基于虚拟实验平台的天然药物化学教学模式探讨

2019-01-29何秋伶徐涛盛清梁宗锁王森

教育教学论坛 2019年3期

何秋伶徐涛盛清梁宗锁王森

摘要：天然药物化学作为生物制药专业的主干课程之一，其实验教学是其中重要的组成部分。通过实验教学能加深学生对理论知识的理解，满足药学人才培养要求。我们探讨了在天然药物化学实验教学中，通过构建虚拟仿真教学平台，模拟和再现真实实验环境，运用虚实相结合的实验教学模式，以期能提高实验教学质量。实体实验教学和虚拟实验教学互为补充，丰富了教学内容，提高了教学效率，对培养高素质的药学人才具有积极的作用。

关键词：天然药物化学；虚拟仿真实验；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0273-04

虚拟仿真技术是一种由计算机技术辅助形成的高技术模拟系统，它综合了传感技术、显示技术、计算机图形及仿真技术等最新技术成果[1，2]。虚拟仿真技术作为信息技术，由于其职业性与情境性、典型性、过程性、交互性与智能型、趣味性等特征在实验教学中的应用也越来越广泛，涉及到多个专业和学科，国内外很多的高校、科研院所以及远程教育机构都积极地投入虚拟实验平台的构建[3]。日前，教育部批准了三批共300个国家级虚拟仿真教学实验中心，涉及多个研究领域，如清华大学的数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心，浙江大学医学虚拟仿真实验教学中心以及中国药科大学的药学虚拟仿真实验教学中心等。[1，4]

天然药物化学是以天然药物中化学成分为主要对象，运用现代科学理论与手段对其进行提取、分离、鉴定的一门学科[5-8]。随着国务院关于推进我国中医药事业发展的纲领性文件《中医药发展战略规划纲要（2016-2030年）》的提出，国家加快了中医药现代化的步伐，天然药物化学教学的重要性与日俱增[9]。为适应这一发展的需要，许多高等院校制药学、药物制剂等专业在本科生阶段开设了天然药物化学课程，以培养越来越多的研究工作者投入天然药物研究。我校对四年制生物制药专业开设了天然药物化学课程，其中实验课程占了较大比例。由于天然药物化学的教学内容涉及到多个学科知识如药用植物学、药理学、生药学等的交叉，同时在技术上还包含了多种技能的相互渗透，兼有理论性与实践性的特点[5，9，10，11]。实验课程也是锻炼提高学生动手能力、培养严谨的科学逻辑能力以及创新意识的重要途径[12，13]。针对近年来不断蓬勃发展的天然药物化学领域涌现出的新技术、新方法，如何使学生在有限的学时内和实验条件下既掌握基础又接触前沿，是天然药物化学教学面临的重要问题。用虚拟仿真系统进行天然药物化学实验教学，是对生物制药专业课程教学的有力补充。

一、天然药物化学实验教学需要虚拟现实技术的支持

（一）传统教学手段的不足

目前，天然药物化学实验教学大多采用传统的化学类实验教学课程的授课方式，在教学手段方面存在有比较多的问题[14]。而这些问题在一定程度上制约了实验教学在应用类专业课程教学中的应用与发展[15]。

教学成本在传统实验教学中占有较大的比重，但由于资金和场地的限制，学校只能引进部分相关实验设备，这就造成了数量不足的实验仪器与满足大多数学生操作需求的矛盾。同时，大型仪器设备维护成本高，实验教学中容易发生损坏，加速了仪器设备的报废，使得教学成本增加[16]。另一方面，天然药物化学实验教学过程中涉及的实验方法主要包括天然药物的提取分离、有效成分的结构鉴定等，这些过程中需要用到大量的天然原料、辅料及标准品，而且天然药物化学实验内容具有较强的连贯性，中间任何一个操作环节的失误都有可能造成整个实验的失败[17]。因此，在实验教学操作过程中难免会产生大量不符合要求的失败品，对这些废品的处理大多采用丢弃或销毁的方式，从而导致大量教学资源的浪费[16]。而在传统的药物化学实验教学过程中还存在一些安全隐患[18]。其一是实验过程中需要运用到大量的化学试剂，普通的本科教学实验室安全设施及环境比较简陋，会对学生的身体健康存在不利的影响，而从事实验教学的人员长期工作于这种环境，对身体更易造成伤害。其二，实验过程中有时还需要用到大型实验设备涉及高压、高温等环境，这些操作都具有很大的安全隐患[19]。

在实验教学的授课方式上，传统的教学方式普遍采用讲授法。首先，针对特定實验，会先分析实验原理，再讲解实验步骤，最后进行示范性操作，同时强调实验过程中需要注意的事项，整个过程占用了大量的实验课程时间，对学生的学习兴趣带来了消极的影响。另外，有部分学生课前不预习，课堂上学生自行练习时间有限，往往也不能保证实验的连贯性；而且学生在实验过程中，有时会因为种种原因而失败，受时间的限制，不可能重做，这就造成了部分学生实验课后不思考不总结，甚至相互抄袭实验报告的现象，进而对相关理论知识的认识和理解造成极大的影响。

（二）虚拟现实技术在天然药物化学教学中的优势

构建虚拟实验平台，其使用的教学手段要比传统教学中使用的文字、模型更形象、生动和完整[16]。同时，它使得学习知识的过程变得多样化。一方面，虚拟仪器可以安全方便地让学生拆卸、组装；另一方面，教学人员也可以根据不同步骤逐次展示实验的原理和工作方式。在整个实验过程中，学生的亲身体验使得对相关知识的理解更为深刻，有利于学生消化和运用知识。再则，在这种主动交互的教学过程中，学生的能动性得到了有效提高，大大增加了学生学习的信心和动力，使他们更容易地投入到学习环境中去，同时还有利于培养学生自主探索的能力和创新能力，以及在实验过程中的交流与合作能力。

在教育成本方面，虚拟仿真实验既不消耗实验耗材，也不损坏实验设备，同时还避免使用大量危险化学试剂。整个教学过程节约了教学经费，又减少了对环境的污染。在虚拟实验环境中，学生还可以放心地去操作各种在现实实验条件下有危险的或危害人体健康的实验，避免了各种危险[20]。

二、基于虚拟技术实施天然药物化学实验课程教学改革

（一）虚拟实验平台在天然药物化学实验教学程序设计中的运用

由于药物化学实验课程内容具有逻辑性强、连贯性强的特殊性，天然药物化学实验教学的程序设计需要突出制药专业的特点，特别强调遵循教学内容的逻辑性和学生的认知规律[21]。首先，突出制药专业的特点，就是要尽可能多地创造实验教学条件，让学生更多地参与到实验活动中去，培养学生的主动动手能力。在指导学生进行实验时，要注重引导促进学生主动思维能力的培养，在教学过程设计中引导学生进行探究性的尝试。同时，应合理运用“因材施教”的原则，即根据本学校和学生的实际情况，结合不同的教学内容，选择不同的实验教学方法，来设计不同的教学程序[15]。随着生物学、高分子合成分离技术及计算机技术在药物化学研究领域的应用越来越广泛，天然药物化学对多种学科研究方法的应用程度也不断加深[22]，例如超临界流体萃取技术、智能多维纯化系统AKTAxpress、多角度激光光散射仪与凝胶渗透色谱联用技术等是非常有应用前景的提取、纯化技术。但是由于教学经费及实验条件等原因的限制，不可能逐一开展相关的实验，这时结合虚拟仿真实验教学平台对这部分的实验进行讲解和操作，则更有利于开拓学生视野，加深对前沿技术的了解。

（二）虚拟平台下的天然药物化学实验教学策略

1.丰富的教学材料。向学生介绍天然药物化学学科研究成果的研究背景及历史，有助于学生头脑中形成完整的科研思路，建立学生对于天然药物化学研究的总体认识。同时，可以结合虚拟仿真平台，将科学研究实例生动地在虚拟环境中进行展现，了解本学科研究领域优秀成果的发现过程，从而引导学生的探究兴趣，激发内在的学习动力。例如以获得诺贝尔医学奖的屠呦呦研究团队为实例，介绍科研人员如何通过大量的调查研究，从历史医著文献《肘后备急方》中寻找到有价值的研究线索，然后以提取、分离等手段从青蒿中分离出抗疟成分青蒿素的研究过程，从而延伸到天然药物化学实验中如何确定天然药物有效部位的方法、如何设计合理的技术流程进行效成分的分离和研究。同时，结合虚拟仿真平台进行演示，使学生熟悉从天然药物中寻找、开发新药的过程，引发学生的好奇心，培养他们发现问题、解决问题的科研意识。

2.基于虚拟仿真平台的实验操作。由于大多数实验学生都是首次接触，因此在进行实验的时候难免会出现错误，这就需要一定时间的练习来降低错误率。可以采用以下几种形式：第一是单个环节的练习。天然药物化学实验一般具有连贯性，其中包含有多个环节。因此，可以在虚拟仿真操作练习中针对某一重要环节进行练习，使学生能够更熟练地掌握该环节的知识点和操作要点。该操作练习的优点是能突出重点、有明确的目标导向，有利于熟练掌握运用重要的知识点。如“大黄中蒽醌类成分的提取、分离和鉴定”虚拟实验中，学生先对其中的“柱层析分离”进行操作练习，实验中学生可以体验不同pH值、溶剂配比的三维模型对实验结果的影响，让学生对摸索实验条件的重要性有着更直观的认识。第二是多流程练习，即把多个知识点和多个流程串联在一起，利用虚拟实验平台进行练习。不仅有利于学生对整体实验流程的掌握，也有利于提高学生综合运用多个知识点甚至交叉学科知识来解决问题的能力。如利用虚拟仿真平台对“氧化苦参碱的提取分离和鉴定”虚拟实验中，我们可以结合实验条件参数模块来确定实验最佳方案，同时可以使用“HPLC组件及系统”虚拟模块进行样品分析和数据采集，来了解高压液相色谱等分析仪器在使用中需要注意的要点，结合基于虚拟平台的实际操作加深对实验原理的进一步认识，锻炼和提高实验基本操作的能力。这种方法不仅可以综合检验学生将理论知识应用于实验操作的能力，也是培养学生综合应用能力的重要途径之一。第三是比较练习。这种方法可以通过对比的方式强化知识点之间的联系与区别。如不同提取方式对提取效率的影响，各自的优缺点等，更有利于知识点的运用。

（三）改革考核制度、重视综合能力的考察

针对天然药物化学实验课的特点，应该注重理论与实验相结合，重点针对学生综合实验能力的考核[14]。因此，在考核方式上，要把重点放在实验报告的撰写、实验理论的运用和实验操作能力的正确规范上。采用平时成绩（20%）、实验操作技能（25%）、实验设计（25%）及最终实验报告（30%）的模式，这种考核制度，不仅能够综合反映学生的治学态度、理论知识的掌握程度以及实验技能的运用能力，也符合天然药物化学实验教学注重实际操作能力培养的特点，增强了学生学习的能动性，发展了自主探索的能力。

三、结论和展望

通过天然药物化学“虚实结合”的实验教学方式，既可以充分发挥虚拟仿真实验技术的优势，在一定程度上解决当前药物类化学实验教学过程中存在的一些困难和问题，也能通过形象生动的实验手段提高学生的学习兴趣，增强学生自主学习的能力，优化实验教学过程，提高实验教学水平，共同完成目前天然药物化学的实验要求。

参考文献：

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