醫學院校醫用有機化學虛擬仿真教學實驗的設計與應用

王海波 張俊娜 何 煒

空軍軍醫大學藥學院化學制藥學教研室，陜西西安 710032

目前，在實驗教學中融入虛擬仿真技術已得到迅猛發展，是國內外教育改革發展戰略的重要方向。教育部近年來先后發布了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》[1]《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》[2]文件，強化了對于虛擬仿真實驗實訓中心建設的必要性和重要性。虛擬仿真實驗教學模式基于虛擬現實、人機交互、互聯網等數字技術和數據資源，對一些不具備真實實驗條件或難以完成的實驗，依托于高度仿真的數字虛擬環境，構建虛擬仿真實驗室、實驗操作環節、實驗對象等，模擬真實實驗教學中的多種場景，可實現教師和學生在虛擬實驗室中進行完整的實驗教學流程，呈現出虛擬仿真實驗的效率高、拓展性好、安全性高、易于開放和資源共享等優點，從而達到虛擬仿真實驗對真實實驗教學的有效補充和延伸，也為實踐教學模式的改革提供了更多途徑，更易于采用多種以學生為主體的多元化教學方法，易于強化學生學習的主動性和開拓性，培養學生的創新意識和科學思維，貫通課上與課下、理論與實踐、教學與科研，更加適應當今時代大學生的學習習慣[3-4]。

醫用有機化學是為醫學院校本科專業開設的一門重要的公共基礎課，與醫學、藥學、醫學等內容密切相關，是培養學生醫學素養必不可少的課程。其中，化學實驗是學生運用理論知識、提高動手操作技能的重要環節，對于學生理解和領會化學與醫學課程相關的內容，培養其科學的思維方法十分重要，對其后續學習生物化學、藥理學、生理學、預防醫學等醫學專業課程起著基礎框架的作用。因此，結合當前虛擬仿真技術的快速發展，本教學組構建了醫用有機化學虛擬仿真實驗教學平臺，為“互聯網+”背景下建立與醫學、藥學更加緊密融合的實驗教學體系提供了支撐與保障。

1 實驗項目建設背景

在傳統的化學實驗中，一些涉及高危、高壓、低溫或極端環境要求，不可及或不可逆的操作，導致高成本、高消耗的實驗難以在本科生實驗教學中順利開展[5-6]。化學實驗的教學內容多是驗證性及綜合性實驗，一些與醫藥學或藥學相關的大型或綜合性化學實訓項目無法開展。

近年來，國內一些醫藥類高校，如中國藥科大學、成都中醫藥大學、江西中醫藥大學創建了國家級虛擬仿真實驗實訓中心，通過將傳統實驗實訓和虛擬仿真實驗有效結合，明顯提高了學生的學習興趣，學生在實驗過程中操作的盲目性及操作失誤概率顯著降低，節約了實驗成本和資源，彌補了傳統化學實驗教學中存在的諸多問題[7]。

學生對化學實驗的學習動力不足、興趣不濃，難以激發學生的興趣，實驗時照方抓藥，對真正的原理理解不透。學生進行虛擬仿真實驗時，如同進入了真實實驗室，能夠對使用的儀器、裝置和操作方法有直觀的了解，與理論知識點相銜接，對實驗原理有更深入的理解和掌握。而且，學生對虛擬仿真實驗的形式充滿好奇，進入實驗室后可感受到豐富的模塊內容。操作界面友好，學生按引領依照步驟實施實驗操作，觀看展示的實驗現象，其學習的主動性可有效激發，從而提升了實驗教學的整體效果[8]。

學生在實驗操作階段可能存在產率低或得不到產物的問題，尤其是有機合成、天然產物提取等實驗，需要大量的有機試劑，將造成一定的環境污染。此類實驗若采用虛擬仿真實驗實施，則可凸顯虛擬仿真實驗周期短、操作簡便的優勢，有效減少實驗器材、藥品的消耗，減少環境污染[9]。

受限于學生實驗條件，一些大型先進的儀器設備無法應用到真實實驗教學中，如有機合成實驗，需要應用紅外、核磁、質譜等儀器鑒定化合物結構，但由于實驗場地、實驗室條件及實驗操作人數的限制，難以在本科生實驗教學中應用。而依托于虛擬仿真實驗，則可將此類實驗引入本科教學中，設置難度較大的實驗，整合有機化學中先進的儀器設備，更加利于開設化學與醫學和藥學密切結合的實驗項目[10-11]。

本研究所述醫用有機化學虛擬實驗的構建思路及應用，是在獲得的中華醫學會教育課題[基于虛擬仿真實訓平臺構建“三協同”多元化醫學院校化學實踐教學新模式的研究（20B1228）]基礎上，借助于空軍軍醫大學信息化教學平臺，把虛擬仿真實驗技術融入到有機化學實驗課教學中，采用化學實驗課的多元化教學模式，真正體現出學生學習的自主性和思維的創新性，力求提高醫用有機化學實驗課教學的質量和效益。

2 醫用有機化學虛擬仿真實驗項目的建設內容

本研究所建設的醫用有機化學虛擬仿真實驗教學平臺，采用的是易于開發、適用性較強且維護成本較低的“終端/服務器（B/S）”架構，通過學校局域網連接虛擬仿真實驗室與各實驗用戶，實現不同實驗用戶共享同一虛擬仿真實驗空間。應用這套虛擬仿真實驗教學系統，學生能夠自主化進行實驗預習，閱讀、學習實驗背景及拓展資源，了解和掌握實驗原理，再進行虛擬仿真實驗操作及實驗微課觀摩，進一步加深對所學知識的理解。

2.1 虛擬仿真實驗教學內容

醫用有機化學虛擬仿真實驗的教學內容是按照空軍軍醫大學醫學專業本科生的培養目標，依托現行的科研“早實踐”和“本科生導師制”進行確定，注重化學與醫學、藥學的融合、教學與科研的融合、課內與課外的融合，將有機合成、藥物化學、藥效學等相關學科的特色綜合于虛擬仿真實驗教學內容當中。筆者所在化學制藥學教研室的科研方向主要有不對稱催化反應研究、藥物活性分子的合成及藥效學篩選等，教師按照對學生的培養目標，將科研課題分解為若干單元，從中選取與實驗課內容密切相關的單元，設置為虛擬仿真實驗項目，達到培養學生綜合分析問題、創新思維的目標，也可使學生近距離的感受科研氛圍，使醫用有機化學實驗的教學效果更加生動。

如教師將承擔的國家級科研項目“輻射防護藥物氮氧自由基的設計合成及藥效學研究”建設成為了虛擬仿真實驗。在該虛擬仿真實驗中，首先向學生展示了實驗項目的背景：隨著現代高科技的發展，輻射作為一種廣泛存在于自然界的“隱形污染源”，在民用領域嚴重威脅著人類健康，而氮氧自由基類化合物能夠很好地降低因電離輻射導致的氧化損傷[12]。通過這樣的背景介紹，使學生對藥物的制備及應用產生了濃厚的探索興趣，尤其是拓展了其醫學和背景知識（圖1）[13]。在實驗操作部分，著重強調有機合成反應類型、機制；合成操作方法則涉及到有機合成的一系列基本操作，如攪拌、滴液、回流等；化合物的后處理方法涉及到萃取、分液、過濾、旋蒸、柱層析等操作；新化合物的結構鑒定采用1H NMR、13C NMR進行，這些操作與其在理論課中學習的知識點密切呼應。見表1。

表1 輻射防護藥物的合成虛擬仿真實驗中學生學習到的知識點

圖1 虛擬仿真實驗中與化學、醫學相關的背景知識介紹

2.2 虛擬仿真實驗系統的模塊與功能

在醫用有機化學虛擬仿真實驗系統中，設有該學科的整體介紹、教學師資、特色創新、管理平臺、條件保障、資源導航等模塊內容，使用者可以管理員、教師或學生的身份登錄系統。管理員主要是維護和增添平臺的數據庫，使用者可借助局域網計算機或手機等終端設備瀏覽器訪問服務器，完成電子教材閱讀、實驗微課觀摩、實驗操作、練習與考核、實驗報告提交等模塊的學習。同時，虛擬仿真實驗系統搭載了超星學習通網絡課程，學生在實驗學習過程中，可實時在線或留言與教師交流，分析處理實驗中遇到的問題。教師則全方面掌握學生預習、實驗操作、對問題的解決等學習情況，針對學生薄弱部分進行重點關注，實現“多層次、開放式”的虛擬仿真實踐教學體系在醫用有機化學教學中的應用（圖2）。

圖2 “多層次、開放式”的虛擬仿真實踐教學體系

2.3 教學組織模式

在醫用有機化學虛擬實驗教學系統中，采用超星學習通作為網絡學習媒介，建成了實驗目錄、實驗原理、操作步驟、注意事項、數據處理方法等條目。本教學組還錄制了配合虛擬仿真實驗的實操微課視頻，從實驗原理、實驗操作、注意事項等方面逐一進行現場講解作為虛擬仿真實驗的輔助。在具體的教學實施中主要以探究式教學法為主要模式依托虛擬仿真實驗組織進行。

①選擇探究的虛擬實驗題目。教師向學生展示虛擬仿真實驗主題，學生選擇感興趣的實驗題目，教師提出需要解決的系列任務，學生根據任務有的放矢的查閱文獻和資料，撰寫并提交與實驗主題相關的小綜述，經過學生自主加工學習后，再組織學生到虛擬仿真實驗室，學習與實驗主題相關的背景知識和實驗原理，為設計實驗方案提供基礎。②學生提出初步實驗方案。教師在學習通中將選擇同一實驗主題的學生分至同一組，組織其自行設計初步實驗方案，方案中需包含實驗藥品、實驗儀器、操作步驟，尤其是提出一些方案中需要討論和解決的問題。學生將實驗方案和問題提交至學習通討論區。③論證實驗方案的可行性。學生和教師在學習通討論區對實驗方案進行集體討論研究，并在課堂選擇學生代表，以課件講解的形式，匯報初步實驗方案，指導教

師與學生進行共同論證，包括實驗步驟、合成原料、注意事項等，這些問題需具有一定的普遍性。師生共同完善實驗方案。④完成實驗操作。學生在充分準備好預習與實驗方案后，在教師的指導下，以使用者身份登錄進入虛擬仿真實驗室進行實驗操作，實驗期間需詳實記錄實驗現象，如實記錄實驗數據。實驗結束后對所記錄的實驗現象和數據進行整理和分析，撰寫并提交實驗報告。⑤進行實驗反思。要求學生在提交實驗報告時，同時進行實驗的總結和反思，對比虛擬仿真實驗和自己設計實驗方案的異同點，寫出造成方案差異的原因和由此引起的實驗操作或結果的差別。對于完成情況較好的小組，教師可以讓其分享實驗設計的心得，大家交流討論以及學習其好的做法，最后教師再進行點評。

3 醫用有機化學虛擬仿真實驗項目的應用調查

這種依托于虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術及科研課題分解單元所建設成的虛擬仿真實驗項目，顯示出“虛實結合”、教研互補、體現化學與醫學和結合的特色，使學生一方面牢固掌握基礎的有機化學知識，也使其在完成虛擬仿真實驗的同時，感受到化學對醫學、藥學和發展的推動作用，對于醫學和相關的有機化學原理的理解更加透徹。

通過調查問卷對空軍軍醫大學藥學院2020級醫用有機化學的本科教學效果進行統計分析。見表2。結果顯示，多數學生對于實驗課的自學能力有了較大程度的提升，如實驗動手操作能力、對化學實驗課的興趣、對理論課知識點的理解方面均有較明顯的提升。大部分學生對于參與科學研究的興趣有較明顯的提高，如對嚴謹的科學作風、實事求是的科學態度有了一定感受，思考、分析、解決問題的能力有一定的提高，對創新意識和能力有進一步的認知。該調查統計數據表明，本研究采用的虛擬仿真實驗項目取得了較好的教學效果。

表2 與科研結合的實驗教學模式在《醫用有機化學》教學中的學習效果調查問卷（325份有效調查問卷）

4 總結

培養創新型、綜合素質的醫學人才，已成為我國新時期人才培養的迫切需要[14]。醫用有機化學虛擬仿真實驗平臺設置有多個實用的功能模塊，與現實的實驗操作訓練優勢互補，強化了化學與醫學和藥學的聯系，利于調動醫學生參加創新活動的積極性、主動性，顯著提高了學生的實踐能力、創新能力和科學素養，對于提升醫用有機化學實驗教學效果起到了積極的促進作用[15-16]。