虛擬仿真技術在藥學實驗教學中的應用研究

陳章寶　肖國君　鄧君　羅紅麗

摘 要：虛擬仿真實驗教學是采用多媒體、數據庫以及網絡通訊等多種技術，構建一個逼真可視化的虛擬現實環境開展實驗操作，達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，在實驗項目認知操作預習、實驗能力拓展訓練、實驗操作技能訓練培養、藥物工業化生產制備的仿真訓練等學生創新能力的培養教學過程中發揮重要作用。

關鍵詞： 虛擬仿真； 實驗教學

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2015）10-0086-02

實驗教學是理論教學的一種延續，是讓學生對課堂上所學知識進行消化和吸收的過程。實驗過程是一個學習、培養及探索的過程，通過實驗，能有效地訓練學生的實驗技能，培養學生觀察能力、實踐能力、創新精神和創新能力[1]。對于藥學實驗教學中部分不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目等部分真實實驗難以實現的實驗操作，虛擬仿真實驗教學則能有效利用信息技術模擬真實實驗環境實現部分真實實驗難以完成的教學功能。

虛擬仿真實驗教學是綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等多種技術，通過構建一個逼真可視化的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果[2]。虛擬仿真實驗教學具有明顯優勢，并對傳統實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段等都產生了顛覆性影響，學生通過對仿真實驗系統的反復多次模擬操作，可以加深對實驗原理及操作步驟的理解，還可節省大量時間進行綜合性、設計性、探究性的實驗，為學生綜合能力、創新精神和創新能力的培養提供保障。

西南大學藥學實驗教學中心秉持“實踐創新，能力至上”的實驗教學理念，在強化真實實驗建設的前提下，針對部分高成本和高消耗、實驗條件難以實現、所需投入和運行費用巨大等真實實驗難以實現的部分實驗操作，按照“能力培養，虛實結合、以虛補實、以實為主”的原則，開發構建了藥物制備工程虛擬仿真實驗模塊、藥理生理學虛擬仿真實驗模塊、體內藥物分析虛擬仿真實驗模塊和藥物分子虛擬篩選實驗模塊等共計103個虛擬仿真實驗項目。

虛擬仿真實驗教學能有效利用信息技術模擬真實實驗環境實現部分真實實驗難以完成的教學功能，中心將真實實驗和虛擬仿真實驗建設貫穿于實驗教學始終，實現虛實結合，相互補充，以培養學生創新實踐能力。

一、實驗項目的認知、實驗操作的預習

虛擬仿真實驗的操作可實現學生對實驗項目的認知、實驗操作的預習，更好地理解掌握每一個實驗項目的目的、實驗原理和詳細的實驗操作步驟，以保證學生在開展真實實驗的過程中能更好地注意操作的規范性，實驗后可以通過操作虛擬實驗項目進行復習鞏固，從而強化實驗教學效果，為實驗能力的培養提供更好的平臺。

中心教師采用圖、文、聲及活動影像4 種功能兼備的實驗教學工具自主設計建設的分子生物學虛擬操作實驗模塊，將復雜抽象的PCR 擴增、克隆、Southern印跡雜交、酶切與連接、轉化實驗、質粒小量堿法提取實驗等實驗原理簡化為直觀可視的動畫形式，學生可以按照提示將課堂上不好演示的實驗過程模擬出來，使學生得到更多的模擬、重復的操作機會，彌補傳統多媒體教學的不足，在教學中顯示出極大的優越性，提高學生學習的興趣，加深對知識的理解。

學生利用實驗動物（小鼠或蛙）開展生理學、藥理學、毒理學等實驗操作，但常常由于實驗操作不熟練，導致實驗不能順利完成或達不到預期實驗效果，中心建設的藥理生理學虛擬仿真實驗模塊，能讓學生通過虛擬實驗完成操作實訓，提高真實實驗效果。

發酵工程實驗涉及菌種選育、培養基優化、發酵罐使用及發酵實驗等內容，其中發酵過程優化與放大是發酵工程實驗的核心內容，發酵工程虛擬仿真實驗以聚蘋果酸發酵生產工藝為原型，利用動態模型實時模擬真實工藝反應裝置現象和過程，通過仿真工藝反應裝置進行互動操作，產生和真實工藝處理一致的結果，每個學生通過操作本虛擬仿真模塊能夠充分理解聚蘋果酸生產工藝流程，通過設置不同運行參數，觀察工藝反應現象，進行開停車操作及排除各種設備故障或工藝擾動的操作，同時對于操作過程和結果進行客觀的考核和評定。

二、實驗操作技能的訓練及培養

對一些操作難度大、僅憑教師做示范學生不易掌握操作方法的實驗，虛擬實驗操作具有很好的直觀性、反復性訓練的作用。如生理學實驗中的減壓神經放電（神經的分離和分辨是難點）、膈神經放電記錄（找出膈神經是難點）、大腦皮層放電記錄（其中的開顱手術不易操作和掌握）等實驗都是電生理實驗中的重點和難點，學生通過中心建立的生理學虛擬實驗項目反復操作訓練，極大地提高在真實實驗中的實驗操作能力，既能節約實驗動物又能很好地掌握所需的實驗操作技能。

大型分析儀器由于設備臺套數、運行費用等限制了學生的操作使用，中心購買建設的大型分析儀器虛擬仿真操作軟件采用計算機虛擬仿真技術開發的具備機理模型，以真實實驗數據庫作為支撐，仿真操作過程與真實儀器操作過程極其相似，仿真結果與真實系統結果非常接近，能夠滿足學生日常操作實訓、常規考核以及技能大賽等各種需求，學生通過虛擬仿真操作訓練，培養學生對大型分析儀器的結構、原理等有更深入的認知理解，提高操作儀器設備的能力。

三、實驗能力的拓展訓練

知識更新速度越來越快，學生需要學習掌握的知識與能力也越來越多，但由于受到課程學時的限制，特別是部分真實實驗操作需要一定的實驗條件，限制了學生的操作學習，虛擬實驗項目可以設計涵蓋范圍非常廣的實驗內容和實驗操作訓練[3]。如生理學真實實驗不可能開出所有系統、器官的實驗內容，以及中心因課程學時的限制，藥理學只開設了12個實驗，人體解剖生理學只開設了6個實驗，中心購買建設的藥理生理學虛擬實驗項目可彌補這一不足，該項目涵蓋了19個虛擬實驗項目，藥理學涵蓋了29個虛擬實驗項目，學生可通過操作未開設的虛擬實驗項目拓展知識與操作能力，還可通過到中心開放實驗室根據虛擬實驗項目設計真實實驗并操作這些實驗，實現真實與虛擬實驗的結合，更加全面的、系統的掌握生理學實驗和藥理學實驗技能和基本操作方法。

四、藥物工業化生產制備的仿真訓練

藥物制劑虛擬仿真實驗采用計算機虛擬仿真技術，涵蓋GMP標準下的藥物顆粒制劑生產、片劑生產、膠囊劑生產、水針劑生產以及衛生水系統、空調空壓設備等，不僅具有3D形象生動、操作性強、使用便利等特點，而且對許多復雜設備、間歇性生產控制、GMP質量管理等進行了三維立體的場景仿真，具備一定的智能化反應能力。藥物制備GMP實訓仿真系統可以實現學生在學校就能反復操作訓練，全面了解藥物制備GMP車間的工藝布局、原料藥物及不同制劑藥物的生產要求、生產設備組成及潔凈度要求等，讓學生在進入醫藥企業開展生產實習前能熟練掌握藥物制備GMP認證要求及生產操作訓練，保證學生在生產實習時能快速適應、掌握藥物制備的能力，更好地培養學生的實踐能力。

五、培養學生的創新設計能力

藥物開發過程中的藥物人工篩選存在前期經費投入大及鑒定周期長等弊端，開設藥物篩選學生實驗基本上不可能，隨著基因組學、蛋白組學、分子生物學和結構生物學的發展，各種疾病的發病機理和分子機制研究越來越透徹，對于疾病中的關鍵調控因子（如激酶）的研究也越來越透徹，用計算機模擬的方法設計或者篩選出具有潛在結合功能的藥物，并輔以實驗驗證等方法，得到候選藥物。中心建設的藥物分子虛擬篩選模塊轉化成供學生操作實訓的虛擬仿真平臺，實現真實實驗難以開展的藥物篩選的操作實訓，培養學生創新實踐能力。

六、實驗自測與考核評價

多數虛擬仿真實驗模塊均有仿真考試模塊，學生可以開展虛擬仿真進行自我測試，提交答案后系統對學生作答進行自動評閱、正誤判斷、給出得分及正確率，教師還可以對系統評閱進行糾誤，在說明理由后可以重新給分，系統給出學生的最終成績，在實驗教學中實現技能操作的仿真考核，便于教師直觀、省時、高效率的觀察到學生的實訓效果[4]。

參考文獻：

[1]蘇旭霞，劉素楠，管立新.開展虛擬仿真實驗促進實驗教學改革[J].科技廣場，2008（3）：252-254.

[2]張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013，30（12）：101-104.

[3]門秀麗，趙利軍，孔小燕等.虛擬仿真實驗系統在病理生理學教學中的應用[J].基礎醫學教育，2013，15（2）：148-149.

[4]邵英杰.淺析虛擬仿真技術在護理技術教學中的應用[J].現代教育技術，2012，30（6）：36-37. （編輯：魯利瑞）