藥學虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用效果評價

王衛華，陳清陽，夏亞釗，李麗平

菏澤醫學專科學校，山東菏澤 274000

隨著科學技術的不斷發展，我國的教育越來越得到廣泛的重視并在不斷地創新與發展中增加了許多的新方法，例如基于大數據的互聯網教學、多媒體教學、網絡教學、智能教學及虛擬仿真教學等，多元化的教學方式有助于我國教育事業更加快速地發展。藥學作為醫學專業中一門實踐性較高的學科， 對于實驗的需求量非常高，且打好藥學專業的良好基礎，學生需要具備理論與實踐綜合的能力，從而更好地發揮專業優勢。 該文主要就藥學虛擬仿真實驗教學展開討論，對于藥學虛擬仿真實驗教學平臺的建設方案進行簡單表述并詳細分析其應用效果及評價。

1 虛擬仿真教學平臺的概念

現如今，由于各類新型實驗的需求量越來越大，很多學校開始將重心放在虛擬仿真實驗教學中。這是一種以軟件為基礎通過虛擬的方式搭建的實驗教學系統，可以實現各類教學實驗的虛擬化及數字化，能夠幫助不同專業學科的學生提供教學及科研環境，通過虛擬的仿真實驗室與實際的實物實驗室進行互補的情況下，既可以幫助學生熟悉實驗步驟及環節，還有效避免了很多不必要的材料浪費。 這是因為在實際的教學實驗過程中，很多實驗器材造價相對較高，常常會出現老師不舍得用、學生又不會用的情況，再加上很多實驗的時間持續過長，正常的教學中是無法展開的，導致很多學生連實物教學都無法參與。

通過計算機可以將虛擬仿真技術搭建起來，不但讓學生有身臨其境的感覺，還可以重復操作加深印象，尤其是對節省材料有非常大的幫助，降低了學校購買實驗器材的成本費用[1]。此外，由于很多實驗都存在一定的危險性，例如文中所說的藥學專業，在其制劑的實驗中，就會接觸到大量的放射性物質或有毒物質，這些實驗如果是讓沒有操作經驗的學生來做的話，一定會造成非常危險的后果。所以利用虛擬仿真技術來進行實驗，對于學生的安全性也有著很大的提高。 目前，我國已經有多家高校開始研究并建立了高科技的仿真實驗室。

2018 年6 月，國家教育部官網發布了首批國家虛擬仿真實驗教學項目的認定結果通知，并認定了105 個虛擬仿真實驗教學項目為首批國家虛擬仿真實驗教學項目[2]。

案例說明①：浙江大學藥學院就針對生殖毒性虛擬仿真進行了實驗，生殖毒性虛擬仿真實驗通過三維仿真技術，將實驗操作真實地進行了還原。在虛擬的系統內，學生可以通過對實驗人物進行實際的操作和指引其進入實驗室并展開實驗。在實驗學習中，還可以實現圖文介紹、界面交互等功能。通過趣味性的知識點，增強了學生的學習興趣，學生通過三維場景的瀏覽和交互操作，可以有效熟悉實驗操作的注意事項，避免了因為沒有經驗而接觸有害試劑的情況，幫助學生增強并鞏固了安全意識和知識獲取。

案例說明②：南方醫科大學通過虛擬實驗課程將人感染高致病性禽流感的事件進行了模擬，通過故事情節的方式，還原了突發公共衛生事件的應急及實驗方式。將虛擬仿真實驗與實際的課本理論進行了相結合。學生可以對該內容進行反復的觀看和實驗[3]，達到了增強理論知識和增強實驗水平的目的。像禽流感這種疾病，由于病情的特殊性，在實驗試驗中是很難完成的，而學生通過虛擬實驗平臺可以了解到實際的操作解決辦法。 例如：物資的準備、個人的防護、控制疫情的方式及對于現場流行病學的調查和樣本采集及現場消毒等，通過實驗操作的方式按照步驟進行操作。當學生對于操作步驟無法拿捏或不敢進行判斷時，系統還會自動給出提示，指引學生完成全部的實驗過程，并在實驗結束后，給出考核分數。

2 當前藥學專業的學習現狀

我國各類藥學院校在近幾年里都展開了有關于實驗的教學方式，并對其中的教學內容和教學方式等不同方面進行不同程度的改革，獲得了較好的教學成果。 但在老師帶領學生進行教學實驗中，面對一些短期內無法達標的硬性客觀條件，給實驗教學也帶來了非常多的困擾[4]。

2.1 教學條件有限

由于老師帶領學生的教學實驗時間有限，所以在教學中，很多學生沒有理解其中的重點內容，特別是藥學實驗本身存在持續性，在進行一些藥物濃度測試、藥物合成及成分提取和結構檢定等綜合實驗時，大多需要較長的時間來進行，面對時間和地點的限制，導致學生很難成功完成綜合實驗。

2.2 實驗局限性較高

由于藥學實驗中存在較多含有毒性成分的試劑、容易燃燒和爆炸的試劑及一些細胞和細菌，導致有些實驗存在安全問題[5]，面對這類實驗的安全性問題，讓并沒有成熟經驗的學生進行操作，一旦發生失誤的情況很容易給身體及環境帶來極大的傷害，所以很多實驗課程無法開設，這直接影響了實驗的教學進度。

2.3 器材消耗過高

教學的成本及設備器材的成本相對來說過高，大部分學校無法滿足每位學生作為實驗測試造成的大量消耗，例如實驗的動物、珍貴的細胞和菌株等，且試劑及藥品的消耗量也非常高，且實驗設備的數量本身有限，導致有些學生沒有操作過，對于實驗操作也并不熟練，給實驗學習帶來較大的影響[6]。

2.4 危險性較大

不同于其他學科，藥學是一門既包含醫學又包含化學的交叉型科目，學生不但要掌握許多過硬的理論知識，還要擅于動手，對實驗進行測試，這也說明了試驗教學的重要性。在藥學合成的眾多實驗中，都會有高溫高壓、易燃易爆的情況，除此之外，還有很多有毒有害的物質及氣體散發。過去傳統的實驗中，學生親自操刀操作的方式，危險系數過高。

3 藥學虛擬仿真教學建立的必要性及優勢

由于藥學對于學生的理論及動手能力要求均很高，所以其中的分析實驗還會接觸到較為高尖端的儀器，但很多學校基本上都不具備這些儀器。大多學生在畢業后實習的單位也偏向于藥廠，這類化工企業出于對安全的考慮，也不會讓學生參與到實驗中，而在學校，由于器械材料的不足和安全問題的原因，也很少能夠允許學生進行頻繁的實驗。 學生如果只學習理論，沒有經過實際的鍛煉，將來在社會上就業也是不合格的。 這足以體現藥學虛擬仿真教學設備建立的重要性[7]。

虛擬仿真實驗教學是利用虛擬的方式將現實中的物件進行高度的還原和仿真， 再結合多媒體的智能技術，幫助學生運用虛擬的環境完成藥學實驗，用此類方式解決在實際教學中無法進行和操作的實驗測試。近年來，在虛擬仿真教學運用得越來越頻繁，隨著時間的推移，當下虛擬仿真教學已經是新型教育中不可缺少的重要組成部分。

虛擬仿真教學能夠幫助學生有效提高實驗效率，且在實驗中可以自主拓展，利用虛擬仿真實驗的方式不會存在安全隱患，而且不受時間和地點的限制，還具備實現實驗共享和公開的特點，在當今的藥學高校中，應當把藥學虛擬仿真實驗教學作為整個仿真實驗教學和智能化建設的核心內容[8]。 和過去的傳統實際操作實驗方式截然不同，利用虛擬仿真教學的模式能夠幫助學生增強自主創新發展的學習意識，大幅度增長了學生的動手能力且對教學器材和成本的節約有著重要貢獻，是幫助高校進行實驗教學的重要改革方式，并與藥學教育當前的發展與走向完全吻合，幫助學生利用課下的時間對于實驗進行有效的操作，幫助學校培養了更多優秀的藥學人才。 部分高校為了更好地進行實驗教學，已經開通了除藥學外其他像分析化學、中藥化學等虛擬仿真的試驗教學平臺，并在建立虛擬仿真平臺的同時，實現了應用的價值[9]。

4 藥學虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

4.1 藥學虛擬仿真實驗教學平臺建設

有些學校的平臺建設分為多種類型，其中包含了“藥物化學”“天然藥物化學”“藥物分析”“新型藥物研發”“毒理學”等，但這些藥物的實驗是完全分割開的，這種教學方式會導致學生的整體學習思維被切斷，無法進行連貫的運用和理解。所以學校應當在原有課程的基礎上，建立出綜合全面的“藥物設計試驗”平臺，課程內容也應該包含藥學的所有知識點，學生可以通過自己的興趣點選擇進行不同的實驗并展開學習。依托專門的化學實驗教學示范中心并根據藥學特質，進行豐富資源的虛擬仿真實驗教學平臺建設，委托相關開發公司將虛擬仿真技術進行開發， 并把開發后的仿真技術與平臺進行結合，平臺功能需要包含教師端和學生端，以此來滿足不同的需求[10]。

學生端：學生的預習內容、演示操作、學習方式、考核評分、上傳報告、評價考核。當學生完成選題后，應當要求學生提前將實驗的相關內容進行預習，通過預習測試后，才能進入下個環節，而學生也可以通過該平臺直接和老師進行聯系和互動，提交自己的實驗報告等[11]。

教師端：資源管理、題目管理、綜合評價統計及最終考試成績管理等不同系統，包括實驗教學資源、虛擬的實驗操作、提交實驗報告、發展新項目訓練、老師與學生之間的互動交流、實驗操作考核及查詢最終成績的功能[12]。老師也可以在線上對于學生的實驗進行安排、實時查看學生的實驗進展、對學生的實驗作業進行批改等，空閑時還可以在線解答學生提出的疑問，并根據學生的興趣和強項，建立學習小組，指導學生去參加比賽。

4.2 藥學虛擬仿真實驗教學平臺應用

在藥學虛擬仿真實驗教學平臺中共設置了6 種系統，學生可以在教師的指導下進行合理的實驗操作和學習，有效避免不必要的成本消耗。 此外利用網絡教學的方式還可以幫助學生隨時隨地進行有效學習[13]。 作為虛擬仿真實驗教學平臺應當將學生放在第一位，明確自身的教學理念（即以學生為中心），在面對教學實驗時，應當增強綜合性創新實驗在教學實驗中的次數，建設良好的藥學虛擬仿真實驗教學模式[14]。 由于藥學的學科內容較為復雜，在進行仿真實驗教學前，應當將與藥物學相關的藥物化學、藥理學、藥劑學藥物分析等其他與藥學有關的課程中存在的虛擬仿真實驗教學內容進行科學的整理并制定出于藥學相關的實驗教學內容；再把大部分實驗項目進行虛擬化，將一些受到時間、地點限制的實驗內容通過虛擬化的方式展開教學[15]。

4.3 應用成果

將虛擬仿真技術應用在藥學實驗教學中優勢較為明顯且比過去的傳統教學模式更加安全：學生通過仿真技術進行操作，對于自身的動手能力起到了很大的提升作用；在面對一些含有有毒氣體且存在爆炸等危險的實驗時，利用仿真技術的優勢既幫助學生完成了實際的實驗操作，又避免了可能存在的危險，對于現實實驗起到了較好的輔助作用[16]。

利用虛擬仿真技術可以鍛煉學生發現問題并解決的技能，培養學生的科學思維，由于在虛擬系統中有對于學生成績獲取和考核的系統功能，所以學生的每一次實驗記錄都能夠被老師利用起來，并對學生的操作能力和理解能力有清楚的了解并展開評分，對于師生間的溝通起到較高的融合作用[17]。 鍛煉了學生的動手能力、思維發展能力及全面的綜合素質能力，學生利用虛擬仿真實驗的方式對實驗標準有了清晰的認識，并對實驗的操作和過程有了熟悉度，在真實實驗時能夠有效減少實驗儀器的損壞，加強了實驗水平，保障了安全性，并有效將實驗成績提升7%。

5 結論

當前虛擬仿真實驗教學是幫助學生增強實踐能力的最好方式，通過實驗平臺可以將教學中需要的資源及制度通過科學的方式組合在一起，為學生的實踐經驗提供了強勁的技術支持。藥學虛擬仿真實驗教學平臺的建設和應用離不開科學技術和實驗教學[18]，采用藥學虛擬仿真實驗教學平臺能夠給幫助學生和老師進行更加方便快捷的學習，對于學生的研究和發展能力有顯著的提高，提高了整體的實驗教學質量。 當前越來越被廣泛運用的云計算、人工智能及大數據、電子信息等多樣的科學技術為虛擬仿真實驗教學帶來了巨大的幫助，未來一定還會創建出更多有助于培養人才的教學方式，助力教育事業再次提升。