虚拟仿真辅助中药化学实验教学的实践

阎婷 孟大利 侯柏玲

[摘 要] 中药化学实验是中药化学教学中的重要组成部分，对学生创新能力及其综合素质的提高奠定下坚固的基础。通过剖析当今高等学校中药化学实验教学模式的情况，采用虚拟仿真实验平台，改革了原有的实验教学，形成了以虚拟仿真实验为辅、实操实验为主的中药化学实验教学新模式。教改成果表明，虚拟仿真实验鼓舞了学生的学习兴趣，提高了学习效率，实操实验培养了学生的动手能力和实践能力，虚实结合有效地促进了中药化学实验教学质量的提升。

[关键词] 中药化学;实验教学;虚拟仿真

[作者简介] 阎 婷（1981—），女，辽宁沈阳人，博士，沈阳药科大学中药学院讲师，主要从事中药化学实验教学研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）40-0198-02    [收稿日期] 2020-04-30

中药化学是一门结合中医基础理论和临床医学经验，主要运用化学的理论和方法及其他现代科学理论技术研究中药化学成分的学科[1]。当前，该学科教育研究的一项重要课题就是如何调动学生积极性，设计实验教学，加强实验课对学生综合能力的培养[2]。但是，目前很多医药高校实验教学存在一些共性问题：教学形式单一，学生不感兴趣;预习报告流于形式，学生对实验原理了解不够深刻;实验操作中错误率较高，重做实验导致时间拖延，浪费样品;有些实验试剂污染严重;一些需要特定反应条件的实验不能进行;部分造价较高的精密仪器很难运用到本科教学中;实验设备由于经费等问题更新较慢，影响了学生动手能力的提高[3，4]。

虚拟仿真技术在教学中已经普遍开展，VR虚拟现实技术也逐渐走进了高校课堂。虚拟仿真技术为学生和教师提供了源于视觉、听觉和触觉等感官方面的模拟，使得使用者能够身临其境，通过系统模型对实际或者设想的系统实施相应的动态试验[5]。在教学中引入虚拟仿真技术提高了学生的实践能力，有利于学生独立自主学习，也是当今社会所需人才应具备的基本素质。VR虚拟现实技术带来了教育技术新的发展。它创造了“自主学习”的环境，学生通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式取而代之传统的“填鸭式”学习方式，使教学形式多样化，开创新的实验教学模式。

我校中药学实验教学中心作为省级和校级实验教学示范中心，辽宁省教育厅高等学校实验室建设及仪器管理工作先进集体，一直以来都在摸索真实实验和虚拟仿真实验相结合的道路。为服务辽宁主导产业，促进五味子道地药材综合利用的产业升级，十分有必要让学生熟悉五味子有效成分制备工艺，因此建立了中药化学虚拟仿真实验项目五味子有效成分的提取，分离及鉴定实验。

一、实施对象

2017级中药学1～2班、中药制药1～2班，中药资源与开发班，2016级中药（日语）班。

二、实施进程

（一）教师登陆教师站进行课程设置

教师站是基于局域网的网络通信与控制软件，以便于对学生机的项目进行统一启动和控制，实时显示得分，获取成绩，对成绩进行统计等。代课老师可以点击相应的课程名称，进入编辑界面，包括仿真考试、快速启动、快门与成绩管理，理论题考试，客户端信息管理，文件下发，师生交流等功能。然后新建班级，添加学生名单，发布课程。

（二）学生登陆虚拟仿真实验项目完成实验预习

学生使用自己的学号和密码登录虚拟仿真实验平台的中药化学实验板块，进入“五味子提取虚拟仿真实训”项目。第一步通过鼠标右键点击屏幕右下角“知识点”图标，了解五味子简介，第二步右鍵点击屏幕右下角“工艺”图标，观看整个实验过程演示动画。最后进行虚拟实验操作，此时学生仿佛置身于中药化学实验室实景中，可以在书本预习的基础上进行一次实验的模拟操作，比如搭建回流提取、常压蒸馏装置等步骤。必须按照正确的顺序完成指定的操作，倘若其中某个步骤出现错误，如回流提取实验中未开冷凝水就打开水浴锅开关，实验将无法继续操作，这时可利用“工艺”图标，再次回放实验操作演示动画。本实验通过3D虚拟仿真技术进行全景呈现，涵盖了13个独立的步骤和150余个交互性的实验操作。包含了五味子提取实验室、液相色谱分析室、核磁共振检测室，可通过门口的走廊进行房间之间的人物移动转换。

（三）师生进行实际的实验教学

按照学校的教学计划安排，在规定的时间和实验室进行实操实验。第一步授课教师讲解实验内容，包括实验目的、实验原理、仪器与试剂、实验步骤、注意事项等，带领学生回顾预习内容，讲解过程中遇到需要强调的问题，给学生进行示范演示。第二步，老师提出问题，让学生在预习的基础上回答问题。第三步，提倡学生提出问题，授课老师答疑解惑。最后，待全部问题解决的情况下进行实操实验。授课老师在实际操作过程中，走到学生中间，随时观察学生的操作是否规范、安全，如有错误及时指出。存在安全隐患的地方需特别提醒。实操实验结束后，实验原始数据当堂记录在实验报告上，写好使用报告上交。

（四）学生登陆虚拟仿真实训项目进行复习并完成相关测试

在学生实际操作完实验后，安排时间让学生再次登录虚拟仿真实训项目，进行课后复习，操作与预习过程一致。但在复习过程中，更要注重细节的观察，要求学生结合自己实操实验的经历，找出虚拟仿真实验与实操实验的异同点、优缺点，并完成课程里设置的相关测试。

三、实施效果

我们对6个班级180余名学生进行了调查问卷，多数学生认为虚拟仿真实验和实操实验各有优缺点。利用虚拟仿真实验，学生可以进行线上学习交流，也可以对整个实验或关键步骤进行反复练习以加深对知识的学习与理解，打破时间与空间的界限，提高学生主观能动性，增加学生学习的信心，培养学生的自主探索能力与创新能力。通过这些虚拟仿真操作，要求学生掌握有机溶剂回流法对药材中的有效成分，制备薄层色谱法和开放柱色谱法富集有效部位，制备型高效液相色谱法分离单体化合物，分析型高效液相色谱法分析化合物的纯度以及核磁共振法鉴定化合物的结构等5个主要知识点。在虚拟仿真考核环节，要求课程成绩在85分以上，实验以提高学生实践能力和创新精神为核心，以服务辽宁医药产业发展和行业需求为导向，以辽宁省优质资源道地药材五味子活性成分的研究开发和新方法为教学重点，积极探索线上线下教学相结合的个性化，智能化的实验教学新模式，将其作为真实实验的有效补充，完成实体教学条件下无法完成的实验教学功能，提高学生的认知和专业实操能力，并让学生熟悉五味子这一辽宁省道地中药材及其主要活性成分的制备方法，从而服务辽宁医药产业发展，并为道地药材的深入开发与利用奠定基础。

四、结语

通过我校中药化学实验教学中五味子有效成分的提取，分离及鉴定虚拟仿真实验项目的应用，收获了较好的教学效果。虚拟仿真实验是传统实验教学模式的有益补充，但不可代替传统实验教学。今后，我中心在此基础上，从加大仿真实验项目数量和提高仿真实验与真实实验相结合的效果这两方面，不断探索，继续前进。

参考文献

[1]匡海学.中药化学[M].北京：中国中医药出版社，2018：1.

[2]董本红，杜坤.改革实验教学，培养创新能力[J].药学教育，2004，20（4）：53-55.

[3]付颖寰，杨大伟，郭宏，等.基于虚拟仿真实验平台的有机化学实验教学实践[J].教育教学论坛，2017（15）：271-272.

[4]黄余燕，吴凌凤，梁香，等.探讨药学专业有机化学实验教学[J].广东化工，2016，43（21）：207-208.

[5]常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等.虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：237-239，244.