有機化學實驗常用儀器用途使用方法和注意事項、實驗基本操作、有機化學實驗基本操作技術、有機化學實驗講義、有機化學實驗裝置組裝練習；②實驗視頻的作用是，通過教師的講解與示范，提供給學生正確的操作過程，并指出基本操作需注意的關鍵點，使學生對于基本操作有完整的認識；③虛擬實驗以Flash動畫為主，包括基本操作虛擬實驗、有效成分的提取虛擬實驗和有機化學性質驗證實驗虛擬實驗。其中，虛擬實驗是虛擬實驗室教學系統的重點，儀器基本操作虛擬實驗，主要是以動畫仿真的形式演示實驗裝置組裝或儀器使用的基本操作過程及要點，強化感知，增強學生的動手能力。該模塊主要由過濾、萃取、固液提取、熱濾、抽濾、重結晶、干燥、蒸餾、減壓蒸餾、分餾、水蒸氣蒸餾、回流、熔點測定、沸點測定、紙色譜、柱色譜、薄層色譜基本操作單元組成。有效成分的提取虛擬實驗由實驗原理、實驗裝置、實驗步驟、實驗演示、模擬實驗、注意事項等組成一個完整的實驗項目，它是多個基本操作單元的有機組合的整體。通過提取虛擬實驗的訓練，能進一步加深對實驗原理的再認識，強化實驗基本操作的能力。既是對基本操作實驗所獲得的知識和能力的綜合檢驗，亦是培養綜合實驗技能和應用能力的重要途徑。該模塊由蒸餾實驗、分餾實驗、重結晶提純實驗、茶葉中咖啡因的提取、八角茴香油的提取、植物色素柱層析分離等組成。

有機化學性質驗證實驗在藥學專業有機化學實驗中占有相當的份量，它對于豐富學生的感性認識以及鞏固理論課的知識內容有重要的作用。該模塊由醇的化學性質、醛酮化學性質、烯醇的性質、有機化合物溶解性比較組成。

4.5 藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺發布

藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺最大的特點在于與Web技術的結合，依托校園網服務器可以隨時發布到校園網上。亦可刻錄成光盤，在任何安裝有光驅的計算機上脫機使用。

5 藥學專業有機化學虛擬實驗室實施效果

基于校園網絡的有機化學虛擬實驗室建立，為學生提供一種嶄新的不受時間、地點、空間、儀器、試劑、師資、經費等條件限制的自由學習模式，緩解儀器缺乏、師資不足，學生動手操作機會少的普遍矛盾，學生可以隨時進入虛擬實驗室，進行各種實驗練習。實踐證明，經過虛擬實驗室的訓練，學生正式實驗時，實驗的自主性顯著增強、目的更加明確，實驗進度明顯加快；實驗一次性成功率有很大提高；儀器損壞率和試劑消耗率明顯下降；實驗操作熟練程度顯著提高。

因此有機化學虛擬實驗室的建立，在創新人才培養和教學質量提高中發揮重要作用，學生實驗動手能力和實踐能力會有效提高，學生的創新意識、創新精神和創新能力得到明顯提升，從而對提高學校辦學實力、辦學水平和教學質量起到有力的推動作用。

6 小結

有機化學實驗網絡虛擬學習系統——有機化學虛擬實驗室，并不能完全代替學生動手做實驗，它只是一種輔助的教學手段，只有將其與課堂教學或實驗教學有機地結合起來，找好切入點，才能最大程度地發揮作用，從而達到提高實驗教學效率的目的。

[1]劉延華，桂萬云.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].洛陽師范學院學報，2006，5（2）：94-96.

[2]郭智敏，劉偉.基于Internet的遠程虛擬實驗室的研究現狀和問題分析[J].教育教學論壇，2010，（24）：161.

[3]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005，22（1）：35-37.

[4]高斌，湯楚宙.UG和VB為基的汽車發動機虛擬實驗室建立[J].現代制造工程，2008，（8）：84-87.

[5]向明鈞，賴日勇，曾靖，等.醫學化學虛擬實驗室的構建與實施[J].贛南醫學院學報，2009，29（5）：705-706.

[6]鄭軍，曾照芳.醫學檢驗本科教育虛擬實驗室構建的研究與實踐[J].中華醫學教育探索雜志，2011，10（2）：233-235.

Construction and application of virtual laboratory teaching-learning platform for organic chem istry of pharmacy major in higher vocational college

BEIZhanyu GUO Xiaohui HE Xinlei YU Haiying ZHOU Yonghui ZHANG Yao
Department of Pharmacy,Luohe Medical College,He′nan Province,Luohe 462002,China

Combiningwith characteristics of organic chemistry experiments of pharmacymajor in higher vocational college,the necessity and feasibility of constructing,designed principle,thought and method about organic chemistry teachinglearning platform based on virtual laboratory were explored.Integrated distribution of operator interface about organic chemistry teaching-learning platform based on virtual laboratory was designed.It is shown that,through learning by entering the virtual laboratory of organic chemistry,students’interests on organic chemistry has enhanced,their experimental operating skill has cultured,and experimental teaching reform on organic chemistry has improved.

High vocational college;Pharmacymajor;Organic chemistry;Virtual laboratory

G423

C

1673-7210（2012）05（c）-0163-03

河南省教育科學“十二五”規劃立項實驗課題（課題編號：2011-JKGHAC-0183）；漯河醫學高等?？茖W校立項重點課題（課題編號：2011-JGXM-1）。

卑占宇（1964-），男，漢族，河北唐山人，副教授，主要從事實驗教學改革以及中草藥化學成分分析研究。

2012-02-21 本文編輯：衛 軻）