以抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化為例的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與應(yīng)用

李明華 蘭 婷 冀 楠 秦向陽(yáng) 張俊娜 田秦秦 王海波 何 煒

空軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系化學(xué)制藥學(xué)教研室，陜西西安 710032

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)被列為教育部的重點(diǎn)建設(shè)工作之一[1]，是當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。化學(xué)學(xué)科是理論與實(shí)踐結(jié)合為一體的自然科學(xué)，我校化學(xué)教研室從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，緊跟社會(huì)與學(xué)科的發(fā)展，突破化學(xué)實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、試劑、設(shè)備等方面的限制，于2020—2021學(xué)年完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，開(kāi)設(shè)了一個(gè)有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化。學(xué)生通過(guò)客戶端，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和實(shí)驗(yàn)積極性，從中收獲實(shí)踐體驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)必備的基本操作，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，鞏固教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)還能夠滿足本科化學(xué)教學(xué)不斷增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)課程需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了完善和創(chuàng)新，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是有機(jī)化學(xué)教學(xué)中非常重要的一部分，可以很好地提高學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。然而，傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程卻存在著諸如以下的問(wèn)題[2-7]：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)占大多數(shù)，探索性、設(shè)計(jì)性等需要學(xué)生自主思考、查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線的幾乎沒(méi)有。在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生往往只進(jìn)行最基本的操作訓(xùn)練，如重結(jié)晶、熔點(diǎn)測(cè)定，萃取升華等。除了基本操作，有機(jī)的合成實(shí)驗(yàn)也是單一化合物的制備為主，如阿司匹林的制備等。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置不能有效地激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，不利于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)技能和綜合能力。教學(xué)方式單一，造成學(xué)生惰性較強(qiáng)。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程仍然是以老師講授為主，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下規(guī)范操作即可完成。課堂上，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)需要思考的內(nèi)容并不是太關(guān)心，只是想著怎么快速地完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告也經(jīng)常是照著課本抄一抄，對(duì)于創(chuàng)新思維的發(fā)展提升程度小。教學(xué)過(guò)程不夠綠色環(huán)保，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，所選擇的實(shí)驗(yàn)都是毒性相對(duì)較小，適合給學(xué)生開(kāi)展的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。雖然如此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍不可避免的會(huì)用到一些有一定毒性易揮發(fā)的試劑，對(duì)環(huán)境造成的污染也是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。學(xué)生人數(shù)眾多，昂貴的大型精密儀器數(shù)量很少，很難保證每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)獨(dú)立操作，儀器的操作僅僅停留在理論層面上，學(xué)生難以真正的掌握。因此，在傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用快速發(fā)展的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革方向之一，既可以輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)又可以突破時(shí)間和空間的限制，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性。

2 虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)

虛擬仿真技術(shù)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等現(xiàn)代技術(shù)將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性的更高層次仿真技術(shù)[8-10]。借助這一技術(shù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)被引入高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真相結(jié)合，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，同時(shí)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的各種問(wèn)題[11-13]。2014年，華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真中心獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[14]，并將其用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、臨床醫(yī)學(xué)等多個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面取得了顯著的成效。2016年，北京大學(xué)也完成一項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”，讓學(xué)生進(jìn)行分組獲得實(shí)踐體驗(yàn)，鞏固教學(xué)內(nèi)容[15]。

3 抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化實(shí)驗(yàn)

3.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的理念

青蒿素（artemisinin）是20世紀(jì)70年代我國(guó)藥物化學(xué)家屠呦呦教授從菊科植物黃花蒿中分離的抗瘧疾藥物，其特點(diǎn)是對(duì)瘧原蟲(chóng)無(wú)性體具有迅速的殺滅作用。這一醫(yī)藥史上的偉大發(fā)現(xiàn)，每年在全世界特別是發(fā)展中國(guó)家挽救了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)瘧疾患者的生命，屠呦呦教授也因此獲得了2015年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[16]。通過(guò)這樣熟悉的背景可以很好地激發(fā)同學(xué)們的民族自豪感，同時(shí)這是一個(gè)從天然產(chǎn)物到藥物的過(guò)程，學(xué)生是非常感興趣的。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的試劑，實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間也很長(zhǎng)，因此考慮將抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，依托虛擬實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，學(xué)生在電腦端開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，完成各項(xiàng)操作，如減壓蒸餾、重結(jié)晶、柱層析和薄層層析及熔點(diǎn)測(cè)定等，一整套流程下來(lái)使學(xué)生能夠了解從植物中提取、鑒定天然產(chǎn)物的過(guò)程，理解青蒿素提取、純化和鑒定的原理和方法以及各項(xiàng)操作的具體方法，達(dá)到課程教學(xué)計(jì)劃的要求。

3.2 項(xiàng)目構(gòu)建

抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建是仿照真實(shí)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)整體流程見(jiàn)圖1。

圖1 抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化設(shè)計(jì)流程圖

作為虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展在思路設(shè)計(jì)及流程優(yōu)化時(shí)需要充分考慮現(xiàn)實(shí)教學(xué)中需要學(xué)生掌握的知識(shí)點(diǎn)及操作如何能有效地呈現(xiàn)出來(lái)，如何通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的互動(dòng)，是教師在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)要考慮的問(wèn)題。具體做法如下，舉例進(jìn)行說(shuō)明。

在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)之前，首先要讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)背景。WHO發(fā)布的2019世界瘧疾報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2018年瘧疾發(fā)病人數(shù)仍高達(dá)約2.28億人，全球約40.5萬(wàn)人死于瘧疾[17]，感染瘧疾之后會(huì)出現(xiàn)癥狀，說(shuō)明瘧疾是全球廣泛關(guān)注的重要公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。我國(guó)藥學(xué)家屠呦呦教授在抗瘧疾藥物青蒿素的發(fā)現(xiàn)中做出的重要貢獻(xiàn)。青蒿素的發(fā)現(xiàn)及使用，每年在全球拯救了數(shù)以百萬(wàn)瘧疾患者的生命，更加清晰地見(jiàn)證了中藥對(duì)人類健康的重要作用。接下來(lái)，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理，這些均以圖文的形式出現(xiàn)，有了這些鋪墊，學(xué)生對(duì)抗瘧疾藥物青蒿素就有了更加全面、明確的認(rèn)識(shí)，從而充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)興趣和操作積極性。

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，教學(xué)目標(biāo)是掌握回流操作，首先在畫面中給出A圓底燒瓶、B冷凝管、C索氏提取器、D加熱裝置、E蒸餾頭、F尾接管、G溫度計(jì)七個(gè)選項(xiàng)供學(xué)生選擇，設(shè)置學(xué)生選擇正確才可進(jìn)行后續(xù)操作，選擇正確之后學(xué)生模擬搭建回流裝置，并在界面中彈出冷凝水的進(jìn)出順序供學(xué)生選擇。裝置搭好后進(jìn)行干燥青蒿葉粗粉的稱量工作，教學(xué)目標(biāo)是掌握稱量天平的使用，固體試劑的稱量、固體試劑的轉(zhuǎn)移等，在虛擬實(shí)驗(yàn)中可以分步展示詳細(xì)的操作流程。

在青蒿素的粗品提取階段，教學(xué)目標(biāo)是掌握索氏提取器的使用，虛擬實(shí)驗(yàn)中這一部分可以用教師錄好的視頻，老師實(shí)際演示如何折濾紙筒，如何裝料，放入索氏提取器時(shí)需要注意的細(xì)節(jié)，這樣虛實(shí)結(jié)合，幫助學(xué)生掌握操作方法。

在青蒿素純化階段以動(dòng)畫的形式詳細(xì)分步展示柱層析步驟，加壓洗脫，收集洗脫液進(jìn)行旋干，TLC監(jiān)測(cè)，根據(jù)Rf值及斑點(diǎn)數(shù)目，鑒別青蒿素并判斷純度。項(xiàng)目構(gòu)建過(guò)程中每種儀器、試劑會(huì)都給學(xué)生進(jìn)行展示，主要步驟都會(huì)有詳細(xì)的說(shuō)明及細(xì)節(jié)放大，需要學(xué)生掌握的知識(shí)會(huì)以題目形式出現(xiàn)，方便學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的深入了解，最終對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行打分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件操作界面見(jiàn)圖2～4。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)界面圖

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)界面

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)界面

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

學(xué)生登錄虛擬實(shí)驗(yàn)界面后，首先點(diǎn)擊背景知識(shí)，之后再逐一點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、儀器設(shè)備，基本操作等圖文介紹，模擬預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，然后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，按照操作指引，逐一完成各項(xiàng)步驟。2021年春季學(xué)期我校開(kāi)始將虛擬實(shí)驗(yàn)室作為試點(diǎn)向本科生開(kāi)放，共計(jì)439人參與了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作。教學(xué)組通過(guò)查閱文獻(xiàn)設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷[18]并結(jié)合學(xué)生實(shí)際操作進(jìn)行效果調(diào)查，結(jié)果表明，90%以上的同學(xué)在提高學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性方面有較好的效果。93%的同學(xué)能從虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中掌握實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)操作，理解柱層析，TLC等試驗(yàn)方法。95%以上的同學(xué)認(rèn)可虛擬實(shí)驗(yàn)，希望有更多的實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)成虛擬實(shí)驗(yàn)供大家學(xué)習(xí)操作。見(jiàn)表1。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果問(wèn)卷調(diào)查[n（%）]

5 總結(jié)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在基于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供的一種新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健？汞懠菜幬铩噍锼氐奶崛∨c純化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到步驟多耗時(shí)長(zhǎng)溶劑用量大的復(fù)雜化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一次探索與嘗試，它不受限于儀器、試劑、師資等條件的限制，可以更加方便地滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求并寓教于樂(lè)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，經(jīng)實(shí)踐取得了較好的學(xué)習(xí)效果。今后將繼續(xù)嘗試適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真項(xiàng)目，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更好的服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向著網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、多元化的方向發(fā)展，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生的主動(dòng)性及滿意度。