藥物分析虛擬實驗室的構建

高曉霞，鐘兆健，周欣，宋粉云

摘要：虛擬實驗是傳統實驗的有益補充。本文主要對藥物分析虛擬實驗教學平臺的主要內容、功能及平臺特點進行了總結。同時，本文還將虛擬實驗室建設與真實實驗有機結合，可讓學生打破時間和地域的限制，促進實驗教學的個性化，拓展多元化教學模式，培養學生的自主創新能力。

關鍵詞：虛擬實驗室；藥物分析學；實驗教學

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）35-0272-02＼

隨著網絡技術、虛擬現實技術和仿真技術的發展，為實驗科學提供了一種新的研究方法——虛擬實驗室。虛擬實驗是一種實驗模式，操作人員進入人工虛擬環境中，像在真實世界中一樣地與該環境進行實時操控和相互交流。目前對智能化虛擬實驗室的研究得到了廣泛關注，結合專業技能的虛擬實驗室建設，已成為高等院校實驗教學改革的方向之一[1-4]。操作者可在具有沉浸感的虛擬實驗室環境中反復進行操作和練習，且可有效地滿足學生碎片化、離散化的學習習慣，可達到提高操作者實驗技能的目的[5]。

藥物分析是藥學專業學生的主要專業課程之一，是一門研究和發展藥品全面質量控制的方法學科。同時，藥物分析學是一門實踐性和應用性很強的學科，實驗教學是藥物分析學教學中的重要環節。在生命科學與藥學不斷融合的今天，現代藥物分析新技術和新方法不斷涌現，如手性色譜學、高效毛細管電泳、色譜與光譜聯用、色譜與質譜聯用、色譜與核磁共振譜聯用技術、分子影像學、近紅外光譜等，藥物分析學方法向著自動化、智能化、微量化的方向發展。但是由于實驗室基礎設施薄弱、實驗開出規模和數量等原因，學生接觸和使用大型儀器設備的學時數不足，無法完全掌握和熟練應用如高效液相色譜儀、高效液相色譜—質譜聯用儀等大型貴重儀器，該方面的不足不僅限制了藥物分析實驗在本科教學中的發展，而且會影響到學生實踐技能的提高。本文通過對虛擬系統的功能、模塊、系統流程等進行梳理，構建了能夠在PC、移動終端上運行的高仿真藥物分析虛擬實驗系統，內容涵蓋了藥物分析中的主線——藥物的鑒別、檢查和含量測定，全面展現出了藥物分析學中主要的操作技能和儀器設備，適用于藥物分析實驗教學中的仿真實驗、研究性實驗和創新性實驗，有利于培養學生的實踐能力和創新能力。

一、藥物分析虛擬實驗室建設內容

根據藥物分析學科的特點，虛擬實驗室建設主要注重學習者對于實驗技能點的掌握和提高，對于實驗中涉及到的基本操作技能進行高仿真的模擬，實驗室主要分為三個部分，包括實驗技能學習平臺、儀器設備操作訓練平臺和自主設計創新實驗平臺。通過對實驗項目的設計和建設，在實驗技能學習平臺和儀器設備操作訓練平臺完成了3個藥物分析實驗項目的建設，內容涵蓋了藥物分析中的主線——藥物的鑒別、檢查和含量測定。

1.實驗技能學習平臺。藥物分析虛擬實驗室實驗技能學習平臺，主要是以視頻、FLASH動畫結合的方式來仿真場景，設計藥物分析樣品前處理和藥物提取技術的訓練平臺，為學生提供中國藥品檢驗標準操作規范，同時也有配合操作過程中的文字提示和操作細節的解說，如量瓶定容操作：調節刻度時刻度線是否與眼睛同一水平線、調節刻度的操作、振搖的操作；定容后再過濾操作：三靠（濾紙靠漏斗壁，玻棒靠濾紙引流，漏斗下部尖嘴靠量瓶內壁）、應干燥濾紙濾過（避免影響濾液濃度）、棄去初濾液（避免濾液渾濁）、濾紙上沿應低于漏斗邊緣；移液管的使用：用待吸取溶液潤洗2—3次、調節好刻度后要快速用吸水紙擦干移液管外壁下部黏著的液滴；滴定：涂凡士林方法、手握活塞方法、潤洗2—3次、排氣泡、調刻度、臨終點前沖洗瓶壁方法、讀數方法。在此基礎上，完成“葡萄糖中一般雜質的檢查”和“硫酸阿托品注射液的分析”兩項虛擬實驗項目的建設。通過這個實驗技能學習平臺的學習，使學生不僅可以了解藥物分析學基本實驗技術的理論知識，而且還能在實驗項目開展前獲得感官上的認知，在身臨其境的效果中強化規范化操作的細節，夯實學生的專業基礎，鍛煉和提升學生的基本操作技能。

2.儀器設備操作訓練平臺。在儀器設備操作訓練平臺建設，以“HPLC法測定六味地黃丸中丹皮酚的含量”虛擬實驗項目為目標，核心設計了具有高仿真度的虛擬環境、高交互性的高效液相色譜儀虛擬儀器。液相色譜分析過程主要包括儀器設備條件設定、進樣、譜圖采集、數據處理和儀器設備維護。參照色譜實驗過程與真實實驗，本文主要將液相色譜虛擬儀器分為高效液相系統的設備連接、基礎操作練習、指導與評價3個模塊，其中基礎操作練習是整個平臺的核心，可通過對虛擬儀器的操作模擬，實現梯度及非梯度淋洗條件下各種參數的二維和三維色譜數據的動態模擬以及色譜數據的采集、存儲、重載和分析功能。操作者在虛擬實驗室進行非線性交互式操作，系統可將操作信息保存下來，同時對操作者正誤操作進行判斷，對錯誤操作給予及時警告和提示。進入藥物分析儀器設備訓練平臺訓練后的學生，在完成真實實驗的過程中，錯誤操作情況明顯減少，同時也在一定程度上減少了實驗儀器的維護費用。

3.自主設計創新實驗平臺。自主設計創新實驗平臺中，以“高效液相色譜法測定頭孢氨芐的含量”為題目，要求學生根據藥物的結構和性質設計頭孢氨芐的含量測定方法，并進行方法學考察。平臺建設基于液相色譜理論模型，以頭孢氨芐的高效液相色譜實驗數據為參考，構建出不同分離條件下的保留參數預測模型。此平臺中學生可以通過將虛擬實驗結果與真實實驗結果進行比較、不同流動相配比條件下的譜圖比較以及不同流速下的譜圖比較，分析色譜流出曲線模型與實驗值的吻合程度。在此基礎上，要求學生完成含量測定方法學考察和分析方法的驗證。自主設計創新實驗平臺的訓練，在提高學生實驗技能的同時，還可以強化理論知識指導實踐的重要作用，培養學生自主學習的興趣和能力。

二、藥物分析學虛擬實驗室的優勢

1.仿真性。虛擬現實技術的發展，為虛擬實驗室的建設提供了足夠的技術支撐。通過計算機模擬可以較好的還原、模擬教學中的實驗場景，特別是現代VR技術的廣泛應用，可以使參與者通過模擬的實際操作獲取身臨其境的切身體會，不僅能讓學生在短時間內獲得直觀的實驗體驗，還可能通過在相應模擬設備上的實際操作提高其實驗技能。

2.實用性。由于大型的藥物分析實驗設備購置和使用費用較高，在傳統教學中，從經濟性角度考慮，實驗課程大多安排一些常規的、較為成熟的內容。而通過建立虛擬實驗室，可能通過模擬實驗的方式組織學生完成以往必須但又難以組織的實驗，不僅可能大大提升實驗的效費比，還對提高學生的實際操作能力具有重要的意義。

3.可管理性。由于計算機的技術的應用，使用在虛擬實驗室進行的模擬實驗較傳統的實驗具有更強的記錄功能。除此之外，虛擬實驗室還可以實現傳統實驗中難以實現的過程回放和適時中斷等功能。利用虛擬實驗室的記錄、回放、中斷功能等就可以更加有效地對學生的實驗過程進行一定的監控、指導、考核等，從而使藥物分析實驗管理更加科學、有效。

總之，虛擬實驗是一種現代教育技術手段。本文從實驗技術入手，探討虛擬大型分析儀器在藥物分析領域應用的關鍵問題。同時，本文還設計出了一個可交互的虛擬實驗室環境，讓學生在虛擬實驗室平臺上作實驗，除掌握基本藥物分析操作外，在大型儀器的操作、故障診斷、色譜實驗等方面提高其實踐能力。此外，虛擬實驗室的建設還為實驗教學的科學管理、實驗室基礎設施薄弱、實驗規模和數量偏低等問題提供了一定的解決方案。

參考文獻：

[1]劉志廣，張明旭，張永策，等.滴定分析虛擬實驗室的構建模式與方法的研究和探索[J].計算機與應用化學，2016，33（4）：485-490.

[2]林叢叢，張永策，付曉靚，等.多功能動態三維GC-MS虛擬實驗室的構建[J].計算機工程與設計，2012，33（3）：1090-1095.

[3]劉志廣，毛金群，張永策，等.三維HPCE虛擬實驗室中的理論模型構建[J].實驗室研究與探索，2014，33（1）：24-28.

[4]李玲，董昕，呂狄亞，等.虛擬實驗室在儀器分析教學中的應用[J].基礎醫學教學，2016，18（7）：584-586.

[5]王甜，王茂林，林宏輝，等.分子生物學虛擬實驗室的構建[J].實驗科學與技術，2015，13（3）：43-46.