藥物分析虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

高曉霞，鐘兆健，周欣，宋粉云

摘要：虛擬實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。本文主要對(duì)藥物分析虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的主要內(nèi)容、功能及平臺(tái)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，本文還將虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，可讓學(xué)生打破時(shí)間和地域的限制，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的個(gè)性化，拓展多元化教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；藥物分析學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）35-0272-02＼

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)驗(yàn)科學(xué)提供了一種新的研究方法——虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑僮魅藛T進(jìn)入人工虛擬環(huán)境中，像在真實(shí)世界中一樣地與該環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)操控和相互交流。目前對(duì)智能化虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究得到了廣泛關(guān)注，結(jié)合專業(yè)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，已成為高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一[1-4]。操作者可在具有沉浸感的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中反復(fù)進(jìn)行操作和練習(xí)，且可有效地滿足學(xué)生碎片化、離散化的學(xué)習(xí)習(xí)慣，可達(dá)到提高操作者實(shí)驗(yàn)技能的目的[5]。

藥物分析是藥學(xué)專業(yè)學(xué)生的主要專業(yè)課程之一，是一門研究和發(fā)展藥品全面質(zhì)量控制的方法學(xué)科。同時(shí)，藥物分析學(xué)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是藥物分析學(xué)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。在生命科學(xué)與藥學(xué)不斷融合的今天，現(xiàn)代藥物分析新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，如手性色譜學(xué)、高效毛細(xì)管電泳、色譜與光譜聯(lián)用、色譜與質(zhì)譜聯(lián)用、色譜與核磁共振譜聯(lián)用技術(shù)、分子影像學(xué)、近紅外光譜等，藥物分析學(xué)方法向著自動(dòng)化、智能化、微量化的方向發(fā)展。但是由于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、實(shí)驗(yàn)開出規(guī)模和數(shù)量等原因，學(xué)生接觸和使用大型儀器設(shè)備的學(xué)時(shí)數(shù)不足，無(wú)法完全掌握和熟練應(yīng)用如高效液相色譜儀、高效液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)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(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)中的發(fā)展，而且會(huì)影響到學(xué)生實(shí)踐技能的提高。本文通過(guò)對(duì)虛擬系統(tǒng)的功能、模塊、系統(tǒng)流程等進(jìn)行梳理，構(gòu)建了能夠在PC、移動(dòng)終端上運(yùn)行的高仿真藥物分析虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，內(nèi)容涵蓋了藥物分析中的主線——藥物的鑒別、檢查和含量測(cè)定，全面展現(xiàn)出了藥物分析學(xué)中主要的操作技能和儀器設(shè)備，適用于藥物分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的仿真實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

一、藥物分析虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)藥物分析學(xué)科的特點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要注重學(xué)習(xí)者對(duì)于實(shí)驗(yàn)技能點(diǎn)的掌握和提高，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中涉及到的基本操作技能進(jìn)行高仿真的模擬，實(shí)驗(yàn)室主要分為三個(gè)部分，包括實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)平臺(tái)、儀器設(shè)備操作訓(xùn)練平臺(tái)和自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)，在實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)平臺(tái)和儀器設(shè)備操作訓(xùn)練平臺(tái)完成了3個(gè)藥物分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，內(nèi)容涵蓋了藥物分析中的主線——藥物的鑒別、檢查和含量測(cè)定。

1.實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)平臺(tái)。藥物分析虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)平臺(tái)，主要是以視頻、FLASH動(dòng)畫結(jié)合的方式來(lái)仿真場(chǎng)景，設(shè)計(jì)藥物分析樣品前處理和藥物提取技術(shù)的訓(xùn)練平臺(tái)，為學(xué)生提供中國(guó)藥品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范，同時(shí)也有配合操作過(guò)程中的文字提示和操作細(xì)節(jié)的解說(shuō)，如量瓶定容操作：調(diào)節(jié)刻度時(shí)刻度線是否與眼睛同一水平線、調(diào)節(jié)刻度的操作、振搖的操作；定容后再過(guò)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?jī)?nèi)壁）、應(yīng)干燥濾紙濾過(guò)（避免影響濾液濃度）、棄去初濾液（避免濾液渾濁）、濾紙上沿應(yīng)低于漏斗邊緣；移液管的使用：用待吸取溶液潤(rùn)洗2—3次、調(diào)節(jié)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(rùn)洗2—3次、排氣泡、調(diào)刻度、臨終點(diǎn)前沖洗瓶壁方法、讀數(shù)方法。在此基礎(chǔ)上，完成“葡萄糖中一般雜質(zhì)的檢查”和“硫酸阿托品注射液的分析”兩項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生不僅可以了解藥物分析學(xué)基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)的理論知識(shí)，而且還能在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展前獲得感官上的認(rèn)知，在身臨其境的效果中強(qiáng)化規(guī)范化操作的細(xì)節(jié)，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，鍛煉和提升學(xué)生的基本操作技能。

2.儀器設(shè)備操作訓(xùn)練平臺(tái)。在儀器設(shè)備操作訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)，以“HPLC法測(cè)定六味地黃丸中丹皮酚的含量”虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為目標(biāo)，核心設(shè)計(jì)了具有高仿真度的虛擬環(huán)境、高交互性的高效液相色譜儀虛擬儀器。液相色譜分析過(guò)程主要包括儀器設(shè)備條件設(shè)定、進(jìn)樣、譜圖采集、數(shù)據(jù)處理和儀器設(shè)備維護(hù)。參照色譜實(shí)驗(yàn)過(guò)程與真實(shí)實(shí)驗(yàn)，本文主要將液相色譜虛擬儀器分為高效液相系統(tǒng)的設(shè)備連接、基礎(chǔ)操作練習(xí)、指導(dǎo)與評(píng)價(jià)3個(gè)模塊，其中基礎(chǔ)操作練習(xí)是整個(gè)平臺(tái)的核心，可通過(guò)對(duì)虛擬儀器的操作模擬，實(shí)現(xiàn)梯度及非梯度淋洗條件下各種參數(shù)的二維和三維色譜數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬以及色譜數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、重載和分析功能。操作者在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行非線性交互式操作，系統(tǒng)可將操作信息保存下來(lái)，同時(shí)對(duì)操作者正誤操作進(jìn)行判斷，對(duì)錯(cuò)誤操作給予及時(shí)警告和提示。進(jìn)入藥物分析儀器設(shè)備訓(xùn)練平臺(tái)訓(xùn)練后的學(xué)生，在完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，錯(cuò)誤操作情況明顯減少，同時(shí)也在一定程度上減少了實(shí)驗(yàn)儀器的維護(hù)費(fèi)用。

3.自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，以“高效液相色譜法測(cè)定頭孢氨芐的含量”為題目，要求學(xué)生根據(jù)藥物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)設(shè)計(jì)頭孢氨芐的含量測(cè)定方法，并進(jìn)行方法學(xué)考察。平臺(tái)建設(shè)基于液相色譜理論模型，以頭孢氨芐的高效液相色譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為參考，構(gòu)建出不同分離條件下的保留參數(shù)預(yù)測(cè)模型。此平臺(tái)中學(xué)生可以通過(guò)將虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、不同流動(dòng)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(shí)驗(yàn)值的吻合程度。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生完成含量測(cè)定方法學(xué)考察和分析方法的驗(yàn)證。自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的訓(xùn)練，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，還可以強(qiáng)化理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和能力。

二、藥物分析學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

1.仿真性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，為虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了足夠的技術(shù)支撐。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬可以較好的還原、模擬教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，特別是現(xiàn)代VR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以使參與者通過(guò)模擬的實(shí)際操作獲取身臨其境的切身體會(huì)，不僅能讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)獲得直觀的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，還可能通過(guò)在相應(yīng)模擬設(shè)備上的實(shí)際操作提高其實(shí)驗(yàn)技能。

2.實(shí)用性。由于大型的藥物分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置和使用費(fèi)用較高，在傳統(tǒng)教學(xué)中，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，實(shí)驗(yàn)課程大多安排一些常規(guī)的、較為成熟的內(nèi)容。而通過(guò)建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，可能通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的方式組織學(xué)生完成以往必須但又難以組織的實(shí)驗(yàn)，不僅可能大大提升實(shí)驗(yàn)的效費(fèi)比，還對(duì)提高學(xué)生的實(shí)際操作能力具有重要的意義。

3.可管理性。由于計(jì)算機(jī)的技術(shù)的應(yīng)用，使用在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)具有更強(qiáng)的記錄功能。除此之外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的過(guò)程回放和適時(shí)中斷等功能。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的記錄、回放、中斷功能等就可以更加有效地對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行一定的監(jiān)控、指導(dǎo)、考核等，從而使藥物分析實(shí)驗(yàn)管理更加科學(xué)、有效。

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)是一種現(xiàn)代教育技術(shù)手段。本文從實(shí)驗(yàn)技術(shù)入手，探討虛擬大型分析儀器在藥物分析領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題。同時(shí)，本文還設(shè)計(jì)出了一個(gè)可交互的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上作實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)等方面提高其實(shí)踐能力。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)還為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、實(shí)驗(yàn)規(guī)模和數(shù)量偏低等問題提供了一定的解決方案。

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