基于虛實結合的“中藥制藥化學”多維開放性實驗教學體系構建

李存玉，鄭云楓，彭國平

基于虛實結合的“中藥制藥化學”多維開放性實驗教學體系構建

李存玉，鄭云楓，彭國平

（南京中醫藥大學 藥學院，江蘇 南京 210023）

隨著虛擬仿真實驗技術的發展，給傳統實驗教學方式帶來了挑戰。以提升學生實踐創新能力為目標，通過“虛擬仿真—開放性實驗平臺”，構建基于“學生—網絡—教師”“理論基礎—虛擬仿真—創新實踐”模式的多維“中藥制藥化學”虛實結合實驗教學體系。通過虛擬仿真教學資源建設、主題實驗設計、課程聯合培養，調整了教學考核評價體系，建立了“以虛促實、虛實結合”的實驗教學方式，提升了學生的學習興趣，增強了實驗教學質量，推動了實驗教學改革和創新。

中藥制藥化學；虛實結合；開放性實驗；教學體系

“中藥制藥化學”課程是溝通基礎化學課程與生產實踐課程之間的橋梁，針對中藥化學成分的理化性質及其在加工、提取、分離、純化、濃縮、干燥等過程中的作用特點，闡述中藥制劑生產過程中成分相互作用及化學轉變的規律與機理，通過“理論教學—實例解析—實驗驗證”的教學方式，培養學生的創新應用能力。但是，固定的實驗主題、規定實驗開放時間段、驗證式實驗報告的課程開設模式，限制了教學質量和學生的學習熱情，難以實現“中藥制藥化學”課程的教學目標。基于“互聯網+”的虛擬仿真技術可以溝通理論—實踐之間的“虛—實”關系[1]，將理論教學與實驗設計有機結合，提高實驗開設效率和教學水平，也為傳統實驗教學向開放創新性實驗教學過渡提供了契機[2-3]。本文以“中藥制藥化學”實驗主題，圍繞中藥酚酸氧化反應原理，解決制藥過程難題，借助虛擬仿真教學和開放性實驗平臺，圍繞“方案設計、結果預期、過程評價、數據分析以及課程反饋”，探索、構建虛擬仿真與開放性實驗虛實結合的教學體系。

1 以虛促實，拓展“中藥制藥化學”實驗教學模式

在傳統實驗教學開展時，以綠原酸熱穩定性實驗為例，在課程理論講解時，提出以綠原酸為主要藥效成分的雙黃連口服液、清熱解毒顆粒，在制備過程中因溶液酸堿度變化以及精制過程中的熱處理，引起綠原酸向隱綠原酸、新綠原酸以及綠原酸異構體轉化（見圖1），從而增加了制劑生產過程控制的難度。因此，需要明確酸堿度、溫度與轉化行為的相關性，才能較好地控制其制劑質量的均一性。學生在實驗時的考察方案如表1所示，相較于驗證性實驗，該實驗已增加了學生自主設計的部分。在實驗實施過程中，學生會自主進行4種成分之間轉化比例和考察因素的相關性分析，說明學生求知欲望強烈，但受實驗開設硬件和軟件的限制，無法開展延伸性的自主開放實驗。經過隨機問卷調查，超過80%的學生對結果可預知的實驗項目，呈現出不感興趣、學習積極性偏低的趨勢。

圖1 綠原酸轉化機制

表1 綠原酸穩定性考察方案

組織開展由學生主導的創新性開放實驗，可以充分激發學生自主學習能力及創新能力，并提高學習積極性[4]，通過以綠原酸轉化實驗為主題，引入虛擬仿真實驗，通過虛實結合[5-6]拓展“中藥制藥化學”實驗教學模式解決實驗教學中存在問題的同時，對學生鞏固和靈活應用知識具有積極推動作用，既激發學生學習熱情，又可提高教學質量。

2 虛實結合，構建多維開放實驗平臺

借助“互聯網+”的技術優勢，將互聯網與實驗教學深入融合，以提高教學效率，從而實現學生實踐創新能力的培養[7-8]。“互聯網+”融合虛擬仿真數字化軟件和開放性實驗，學生通過個人計算機、手機等網絡終端進行實驗原理、基本操作、考核反饋等感官認知，為開放性實驗的方案設計及工作開展奠定基礎，從而解決目前開放性實驗虛而不實的開設問題。根據中藥制藥過程中包含的提取、分離、精制等環節，結合現代制藥技術，建設虛擬仿真軟件數據庫。進而，通過我校網絡教學平臺，開展“學生—網絡—教師”“理論基礎—虛擬仿真—開放實驗”多維化的“中藥制藥化學”虛實結合教學體系的研究和建設工作。

2.1 虛擬仿真教學資源的建設

虛擬仿真教學資源的建設以計算機系統為載體，利用虛擬現實技術、網絡技術和多媒體技術建立操作環境，將實驗內容、實驗材料和實驗儀器等有機地結合，因此對于操作環境、儀器設備、操作人員要求較高。基于中藥制藥行業中的關鍵技術、檢測方法，結合“中藥制藥化學”專業課程實驗教學需求，建設包含提取、分離、精制、檢測分析環節的虛擬仿真軟件，包含“多效提取裝置”“超臨界萃取”“膜分離操作”“樹脂分離”“高效液相色譜儀”以及“實驗室安全規范”等，圍繞實驗原理、注意事項、儀器材料、虛擬仿真操作、考核與反饋環節，借助我校虛擬仿真軟件網絡教學平臺（見圖2），通過網頁、客戶端下載的方式推廣應用。

該系統設置了學生、教師、管理員角色，開放不同使用權限。

（1）學生角色：學習基本實驗原理、操作注意事項、虛擬仿真訓練、虛擬仿真考核、結果提交與修改、師生在線溝通。

（2）教師角色：發布考核要求、審閱實驗報告、查閱易錯環節、師生在線溝通。

（3）管理員角色：主要進行系統數據收集與維護、系統角色管理、異常錯誤診斷與處理等。

圖2 虛擬仿真教學軟件網絡平臺

2.2 主題式開放性實驗的實施

“中藥制藥化學”課程是由36理論課時、36實驗課時組成，由主要章節的核心知識點進行實驗方案設計，開展主題式實驗。學生對于影響因素的考察、實驗過程的控制以及實驗報告的呈現方式具有自主權。在開設過程中，所開設內容已遠超實驗規定課時， 因此推進“理論教學+開放性實驗”的教學模式勢在必行。

在“氧化反應”理論知識點授課時，提出“圍繞中藥酚酸氧化反應原理，解決制藥過程難題”的實驗主題，由學生主導，通過學校網絡教學平臺、低值易耗品采購系統，完成實驗方案實驗耗材的預約采購。指導教師及相應的實驗室管理人員、后勤保障人員，進行相應程序的審批。待審批通過后，學生自主組隊，按照課余時間協同分工，開展相應實驗并提交研究 報告。

在開放性實驗實施過程中，其中一組（5人）以溫度影響酚酸氧化為切入點。實驗準備內容見表2，實驗方案設計見圖3。該小組學生通過文獻查閱，發現“高溫、強堿”條件均會影響金銀花中酚酸類成分的穩定性，提出在“常溫化、弱酸環境”的方案設計要點，選擇“樹脂—膜—冷凍干燥”的技術耦合模式，并與常規提取液精制方式進行對比考察。在完成虛擬仿真軟件學習和考核的基礎上，小組成員分工完成常規提取設備、玻璃器皿的領用、樣品制備方法、檢測條件優化等工作。實驗過程中，采取“指導教師—研究生助教”的輔助教學模式，在保證實驗規范操作、學生實驗安全性的同時，引導學生自主思考問題、解決問題，不干涉實驗方案。

表2 開放性實驗準備內容

圖3 酚酸穩定性考察方案設計

2.3 課程聯合，實訓拓展

如何將實驗室研究向生產實踐過渡，是提升學生由“理論—實踐—應用”能力提升的關鍵，學院具有針對中藥學專業的生產實訓教學資源，按照劑型、工藝過程建設了具有潔凈區域劃分的生產實訓實驗室，可以實現由提取、濃縮、醇沉、回收、噴霧干燥的小試規模生產，同時具備顆粒劑、片劑、膠囊劑、口服液生產設備。在開放性實驗的基礎上，通過生產實訓鍛煉，增強感官認識和生產過程體會。同時與中藥制藥專業課程“制劑設備與車間工藝設計”進行聯合教學設計[9]，針對中藥制藥過程中工藝環節優化方案，進行車間布局調整、設備選型等課程設計作業，從而串聯交叉課程知識點，增強學生實踐應用能力。

2.4 實驗教學效果評價

以學生學習體驗和能力提升評價為指標，評價虛擬仿真對“中藥制藥化學”開放性實驗輔助教學效果。其中，學生學習體驗采取調查問卷的方式，2015級中藥制藥專業的49位學生，收回有效問卷45份，97.8%的學生認為可以提升實驗操作能力，91.1%的學生認為有助于自主實驗的設計與實施，95.6%的學生認 為有助于理論知識的應用和貫通。意見反饋欄，高達77.8%的學生認為現有的虛擬仿真教學軟件體驗感不足，建議增加虛擬仿真內容以及參照網絡游戲開發虛擬仿真教學軟件。

能力提升評價采取實驗總結以及見習單位反饋的方式進行綜合評價，開放性實驗總結包含實驗匯報、結果分析、實驗報告提交，從實驗方案可行性、過程解決問題能力、數據分析與結論提煉等方面綜合評價；見習單位反饋采取網絡溝通、畢業見習中期檢查以及畢業論文設計進行評價，目前該班級處于見習階段，通過與見習單位溝通，反饋學生整體的實驗操作能力和問題解決能力較往年有所提升。

3 化虛為實，促進“中藥制藥化學”課程教學改革

3.1 教學方式

基于開放性實驗教學平臺、虛擬仿真教學資源和網絡在線開放課程，教學方式由線下的“理論講授—實驗驗證”的傳統課堂，逐步調整為課前線上預習、課中線下翻轉課堂、課后線上虛擬仿真+開放性實驗預約、課后線下開展實驗總結匯報的“線上—線下—線上—線下”的翻轉過程。教學方式的改變，不僅有利于激活學生的學習積極性，也有利于教師開展教學方法、教學設計、教學資源的建設，從而更為全面、客觀地評價學生的實踐創新能力。

3.2 考核體系

中藥制藥專業課程中包含3學分的創新性實踐，在“中藥制藥化學”實驗教學實踐中，通過自主設計、實施并形成檢測報告，或者對研究結果進行科研論文投稿、專利申請，通過中藥制藥專業負責人、創新性實踐課程負責人進行成果認定，給予“小學分”抵扣獎勵。

同時，增加學生自主創新能力在“中藥制藥化學”課程考核比重，由權重0.30調整至0.40，由原有的“30%平時成績+50%考試成績+20%實驗成績”的考核成績組成方式，調整為“30%平時成績+30%考試成績+40%實驗成績”，從而充分調動學生自主思考和實踐應用的積極性。同時，學院對于教學改革中取得明顯效果的課程給予非課堂工作量獎勵，并優先推薦申請各級教學改革課題、參加教學競賽，促進教師在教學改革中的主觀能動性。

4 討論

在課程理論教學的支撐下，虛擬仿真教學更注重培養學生的基本操作能力，通過軟件按照既定步驟開展操作訓練，模擬實驗結果均在正確可控范圍內，不會出現因實驗操作引起的異常實驗現象，操作過程對儀器設備和操作者不會造成傷害，但是對于異常結果分析、解決問題的能力則無法鍛煉。因此，虛實結合是培養學生綜合能力的關鍵手段，通過合理化的實驗教學設計，依托多維開放性實驗教學平臺，充分發揮虛擬仿真在實驗教學中的技術優勢，結合精心設計的實驗教學模式，實現兩者的優劣互補、相互促進，讓學生掌握制藥核心技術，讓教師專注教學[10-12]。

[1] 李平，毛昌杰，徐進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013, 32(11): 5–8.

[2] 于洋，吳磊，梁化強.隧道掘進機虛擬仿真系統設計及實訓模式研究[J].實驗技術與管理，2018, 35(11): 141–143, 148.

[3] 陸曉梅，周靖平，李磊，等.虛擬仿真實驗在《化妝品檢驗與安全性評價》開放性實驗中的應用探索[J].中國衛生檢驗雜志，2018, 28(24): 3057–3059.

[4] 李存玉，鄭云楓，潘林梅，等.組織開放實驗提高學生實踐能力[J].藥學教育，2017, 33(2): 76–78.

[5] 趙銘超，孫澄宇.虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017, 36(4): 90–93.

[6] 喬明曦，楊麗，方亮，等.可持續發展的藥劑學虛擬仿真實驗教學模式探討[J].藥學教育，2015, 31(2): 55–57.

[7] 張彪，魏萬紅，董召娣，等.基于“三維”空間下的“植物分類學實驗”虛實結合教學體系構建[J].實驗技術與管理，2018, 35(12): 187–190, 205.

[8] 王森，高東峰.在線開放虛擬仿真實驗項目建設的思考[J].實驗技術與管理，2018, 35(5): 121–124.

[9] 鄭云楓，李存玉，彭國平.協同理念下中藥制藥專業實踐教學體系的構建[J].藥學教育，2016, 32(5): 48–51.

[10] 彭敬東，龔成斌，馬學兵，等.虛擬仿真實驗在化學教學中的作用：以西南大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心為例[J].西南師范大學學報（自然科學版），2017, 42(7): 193–196.

[11] 姚衛峰，包貝華，張麗，等.中藥學類虛擬仿真實驗教學體系的構建與實踐[J].藥學教育，2015, 31(6): 39–43.

[12] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015, 34(2): 140–144.

Construction of multi-dimensional open experimental teaching system for “Pharmaceutical chemistry of traditional chinese medicine” based on virtual-real combination

LI Cunyu, ZHENG Yunfeng, PENG Guoping

(College of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China)

With the development of the virtual simulation experiment technology, the traditional experimental teaching method has been challenged. With the goal of improving students’ practical and innovative ability, a multi-dimensional experimental teaching system with virtual-real combination for “Pharmaceutical chemistry of traditional Chinese medicine” based on the model of “Student-network-teacher” and “Theoretical basis-virtual simulation-innovative practice” is constructed through the “Virtual simulation open experimental platform”. Through the construction of virtual simulation teaching resources, the design of thematic experiments and the joint training of courses, the evaluation system of teaching assessment has been adjusted, and the experimental teaching mode of “Virtual-real combination” has been established, which improves students’ interest in learning, enhances the quality of experimental teaching and promotes the reform and innovation of experimental teaching.

pharmaceutical chemistry of traditional Chinese medicine; virtual-real combination; open experiment; teaching system

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0215-04

2019-01-23

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（PPZY2015070）；南京中醫藥大學教師教學發展課題基金（NZYJSFZ2016-05）

李存玉（1985—），男，江蘇徐州，博士，講師，從事中藥制藥化學教學研究。

E-mail: licunyuok@163.com

彭國平（1963—），男，江蘇金壇，博士，教授，從事中藥制藥專業課程教學及實驗教學中心管理。

E-mail: guopingpeng@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.055