《药用植物学》虚拟仿真实验构建与应用探索

2021-11-30严福林王悦云江维克孙庆文魏升华杨武德

亚太传统医药 2021年1期

严福林，王波，王悦云，江维克，孙庆文，魏升华，杨武德

(贵州中医药大学药学院，贵州贵阳550025)

《药用植物学》是中药学、中药资源与开发、中草药栽培与鉴定等相关专业重要的专业基础课程。与《中药鉴定学》《药用植物栽培学》《中药材产地加工学》《中药化学》等专业课及实际生产实践密切联系，是从源头保障中药材“安全、有效、稳定、可控”的理论基础[1]，该课程教学效果的良好与否对后续专业课程的教学质量具有直接联系。

虚拟仿真是基于计算机、现代信息网络、人工智能等相互融合而发展起来的模拟应用技术[2]。近年来，随着信息技术发展，在诸多学科中将虚拟仿真技术与现代教育进行了有机融合。虚拟仿真实验教学由于其教学方式不受时间、空间影响，具有直观化、趣味性、个性化、智能化、泛在化等实验教学特点，为教育现代化提供了强有力的解决方案，正在深刻影响教育形态和教育方式的发展变化，受到了国家教育、科技、卫生等部委的高度重视，并作出了重要指示和部署，且对虚拟仿真实验教学项目建设与应用提出了全面要求[3]。

本研究从实验教学的目标出发，为培养适应经济社会快速发展对人才培养的新要求，紧紧围绕“以学生为中心、培养学生学习兴趣与技能、提高药用植物学教学质量”的教学目标，对《药用植物学》实验课程虚拟仿真实验模式的构建进行初步探索，拟解决实验材料难以准备，学时压缩造成的实验时长较短，实验不可重复，学习时空限制等矛盾。为药用植物学线上线下教学相结合的个性化、智能化实验教学新模式布局，提高教育教学质量，培养人才技能等提供参考。

1 《药用植物学》课程及其实验教学的问题及虚拟仿真教学构建的意义

《药用植物学》是一门实践性较强的学科，该课程要求师生具有扎实的专业术语和理论基础与植物的观察和解剖能力。由于《药用植物学》课程既包含植物分类学的内容，亦有中药学、化学等知识，概念多、理解和记忆困难等特殊性，其实验教学包括了实验室、近郊实训、课余观察等内容，是该课程独具特色而非常重要的教学环节，亦是将理论知识与实践紧密联系，巩固课题理论知识，提升教学效果的重要措施。实验材料种类丰富度、器官信息的完整性、与课程进度契合度等是有效完成教学任务的重要基础，然而在实际的实验课程中，由于采集时节、采集人专业素养、地理区域、采集措施与保存条件等因素往往“事与愿违”，难以获得与理论课程进度相适应的实验材料并及时地开展相应的解剖观察学习，而使得实验效果大打折扣。

近年来，入校学生均为90后，00后学生已陆续进入高校，由于生活节奏的变化和信息、网络、计算机、手机的发展，他们的生活、学习、娱乐等大部分时间都在计算机、手机、网络等现代媒体上，诸多学生对实际生活和自然中的事物知之甚少。据近年《药用植物学》课程学情调查发现，对“小麦、水稻、韭菜”等基本植物都“傻傻分不清”的学生大有人在。应用传统的理论教学和实验教学都难以激发学生兴趣，教学质量不高。

此外，在实验教学中，一些章节，例如植物的繁殖器官——花是对植物进行鉴定的极为重要的依据，该部分的解剖与描述正确与否直接关系到鉴定的准确度。然而该章节内容丰富、信息量大、概念多，且较为抽象。应用传统的实验，通常难以找到相应的试验材料，实验周期长、效率低，一次课程3个学时难以完成相应的实验内容，教学效果不佳，且不利于激发学生的学习兴趣、培养学生的动手能力和创新思维能力。

将虚拟仿真技术与药用植物学课程的实验教学相结合，以“虚实结合、相互补充、能实不虚”为原则，构建相应的虚拟仿真实验，可有效解决实验材料受时节、理论教学进度、地理因素、保存条件、实验过程不可逆、周期长等问题，有效改善药用植物学实验教学模块，且增强实验操作过程的生动性与趣味性，激发学生学习兴趣，以提高教学效果。其次，不仅可以指导学生把零散的知识系统化，而且能引导学生在识同辨异过程中勤于思考，理解理论课中的知识点，从而提高实验教学质量与学生的实践能力，有利于学生综合素质的培养。

2 药用植物学虚拟仿真实验的构建

2.1 思路构建

立足教材，以教学大纲为基础，配合中药类专业课程的虚拟仿真实验教学，总体包括“寻药、采药、识药、鉴定、标本制作”等内容。提供三大类功能：一是面向学生实习实践的仿真实训，使学生获得较为直观、形象的中药材基源植物的生长生态环境概况、生长发育规律、药材形成等知识；二是通过虚拟仿真，模拟药用植物标本的采集、制作过程、注意事项等，使学生突破时间与空间局限，理论联系实际，加强对此部分的理解；三是面向专业设备与课程设计的教学要求，提供多视角、多层面、多参数模拟的360°自由查看、拆解、放大等功能，并在具体的过程中实现交互，使学生获得超越于平面教材的生动、形象、直观的方式服务于教学工作，以便使学生更为直观地对药用植物的整体特征进行学习，进而对所在植物科属特征的进一步加强理解。

目前，我校已初步建成药用植物学虚拟仿真实验室，主要面向全校中药学、药学、中药制药、中草药栽培与鉴定、中药资源与开发等专业的本科生开放，设立了基础型和综合型的虚拟仿真实验项目，目前已建设包括桔梗、黄芩、白芷、前胡、黄精、百合、头花蓼、何首乌等25种13个科的药用植物的生态环境模拟、标本采集模拟、植物形态特征展示、解剖操作模拟、标本制作、鉴定模拟等环节的虚拟仿真实验教学模型。

2.2 操作流程设计与技术要求

2.2.1 课程内容与操作流程 ①学习目标选择：根据实验课程需求，在学习菜单栏中已放入相应的实验内容与药用植物，学习者需在学校开始时选择相应要学习内容与药用植物种类，进入下一个操作环节。②生态环境模拟：本部分为“寻药”过程，目的在于使学习者了解相应的药用植物生长环境(气候、土壤、海拔、坡向、植被类型、伴生植物等)。通过相应的虚拟仿真制作，对某个药用植物的生态环境及植物调查、采集环节进行模拟，具体内容为，调查人员到野外，进行资源调查、生长环境特点、居群情况介绍、环境信息记录、采集等。③标本采集模拟：发现植物居群后，模拟标本的采集过程，填写调查记录本，用相应的工具(铁锹、枝剪)对开花或结果植株进行采集。④植物形态特征展示：对植物的全株各器官(根、茎、叶、花、果实)进行形态展示，并作相应的特征描述介绍，拓展介绍科植物特征。此部分要求各器官均可拆分，点击到某部分，可以相应地放大，360°旋转展示。⑤解剖模拟：主要对植物的花及果实形态进行模拟解剖，并作相应描述与介绍，以便展示花部及果实的结构及各构造特征。⑥标本制作模拟：模拟桔梗标本的压制(将修剪过的植物标本用吸水纸压制干燥)——消毒(将干燥的标本，放与升汞酒精溶液中2～3 min，进行消毒，标注中毒注意事项)——装订(将消毒后干燥的标本用标准台板纸，应用棉线进行装订)——标本展示(将装订好的标本进行采集标签，鉴定标签的完善，并进行展示)。⑦小结，考核：应用至少5个题目，对所选择的药用植物的生态习性、植物形态、科属特征等内容进行考核检验。

2.2.2 软件仿真培训系统规格 ①软件规格：多用户协同安装版;②系列软件包括的内容：通用教师站；通过局域网连接可安装的多台学员操作站;③学员站可供学员进行仿真操作练习，在演示模式下学员可以系统学习基础理论知识，在考核模式下学员可单独练习操作并对自己操作的成绩进行实时考核;④具有智能操作指导及智能评价系统，能生成并导出或打印答题卡。

2.2.3 软件仿真培训系统功能 ①启动及初始化限制：学员机可单独启动，教师机远程启动学员机。②考核记录：软件能够对学生的答案进行记录，并保存至本地便于查阅。③实验演示：学习模式下可以快速学习浏览所有基础理论知识，并且可以选择性地选取中药材种类进行学习。现场展示软件系统功能，演示3D药用植物进行360°查看，也可对任意组成结构进行360°查看。查看和语音讲解：药用植物介绍、中药属性、功能、地理分布、各器官形态特征、鉴定要点等。④实验操作：在考核模式下，系统随机选取十个药用植物组成一套试卷，学生观察3D药用植物模型，计时考试，在答题区进行答题。考核模式交卷后，可提交一份完整的答题卡。⑤知识点系统：在软件中包含基础理论介绍，主要为实验的相关背景知识及理论知识，包括药用植物形态特征、生长环境、地理分布、中药属性、功效等，学员可以在操作软件的过程中，随时打开查看。具有语音讲解功能。现场演示手动和自动拆解药用植物的功能，应有文字提示。

3 虚拟仿真实验室的应用

药用植物学虚拟仿真实验，完善了药用植物学实验内容，加强了课程相关内容、概念与自然环境、现实、实践、操作技能的联系，体现了以学生为中心的实践教学理念，提供了灵活的实验方式。课前，学生可以单独完成相应章节内容的虚拟仿真实验学习，掌握相应的实验材料、实验仪器的基本使用方法，也可以通过虚拟仿真实验的内容进行课堂理论知识的预习，熟悉实验过程和实验原理，为课程学习打下基础。课后，学生还可通过虚拟操作系统复习和巩固理论知识及实验技能，有疑问时可以及时在平台上与教师、同学进行讨论和答疑活动，有利于自主学习和创新能力的培养[4-5]。可见，药用植物学实验虚拟仿真实验平台能够满足不同深层次的个体化学习需求，不仅可以改进药用植物学课程的实验教学模式，还可用于学生竞赛，优化整合教学资源，加深了学生对实验内容的理解与认识。对促进中药学相关专业课程的教育与训练模式的改革、提高训练效率和质量有着重要意义。