數字化轉型背景下虛擬仿真技術應用于天然藥物化學實驗課程的探索

摘 要 虛擬仿真技術應用于天然藥物化學實驗課程是數字轉型背景下高等學校信息化課程體系建設的必然要求，對于創新型藥學類專業類人才的培養具有較大的優勢。從實用、科研、經濟效益、學生和教師使用的角度出發，分析并總結虛擬仿真實驗教學使用過程中的幾點建議，旨在為天然藥物化學等相關課程開展虛擬仿真實驗教學提供參考。

關鍵詞 虛擬仿真技術；實驗教學；虛擬仿真實驗；天然藥物化學；實驗空間；教育數字化

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-00-03

0 引言

隨著以數字化、網絡化、智能化為特征的新時代信息技術迅速發展，知識創造、傳播及利用所依附的主體和場景都在發生著深刻的轉變，教育數字化也成為時代發展的必然趨勢[1]。2021年7月印發的《教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》提出，全面挖掘信息數據的教學輔助功效，打造涵蓋數字資源、信息網絡、智慧校園、平臺安全、創新應用等新型基礎設施平臺體系，推進數字化教育的廣泛實施與高質量發展[2]。教育數字化是黨的二十大明確提出的重點任務，由此確立了教育數字化工作的重大改革意義和實踐價值[3]。

作為重要的專業基礎課程，天然藥物化學在高校藥學專業教學中發揮著無可替代的作用，包含著極廣泛的研究內容，如天然藥物的理化性質、結構類型、有效成分鑒定、分離提取及合成技術等。化學實驗課是該課程教學的重要核心內容，能夠幫助學生通過實驗操作鞏固藥學基礎知識、掌握必備實踐技能。目前多數高等學校的天然藥物化學實驗課存在課時少、實驗用時長、過程煩瑣等缺點，不少院校的天然藥物化學實驗課教學方式依然采用“老師講，學生做”的傳統教學模式，雖然在一定程度上可以鍛煉學生的動手操作能力，但很難激發學生的自主參與和自覺思考，導致他們難以快速掌握操作技巧和吃透實驗原理，缺乏對實驗細節的深入思考[4]。加之一些先進的提取分離、結構鑒定新技術，由于實驗成本高，無法大量應用，這會減少學生的實驗實踐機會，從而降低他們的創新創造熱情。

虛擬仿真實驗教學能夠通過對3D仿真等先進技術手段的積極運用實現對現實實驗活動的虛擬與混合，將實驗教學中無法動手操作及難以具體展現的內容通過計算機仿真系統進行完美解決。因此比線下教學具有更大的實施優勢，實驗成本投入低，實驗操作的重復性和安全性好，且沒有時間和場地的限制等突出的優點[5]。因此，在藥學專業教學中積極引入這種實驗模式可以有效彌補傳統實驗教學的不足，可以有效促進藥學類專業學生的實踐動手能力和創新能力的培養。2018年，在教育部的大力推動下，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（又稱“實驗空間”）正式打造成功，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務。目前，實驗空間共收錄國家級虛擬仿真實驗教學一流課程1 194門。2023年發布的《教育部辦公廳關于開展第三批國家級一流本科課程認定工作的通知》提出，虛擬仿真實驗教學課程擬認定數量約為500門[6]。這些虛擬仿真項目在實驗空間共享，幫助眾多高校解決實驗課程中不能做、不好做甚至不敢做的具體問題，從而使生產實訓活動變得更加完整完善，讓學生直接接觸最先進的實驗模式、對專業知識產生最深刻的理解。

自教育部虛擬仿真項目建設以來，河南中醫藥大學積極響應并根據項目具體要求構建了多元化資源整合體系與仿真實驗活動機制，在虛擬仿真實驗方面，已經有3個國家級、52個省部級項目獲得了批準通過，其中有12項是為藥學虛擬仿真教學服務的。在這些項目中，“地黃內生放線菌及代謝物分離鑒定”“黃連素及衍生物的制備方法虛擬仿真設計實驗”和“懷菊花黃酮類成分的分離及定性虛擬仿真綜合實驗”均涉及化學成分提取、分離、結構鑒定等方法，適用于天然藥物化學實驗教學，目前已成功運行并應用到兩個學期的天然藥物化學實驗課教學過程中。通過對學生開展的相關問卷調查，結果顯示，學生廣泛認可接受這些實驗教學項目，虛擬仿真實驗的開展對于學生實驗操作能力的提高和創新能力的培養起到了很大的促進作用。筆者基于虛擬仿真項目應用于本科教學的經驗提出幾點建議。

1 具體措施

1.1 從實用角度出發，建設與本科專業實驗教學契合度高的虛擬仿真實驗教學項目

天然藥物化學實驗的主要教學內容包括有效成分的提取、分離和結構鑒定，涉及的具體實驗操作不僅包括多種基本化學技能的具體操作，如溶液的配制、重結晶、薄層色譜、柱色譜法、化學反應，還包括各種儀器設備的使用，如旋轉蒸發儀、循環水泵、制備液相、核磁共振儀等儀器使用，涉及的儀器較多，操作復雜，部分實驗儀器價格昂貴，無法普及到每一個學生。多數實驗項目的周期較長，從藥材的提取、純化到化合物結構鑒定，一個實驗項目全部做完需要一天甚至兩天的時間才能完成，導致學生對整個實驗項目缺乏系統的了解。此外，由于總學時的限制，無法安排更多的實驗項目，不利于學生專業知識的培養。因此，應從實際使用角度出發，積極推動虛擬仿真與本專業實驗活動的高度契合與有效融合，以提高天然藥物化學實驗的可操作性和實效性，從而彌補相關實驗項目的不足。前期建設中，學校開發的“地黃內生放線菌及代謝物分離鑒定”和“黃連素及衍生物的制備方法虛擬仿真設計實驗”項目，應用了天然藥物化學實驗中的部分知識。2022年，筆者所在教研室開發的“懷菊花黃酮類成分的分離及定性虛擬仿真綜合實驗”是以“槐米中蘆丁的提取、鑒定及其水解產物的分析”實驗項目為基礎，主要針對河南道地藥材懷菊花中的黃酮類化合物，增加了大孔樹脂富集總黃酮、紫外分光光度計測定總黃酮的含量、制備液相的分離、核磁共振波譜的測試和處理等實驗內容，與天然藥物化學實驗知識點密切相關。針對天然藥物化學中不同類型的化合物，設計了不同提取、分離方法的虛擬仿真項目，從而滿足了“兩性一度”的建設要求，拓寬了學生的知識深度和廣度。

1.2 從科研反哺教學的角度開發適用于創新應用型人才的虛擬仿真實驗教學項目

隨著科學技術的進步，我國在天然藥物化學領域的研究取得了一批具有國際影響力的重要原創成果，如青蒿素的發現。目前，國內多個高校和課題組在自己擅長的天然產物研究領域均取得了豐碩的成果，每年有大量的新化合物被發現并被發表于各類學術期刊。因此，高校可以結合自身優勢，通過優質的教學科研活動來實現教學反哺，在進行天然藥物教學中的化學實驗活動時，積極引入相關科研領域中的最新成果和最新課題，以有效培養藥學核心素養和全面提升課程實施效果。目前，國內一些高校已經開展了相關的研究和探索，如郝新才等[7]

發表的《結合天然藥物化學實驗教學的實習課題設計與探索——以艾葉總黃酮的提取與活性研究為例》一文中，采用新型的提取方法，優化了艾葉總黃酮的提取工藝，并將天然藥物化學與分析化學、藥理學等專業知識融會貫通，巧妙地實現了科研與教學的融合，達到了學以致用的效果。曾艷榮等[8]在《前沿科研成果融入天然藥物化學實驗教學——以鉤藤中生物堿的提取分離和鑒定為例》一文中，以貴州道地藥材鉤藤為研究對象，對其生物堿類成分進行提取、分離和結構鑒定，使學生掌握生物堿類成分的提取、分離、檢識和結構鑒定方法。另外，近年來筆者所在教研室團隊在木脂素類化學、新穎生物堿、新穎倍半萜和二萜類化合物等重要天然產物方面也取得了一定的研究成果，在國際期刊發表研究論文多篇。通過將這些成果與天然藥物化學實驗的研究方法和虛擬仿真技術相結合，開發出了現實與虛擬結合、質量與效果雙提升的虛擬仿真實驗，不僅可以讓學生掌握更多的天然藥物化學專業知識，同時可以提升他們參與科研活動的動力熱情，增強他們科研創新的意識和能力。

1.3 從經濟效益角度增強國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的利用度

國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺是全球第一個匯聚全部學科專業、對學習者進行直接服務、遍布各類高等院校的先進實驗教學平臺，其宗旨是拓寬實驗教學內容，延伸實驗教學空間，提升實驗教學質量，目標是打造國家、省、校三級一體的聯動共享實驗教學體系，為廣大師生提供優質高效、脈絡分明的實驗教學共享服務資源，以增強試驗資源的共享性并擴大其覆蓋面[9]。平臺的建設運行所消耗的財力物力極其巨大，單憑各高校自身的力量，難以完成如此規模巨大的項目建設。而平臺共享性使得虛擬仿真實驗不再是空中樓閣，各高校的共享使用既加大了相關實驗資源的利用率，又推動其不斷全面吸納各高校優勢專業的先進資源和特色內容，在節約資源的同時又能夠實現創新優化與豐富完善。所以，該共享平臺的建立是一個非常不錯的選擇。學校建設的這幾個項目將來均會與實驗空間對接，各高校開發的與天然藥物化學實驗相關的虛擬仿真項目也可以對接到實驗空間，實現優質資源的共建共享，增強國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的利用度。

1.4 從學生使用角度加強學校虛擬仿真實驗教學環境的建設

學生是應用虛擬仿真實驗教學的主體。虛擬仿真實驗教學應該遵循“虛實結合，能實不虛”的核心原則，從現實實驗活動所不具備的客觀條件入手，精心打造與現實最為相似的實驗環境，實現效果提升。其具體實施過程涵蓋課程、平臺和機制建設等多個方面，其中，虛擬仿真實驗教學平臺是在對多媒體技術、人機交互技術等的綜合運用下，為學生提供全天候的實驗環境，可隨時根據自身的需求來開展實驗[10]。虛擬仿真實驗教學資源的建設，不僅包括服務器、交換機、堡壘機、計算機等硬件設施，還包括教學系統、實訓空間等系統和場地的建設。高校可以通過設立專項經費，保證信息化技術在高等教育教學中的推廣應用，購買相關配套的教學平臺和資源。當下，學校已經建成了國家級中藥學實驗教學示范中心、實驗教學虛擬仿真共享平臺及實訓空間和河南省本科高校虛擬仿真實驗教學中心，收錄了學校目前建設的所有虛擬仿真實驗項目以及購買的90個虛擬仿真實驗項目，并通過校園網全覆蓋，為學校師生使用虛擬仿真教學營造了更好的學習環境。

1.5 從教師應用的角度培養一支現代化信息素養強大的教學團隊

建設一流的教師隊伍是現代信息化教學體系平臺構建的重要環節。虛擬仿真教學，一方面為教師提供了多元化和靈活性的教學資源，另一方面對于授課教師的現代化信息技能要求較高。授課教師不僅自身需要對虛擬仿真軟件、平臺和后臺管理非常了解并熟練操作，同時還應具備豐富的知識儲備，以推動信息化技術平臺資源的不斷創新。另外，由于軟件開發公司無法提供實時的技術服務，后續的虛擬仿真實驗軟件和運行平臺也需要教師進行管理和維護。因此，培養一支現代信息化手段過硬的師資隊伍，為虛擬仿真教學的順利開展提供保障服務尤為重要。

2 結束語

總之，在學科融合的高校教育改革背景下，天然藥物化學實驗課程虛擬仿真實驗作為藥學類專業教學改革的關鍵內容，不受客觀條件的固有限制，具有良好交互性和操作可重復性，在培養學生專業技能和素養等方面具有無可替代的實施優勢。但這種實驗模式必須與實體實驗進行融合發展而不能完全替代它，需要遵循虛擬仿真為輔、實體實驗為主、互相補充融合的實施原則，精心設計實施融合性實驗內容，以高效完成實體實驗活動中由于客觀條件限制而不能進行的部分，以獲得全面、高效的實驗教學效果，推動學生不斷提高實驗參與熱情、實驗實踐能力和實驗創新水平，獲得全面發展。

3 參考文獻

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[7] 郝新才，王佰靈，戈振凱，等.結合天然藥物化學實驗教學的實習課題設計與探索：以艾葉總黃酮的提取與活性研究為例[J/OL].云南民族大學學報（自然科學版）.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/53.1192.N.20231010.1034.002.html.

[8] 曾艷榮，衛亞麗，譚承建.前沿科研成果融入天然藥物化學實驗教學：以鉤藤中生物堿的提取分離和鑒定為例[J].廣東化工，2023，50（10）：208-210，239.

[9] 顧黎，周明華.國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺對現代遠程教育實驗教學的啟示[J].成人教育，2022，42（5）：47-52.

[10] 萬春芳.職教改革背景下包裝設計虛擬仿真實驗教學平臺的建設研究[J].上海包裝，2023（11）：184-186.

*項目來源：2023年河南省本科高校中藥化學課程思政樣板課程；2023年河南中醫藥大學研究生教育教學改革研究與實踐項目（項目編號：YJSJ2023-006）；2023年研究生課程思政示范課程項目（項目編號：HZYYJS2023SZ01）；2022年河南中醫藥大學課程思政樣板課程項目“天然藥物化學”（項目編號：KCSZ2022-08）。

作者簡介：陳輝、孫彥君、馮衛生，教授；李孟，通信作者，副教授；張靖柯，講師。