基于虛擬仿真技術(shù)的藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

李文　胡芳弟　崔方

［摘 要］課程組針對(duì)藥學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單一、脫離藥品實(shí)際生產(chǎn)等問(wèn)題，以參芪顆粒的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和質(zhì)量檢驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相關(guān)藥學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)達(dá)到了綜合多個(gè)專業(yè)課程、多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和多個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的目的。同時(shí)，課程組構(gòu)建了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，集成實(shí)驗(yàn)背景介紹、虛擬實(shí)驗(yàn)、操作示教、導(dǎo)向問(wèn)題、實(shí)踐考核等多個(gè)模塊，應(yīng)用于線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬教學(xué)相結(jié)合，既能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，又能提高教學(xué)效率，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)的藥學(xué)人才具有積極的作用。

［關(guān)鍵詞］藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真技術(shù)；參芪顆粒

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）09-0089-04

藥學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)操作及原理。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般按理論課程設(shè)置，以基礎(chǔ)操作實(shí)驗(yàn)為主，與實(shí)際生產(chǎn)和科研要求脫節(jié)，已經(jīng)不能滿足本科教學(xué)培養(yǎng)發(fā)展的需要[1]。綜合性實(shí)驗(yàn)可將多門(mén)專業(yè)課程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才，但是綜合性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)需要大量經(jīng)費(fèi)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持，耗時(shí)也較長(zhǎng)。虛擬化實(shí)驗(yàn)技術(shù)不受經(jīng)費(fèi)、時(shí)間的限制，是對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充[2-3]。本研究以參芪顆粒為實(shí)驗(yàn)載體，以提升藥學(xué)教學(xué)效果為目的，綜合多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)方法；同時(shí)利用虛擬仿真平臺(tái)集成實(shí)驗(yàn)背景介紹、虛擬實(shí)驗(yàn)、操作示教、導(dǎo)向問(wèn)題、實(shí)踐考核等多個(gè)模塊，讓學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)條件下取得更多的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)闊學(xué)生的科研思路，激發(fā)學(xué)生的科研興趣[4-5]。

一、以參芪顆粒為實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的合理性

對(duì)于藥學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，好的研究對(duì)象是設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的前提。而中藥制劑的制備及分析涉及天然藥物化學(xué)、藥劑學(xué)、藥物分析學(xué)、分析化學(xué)及儀器分析等多個(gè)學(xué)科[6]。雖然在綜合性院校，藥學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要以西藥為實(shí)驗(yàn)載體，但是隨著我國(guó)對(duì)中藥發(fā)展的重視[7-9]，藥學(xué)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該注重通過(guò)中藥類(lèi)綜合性實(shí)驗(yàn)快速熟悉中藥生產(chǎn)、分析的全過(guò)程。為了完成本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要對(duì)中藥制劑的全過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)踐操作，其中提取分析、制劑工藝、樣品分析實(shí)驗(yàn)在整個(gè)藥學(xué)培養(yǎng)體系中又具有普適性，藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生能將天然藥物化學(xué)、藥物制劑、藥物分析、儀器分析等理論知識(shí)快速地應(yīng)用到綜合實(shí)驗(yàn)中。

參芪顆粒其由黃芪和黨參組成，黃芪和黨參是中藥大品種，是極好的學(xué)習(xí)中藥概念及現(xiàn)狀的載體[10-11]。據(jù)藥智網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，在藥品名稱中直接含有“黃芪”的有60多種，黨參作為補(bǔ)益藥，除作為藥用外，日常生活中也常常作為煲湯等食補(bǔ)原料，每年的產(chǎn)量達(dá)到60萬(wàn)噸[12]。因此，以參芪顆粒為研究對(duì)象設(shè)計(jì)藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生整體認(rèn)識(shí)中藥及其制劑，幫助學(xué)生進(jìn)一步了解所學(xué)專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)性，提高分析與解決問(wèn)題的綜合能力，并能快速地應(yīng)用到工作實(shí)際中。

二、“參芪顆粒的制備及質(zhì)量檢測(cè)”藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

（一）實(shí)驗(yàn)框架設(shè)計(jì)

該綜合實(shí)驗(yàn)打破以往各門(mén)課程每周一次的實(shí)驗(yàn)安排，以2～4周為實(shí)驗(yàn)單元，學(xué)生需要連續(xù)完成實(shí)驗(yàn)，環(huán)環(huán)相扣。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前要求教師以問(wèn)題為導(dǎo)向，回顧理論內(nèi)容。例如在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段要求學(xué)生查閱道地藥材的概念、黨參及黃芪的生藥學(xué)特征；在學(xué)習(xí)參芪顆粒劑浸膏提取工藝之前，要求學(xué)生復(fù)習(xí)天然藥物化學(xué)的提取方法等。這些內(nèi)容預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹睾希彩菍?duì)整體藥學(xué)實(shí)驗(yàn)的貫通，同時(shí)可以為具體實(shí)驗(yàn)操作奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先由實(shí)驗(yàn)教師講解綜合性實(shí)驗(yàn)原理和目的意義，并且介紹實(shí)驗(yàn)室所具備的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)前置實(shí)驗(yàn)完成不好，進(jìn)而影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的情況，因此實(shí)驗(yàn)教師還需要提前準(zhǔn)備每一階段實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品（如浸膏提取物、參芪顆粒劑等），以防止由于前置實(shí)驗(yàn)的失敗對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的影響。當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)的考核中要區(qū)別獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)和需要教師提供幫助的學(xué)生的成績(jī)，這樣既可以避免打擊學(xué)生的自信心，也可以提高學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的積極性。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中帶教教師應(yīng)規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，指導(dǎo)學(xué)生解決疑難問(wèn)題，要求學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的原始記錄。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求每組學(xué)生制作PPT，介紹自己組的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，回答指導(dǎo)教師和其他組學(xué)生的提問(wèn)。為了公正客觀、真實(shí)有效地評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，實(shí)驗(yàn)考核應(yīng)該貫穿教學(xué)的全過(guò)程、有量化指標(biāo)，這樣有利于全面客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

（二）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)設(shè)計(jì)

綜合性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)包括對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作步驟、思考題進(jìn)行指導(dǎo)。其中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕w現(xiàn)對(duì)學(xué)生的要求，例如要求學(xué)生掌握參芪顆粒的制備方法及注意事項(xiàng)等；實(shí)驗(yàn)背景主要介紹道地藥材概念、中藥顆粒劑、參芪顆粒的臨床及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)驗(yàn)原理包括各種操作參數(shù)選擇的依據(jù)及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，例如制軟材的程度以“手握成團(tuán)，輕壓即散”為宜，如軟材的程度不符合規(guī)定時(shí)，可加入適當(dāng)濃度的乙醇調(diào)整；實(shí)驗(yàn)操作步驟包括參芪提取工藝實(shí)驗(yàn)操作、制劑工藝實(shí)驗(yàn)操作、顆粒劑的質(zhì)量檢查實(shí)驗(yàn)操作、鑒別用樣品制備實(shí)驗(yàn)操作、硅膠薄層板制備操作、薄層鑒別實(shí)驗(yàn)操作、HPLC法測(cè)定參芪顆粒中毛蕊異黃酮、芒柄花素的含量實(shí)驗(yàn)操作，如圖1所示。

三、虛擬仿真技術(shù)在“參芪顆粒的制備及質(zhì)量檢測(cè)”藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

（一）虛擬仿真技術(shù)在藥學(xué)實(shí)驗(yàn)使用中的優(yōu)勢(shì)

建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的成本及后期投入較低，不需要購(gòu)買(mǎi)實(shí)際的儀器設(shè)備，尤其是一些高檔次、高價(jià)位的儀器設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也不必?fù)?dān)心儀器設(shè)備的損壞、丟失等，避免了一些投入高、利用率低的實(shí)驗(yàn)開(kāi)不出來(lái)的情況，不影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前，藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用傳統(tǒng)的講授法，占用了大量的實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間。部分學(xué)生由于課前不預(yù)習(xí)或種種原因而造成實(shí)驗(yàn)失敗，受時(shí)間的限制又不可能重做，使得他們產(chǎn)生了消極對(duì)待實(shí)驗(yàn)的念頭。此外，由于教學(xué)成本及時(shí)間原因，教學(xué)實(shí)驗(yàn)一般選擇成本較低的實(shí)驗(yàn)及2～6小時(shí)為單元的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的整體性和連續(xù)性不能保證。而虛擬仿真技術(shù)可以將實(shí)驗(yàn)原理、操作以動(dòng)畫(huà)形式展示，還可以集背景介紹、操作示教、導(dǎo)向問(wèn)題、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐考核等多種教學(xué)手段于一體，比傳統(tǒng)教學(xué)更生動(dòng)、更科學(xué)。虛擬仿真平臺(tái)示教環(huán)節(jié)大大節(jié)約了傳統(tǒng)示教時(shí)間，同時(shí)以問(wèn)題為導(dǎo)向，提示學(xué)生在操作中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，例如針對(duì)薄層色譜鋪制操作設(shè)置問(wèn)題：硅膠薄層板制備需要的材料有哪些？讓學(xué)生從多個(gè)實(shí)驗(yàn)材料中選擇，選擇正確的進(jìn)入下一示教環(huán)節(jié)，選擇錯(cuò)誤的提示正確答案，再進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。這樣可以避免“教師講授完，學(xué)生忘記完”的尷尬情況。

虛擬實(shí)驗(yàn)室具有開(kāi)放性、靈活互動(dòng)性和資源共享性。在綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬仿真平臺(tái)，這樣就相當(dāng)于教師隨時(shí)在指導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程可以像玩電子游戲一樣，用鼠標(biāo)去控制實(shí)驗(yàn)，可以一邊改變實(shí)驗(yàn)條件，一邊觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以任意放慢或加快實(shí)驗(yàn)過(guò)程，看到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中看不到的變化過(guò)程。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在具體實(shí)施中具有靈活性，不同學(xué)校根據(jù)教學(xué)經(jīng)費(fèi)不同，既可以將其作為演示教學(xué)，也可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助手段。

（二）基于虛擬仿真技術(shù)的藥學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)“參芪顆粒的制備及質(zhì)量檢測(cè)”的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)分為四個(gè)方面，如圖2所示：（1）原理操作模擬化。將大孔吸附樹(shù)脂、薄層掃描含量測(cè)定方法原理及HPLC原理用動(dòng)畫(huà)模擬方法展現(xiàn)。（2）操作視頻化。視頻設(shè)計(jì)中只選取操作關(guān)鍵階段，例如鑒別用樣品制備實(shí)驗(yàn)中的超聲、抽濾、蒸餾、萃取、柱層析、定容等操作展示。（3）背景知識(shí)及注意事項(xiàng)嵌入化。在虛擬平臺(tái)首先展示黨參和黃芪種植區(qū)域視頻，讓學(xué)生直觀看到藥材種植情況，同時(shí)輔助加入道地藥材等的解說(shuō)詞和字幕；每個(gè)操作視頻結(jié)束后跳出說(shuō)明，提示上述操作需要注意的事項(xiàng)，例如提示學(xué)生用溶劑提取藥材時(shí)，要注意提取溶劑，如果是有機(jī)溶劑必須使用有回流功能的提取裝置。（4）平臺(tái)考核問(wèn)題化。針對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置相關(guān)考核問(wèn)題，借鑒MOOC模式，問(wèn)題統(tǒng)一使用選擇題，問(wèn)題包括實(shí)驗(yàn)操作的安全性、注意事項(xiàng)、擬選擇儀器溶劑、操作的規(guī)范性等。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)上線

目前該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)上線，資源共享，網(wǎng)址為：http：//www.mengoo.com/VirLab/html5/smkl/index.html。其界面如圖3所示，分為實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)視頻和思考題，其中“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”為虛擬實(shí)驗(yàn)窗口，學(xué)生在此窗口要按照虛擬實(shí)驗(yàn)步驟完成虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如圖4所示。此外，“實(shí)驗(yàn)視頻”還提供教師示教。

四、結(jié)論和展望

（一）線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

本項(xiàng)目與“藥學(xué)綜合訓(xùn)練”實(shí)體教學(xué)相結(jié)合，既可以充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)學(xué)生將專業(yè)知識(shí)和操作技能融會(huì)貫通，又可以提高學(xué)生在進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)的教學(xué)效果及實(shí)驗(yàn)效率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)上開(kāi)放可滿足不同類(lèi)型學(xué)生的需求，通過(guò)模擬、線上示教等虛擬手段，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，從而全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的目的。

（二）學(xué)生自主學(xué)習(xí)與平臺(tái)視頻示教相結(jié)合

傳統(tǒng)的教學(xué)模式因?yàn)榭臻g的限制，會(huì)影響視覺(jué)效果，平臺(tái)視頻示教彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程一目了然，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，視頻可以遠(yuǎn)程示教，可以實(shí)現(xiàn)資源共享，解決了部分院校教學(xué)資源不足的問(wèn)題。

（三）整合式學(xué)習(xí)與通關(guān)式考核相結(jié)合

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以綜合掌握天然藥物化學(xué)、藥物分析學(xué)、藥物制劑學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析理論知識(shí)，綜合多種實(shí)驗(yàn)操作方法，綜合多種分析檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了配合學(xué)習(xí)，在不同實(shí)驗(yàn)結(jié)束后設(shè)置一個(gè)問(wèn)題，以鞏固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技巧等的掌握，并檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生回答問(wèn)題后才能進(jìn)入下一個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。在考核方式上，采用虛擬平臺(tái)學(xué)習(xí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)操作技能、最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告“1+1+1”的模式，能鼓勵(lì)學(xué)生充分利用虛擬平臺(tái)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］