虚拟仿真技术在中药炮制学实验教学中的实践与展望

何旭辉，张成中，王宏瑞，刘畅，郑承剑

（中国人民解放军海军军医大学·上海·200433）

中药炮制是中医药理论在临床用药上的具体表现，是我国具有自主知识产权的制药技术。中药炮制学是中药学专业一门凸显传统特色的专业必修课程，具有实践性强、知识面广的特点[1]。在课时安排上，我校中药学专业炮制学实验课时占比较大，理论课 33课时，实验课 48 课时，足见实验教学在该课程中的重要程度。炮制实验课作为理论联系实践的重要桥梁，课程质量的高低直接关系到学生对专业知识与实践技能的掌握、理解与运用。传统炮制实验教学中存在教学模式单一、教学内容固定以及理论与实践脱节等问题[2]，不利于现代中药炮制人才的培养，如何提高实验课程教学质量是中药炮制实验课程改革中亟待解决的问题，本教研室也多次结合教学实际，以问题为导向开展相关学科的教学改革实验[3-4]。近年来随着网络技术的高速发展，虚拟仿真教学也成为教学改革实验的主要方式之一，本教研室在前期教学实践的基础上，获得了虚拟仿真教学改革实验的项目支持[5]。

虚拟仿真技术也称虚拟现实技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中[6]。在实验教学方面，美国和日本的学者最先创建了一套虚拟3D 人体解剖图谱，可以通过多角度多剖面观察各个组织和器官的内部关系，为实验教学提供生动形象的平台[7]。虚拟仿真实验教学一流课程作为双万计划中五类一流课程之一，能够有效提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，在疫情期间的在线教学工作中发挥出了重要的支撑作用[8]。根据中药炮制学实验课程特点将虚拟仿真技术融入到炮制实验课堂教学中，能够实现虚拟仿真技术与现实相互补充，提高教学质量，培养综合素质突出的现代化中药炮制人才。

1 中药炮制实验教学现状及存在的问题

1.1 教学模式的限制

中药炮制学是一门综合性应用学科，我国中医药院校开设的中药炮制学实验课程一般包括传统炮制实验和现代炮制实验，在教学内容上以传统实验为主，其中传统炮制实验多以验证性实验为主[9]。首先由老师讲授原理和操作方式，学生按照固定的步骤操作实验，被动的完成实验任务，得到书本上预定的结果，然后进行实验报告的书写。许多抽象的原理仅仅通过课堂上老师的讲授并不能使学生充分理解，学生对炮制原理难以进行消化吸收；其次由于课时的限制，对课上得到的炮制成品质量不能进行量化评价，只能进行经验式评判，学生们操作的积极性得不到发挥，对操作方法和原理的解释被动接受，创新意识和能力不能得到很好的锻炼，容易导致学生产生一种炮制实验就是生活中 “蒸蒸煮煮”“翻翻炒炒”等缺乏科学严谨性的片面认知，从而对实验的重视程度得不到提高。课堂上组内协同操作模式往往使一些积极性不高的学生炮制操作技能得不到锻炼，老师也不能注意到每一个学生操作的规范性，从而导致实验结束后，部分学生 “知其然而不知其所以然”，对学习的内容掌握不到位。

1.2 实验场地以及器材的限制

为了推动中药饮片生产向着炮制工艺规范化、炮制机械现代化、检测手段科学化、质量控制客观化等方向发展，中药饮片炮制生产过程中人工控制逐渐向机械化、自动化转变。在中药炮制实验设计中，实验室小锅小铲的操作与饮片厂大工艺大批量机械化生产相比，存在一定脱节，很多学生对炮制相关的实际岗位工作特性不了解，毕业任职后不能很好地适应现代制药企业的实际生产，现代制药企业也希望毕业生对在 GMP 环境下生产饮片有一定了解。实验室由于场地以及经费的限制，购置大型现代炮制设施设备常常无法实现，许多院校很难满足现代中药饮片炮制生产实训要求，大型仪器的购置以及存放保养耗费较多人力物力，实践课时的限制也使参观中药饮片企业如同“走马观花”，学生对现代中药饮片企业的生产管理和饮片生产设备的操作及使用情况缺乏直观性的认知，思维方式仍然停留在课堂，与生产实践存在脱节。

1.3 实验内容及评价体系设置的限制

中药传统炮制实验中，一些毒、麻药材如草乌的传统炮制需要学生通过口尝舌麻感来判断炮制程度，具有较大的安全隐患；一些贵重药材由于资源、取材和价格等问题使实验的开展受到限制；由于课时的限制，一些耗时长、炮制工艺繁琐的特色实验如地黄的九蒸九晒以及多章节多学科融合的创新性综合性实验常常无法进行。网络的不断发展，学生获取知识渠道的多样化使学生思维活跃，创新意识增强。而且从小受到西方医学理论的影响，思维模式和中医药思维方式有所差异，单一的验证性实验不能完全解释中药经炮制后减毒增效、改变药性和产生新功效的科学内涵，反而使学生感觉课本知识枯燥，实验操作单一乏味，学习兴趣降低。

传统中药炮制技术有着较高的经验要求，正如《本草蒙筌》所说 “凡药制造，贵在适中，不及则功效难求，太过则气味反失”，充分说明了炮制程度对于中药饮片效果的重要性。在中药炮制实验过程中，实验教材对于一些描述炮制成品的质量术语描述比较宽泛，“量”与 “度”较难把握，例如炒制实验中茺蔚子要求“文火”炒至 “表面颜色加深”断面 “浅黄色”，学生们对于火力的认知以及炮制成品颜色程度把握不好，常常炮制不及或过度，实验结束后得到符合质量标准的合格饮片率偏低，同时也造成了教学资源的浪费。

2 虚拟仿真技术在中药炮制实验中的应用优势

将虚拟仿真技术引入到炮制实验教学中，从教学过程来说，虚拟仿真平台可贯穿于课前预习、课堂授课以及课后拓展延伸整个过程，学生可以利用碎片化的时间进行学习与巩固；从教学资源来说，虚拟仿真平台能够突破空间及物力的限制，具有实现优质资源共享，减少资源浪费的优点；从教学内容来说，虚拟仿真平台将各章节各学科的内容紧密联系起来，进行拓展延伸，把中药炮制、质量控制以及临床运用整个过程纳入到一个整体，也使一些耗时长、过程复杂的综合性实验开展成为现实，达到培养综合性人才的目的。

2.1 教学模式的多样化

虚拟仿真技术通过电脑数据计算、3D 建模等手段，使实验室场景、试验器具、试验方法、操作流程等步骤通过 3D 模型和视频图片数据库等方式虚拟再现，通过 “腾讯会议”“雨课堂”“微课”等 APP，与 “翻转课堂”“PBL（problem-based learning）”“CBL（Case-Based Learning）”等教学方法相结合，实现线上线下混合式教学，有效地提高教学质量[9]。学生在课前预习、课堂实践以及课后思考的整个教学过程中，课堂的时间与空间都得到了横向和纵向的延展，学生和老师的距离通过网络进一步拉近。

2.2 试验场地与实验器材灵活化

虚拟仿真平台可以将实验过程中各步骤以模块化的形式展现出来，例如中药大黄炮制中可分为酒大黄、熟大黄、大黄炭、醋大黄及清宁片等不同炮制品，学生在虚拟实验室中可以选择不同炮制辅料和炮制工具，完成对大黄不同炮制品的炮制。炮制过程的注意事项通过操作步骤的提示及运行动画表现出来，加强学生的印象和自主操作能力。同时虚拟仿真实训平台能够按照药品生产质量规范（GMP）要求，将现代生产企业生产工艺程序、中药饮片企业的管理以及现代中药房运行通过场景表现出来，使学生通过虚拟的场景中置身于企业生产管理和医院临床应用中，在有限的实践课时中对今后所从事的职业有所了解与认知，提高学生的职业技能能力，使院校教育与企业生产相接轨。

2.3 实验内容的延伸化

虚拟仿真平台可以使一些耗时较长的实验加速，让学生直观地感受到西瓜霜制备、神曲发酵以及地黄传统炮制方法 “九蒸九晒”过程中地黄颜色和形态的变化，使传统炮制实验耗时较长的课程得以开展。同时虚拟仿真平台中药材的消耗是虚拟的，学生可以反复进行实验操作，在操作过程中加深印象，提高学生现实中操作的规范性和成功率，减少资源浪费。传统炮制课程设置常常以单味中药材单种炮制方法为主，虚拟仿真平台能够将多学科知识融合起来，以苦杏仁药材炮制为例，虚拟仿真平台从原药材采集、净制、燀制、质量检查到临床应用等整个过程以模块化的形式综合起来，设计苦杏仁炮制综合实验，由学生自主查找资料，虚拟仿真实验室模拟实验过程，通过线下实际操作，最后以小组为单位总结经验。融合了中药鉴定、炮制、中药化学、中药制剂以及药物分析的知识，从而提高学生综合运用专业知识的能力。结合在抗击新冠疫情中发挥重要作用的中药方剂中燀苦杏仁使用频率较高的特点，引入思政内容建设，展现中医药在疫情防控中做出的重要贡献，增强学生对中医药文化的自信，更好的培养中药学专业技术人才，达到习近平总书记关于中医药工作 “传承精华，守正创新”的指示要求。

3 虚拟仿真在中药炮制实验课程的应用

选定海军军医大学中药学 2018 级中药学专业学生为研究对象，教材为中国中医药出版社出版的 《中药炮制学》新世纪第四版，主编为龚千锋。

3.1 课前预习

以中药炮制方法实验七蒸煮燀法为例，课前老师根据课程大纲要求在平台发布上课的 PPT（微软办公演示文稿，PowerPoint）课件、学习资料及优质 MOOC（大规模在线开放课程，Massive Open Online Course）资源。学生通过移动端观看视频操作、登录仿真实验室进行代表性中药草乌的炮制操作课前预习，了解实验原理、实验步骤以及注意事项，然后通过在线网络交流提出疑问，老师根据学生的反馈了解学生的 “疑点”，后台数据了解学生预习情况，上课讲授时能够有所侧重。师生交流模式从单一的 “灌溉式讲授”发展到双向集体式互动，从传统的以教师讲授为中心转移到以问题为导向、以学生为中心上来。

3.2 课程实施

上课过程中，除了老师现场演示以外，通过虚拟仿真数据库中附子正常炮制品、炮制过度品以及炮制程度不达标样品的展示，使学生对附子实验步骤和炮制程度了然于胸，激发学生操作的积极性，提高学习兴趣，从而进一步思考炮制现象后深层次的原理，此时老师从炮制实验现象出发，抛出思考题：“一些有毒成分也为其有效成分的药材如草乌、附子在加热煎煮时，‘煮太过则药力轻，煮不及则药力又过重也 ’，传统经验要求 ‘口尝无麻舌感或微有麻舌感 ’，又具有主观性和模糊性，请大家查阅资料，利用现代生物技术和电子舌技术，设计一个中药麻舌分级评价方案。”这种开放性的问题需要学生去查阅文献资料，借助网络将学生思维活跃的特点因势利导，引导学生用现代科学思维去解释炮制原理与炮制现象，使课堂模式发展成“理论-实践-理论”的模式，学生将课后思考以小组汇报的形式展现给大家，在拓展学生科研思维的同时提高了学生的综合能力。

3.3 教学效果评价

课程结束后，通过调查问卷的形式对中药炮制实验课程结合虚拟仿真实验室进行反馈，结果显示，80%的学生表示引入虚拟仿真技术对自己学习及实验操作能力提高有较大的帮助，13%的学生表示对自己的学习提高帮助不大，7%的学生更喜欢传统教学模式，认为虚拟仿真结合其他教学平台占用了自己的课外时间，增加了学习负担。结合期末考试的考核成绩进行评价，其中考核成绩由理论成绩（50%）+实验成绩（40%）+思考题展示（10%）三部分组成。结果表明，与前几届学生相比，学生的考核成绩平均提高了3～5 分，实验考核中，学生炮制成品的合格率增加，实验的规范性得到了提高，进一步表明虚拟仿真技术能够为中药炮制实验教学提供创新思路。

4 虚拟仿真应用于中药炮制实验的展望

虚拟仿真实验平台利用其自身沉浸性、交互性和构想性特点，补充到传统教学的 “短板”之中[10]。利用虚拟仿真技术可以融合多种教学方法，结合视频、图片、音频等方式进行多学科多方向延展，具有增进学员与老师的交流、提高学生的积极性和创造力以及节省成本减少浪费等优势，使一些平常较难开展的实验能够突破时间空间的限制得以开展。但是虚拟仿真实验要与现实实验相互补充才能发挥其最大优势，模拟逼真的模型以及图片视频并不能完全替代现实炮制实验中饮片 “形”“色”“气”“味”“触感”真实的变化，鼠标点击体验炮制过程并不能增加学生实际操作经验。现实中不同中药的炮制需要根据经验不断修正部分炮制工艺参数，才能得到高质量的合格饮片。教育部也在 《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中提出了 : “虚拟仿真实验教学中心的建设应充分体现虚实结合，相互补充、能实不虚的原则”[11]，明确了虚拟仿真实验应该与现实实验相互补充，而不能本末倒置，变成纸上谈兵。

虚拟仿真平台也需要配套的管理制度和运行制度支持，评优评先政策倾斜能够激发创作者的创造热情，不断增加模块内容。同时鼓励老师参加虚拟仿真学术会议，积极与虚拟仿真技术工程师以及现代中药企业生产管理人员加强交流，使虚拟仿真平台健康持续地发展下去。改进传统以考试分数为主的评价体系，多角度的考察学生的综合能力，根据授课专业、培养层次以及就业方向不同提供个性化的内容，达到层次化的培养目的。增加课程思政、中医药文化以及人文素养等元素，在掌握实验技能的同时，培育学生的文化自信，尝试用中医药的思维去看待问题，增强学生的自豪感以及对岗位的认同感，使虚拟仿真平台建设能够做到 “有血有肉有灵魂”，从而提高教学质量，培养出思想道德素质高，实践能力与创新能力全面发展的中医药人才。