数字化转型背景下虚拟仿真技术应用于天然药物化学实验课程的探索

摘 要 虚拟仿真技术应用于天然药物化学实验课程是数字转型背景下高等学校信息化课程体系建设的必然要求，对于创新型药学类专业类人才的培养具有较大的优势。从实用、科研、经济效益、学生和教师使用的角度出发，分析并总结虚拟仿真实验教学使用过程中的几点建议，旨在为天然药物化学等相关课程开展虚拟仿真实验教学提供参考。

关键词 虚拟仿真技术；实验教学；虚拟仿真实验；天然药物化学；实验空间；教育数字化

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）17-00-03

0 引言

随着以数字化、网络化、智能化为特征的新时代信息技术迅速发展，知识创造、传播及利用所依附的主体和场景都在发生着深刻的转变，教育数字化也成为时代发展的必然趋势[1]。2021年7月印发的《教育部等六部门关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》提出，全面挖掘信息数据的教学辅助功效，打造涵盖数字资源、信息网络、智慧校园、平台安全、创新应用等新型基础设施平台体系，推进数字化教育的广泛实施与高质量发展[2]。教育数字化是党的二十大明确提出的重点任务，由此确立了教育数字化工作的重大改革意义和实践价值[3]。

作为重要的专业基础课程，天然药物化学在高校药学专业教学中发挥着无可替代的作用，包含着极广泛的研究内容，如天然药物的理化性质、结构类型、有效成分鉴定、分离提取及合成技术等。化学实验课是该课程教学的重要核心内容，能够帮助学生通过实验操作巩固药学基础知识、掌握必备实践技能。目前多数高等学校的天然药物化学实验课存在课时少、实验用时长、过程烦琐等缺点，不少院校的天然药物化学实验课教学方式依然采用“老师讲，学生做”的传统教学模式，虽然在一定程度上可以锻炼学生的动手操作能力，但很难激发学生的自主参与和自觉思考，导致他们难以快速掌握操作技巧和吃透实验原理，缺乏对实验细节的深入思考[4]。加之一些先进的提取分离、结构鉴定新技术，由于实验成本高，无法大量应用，这会减少学生的实验实践机会，从而降低他们的创新创造热情。

虚拟仿真实验教学能够通过对3D仿真等先进技术手段的积极运用实现对现实实验活动的虚拟与混合，将实验教学中无法动手操作及难以具体展现的内容通过计算机仿真系统进行完美解决。因此比线下教学具有更大的实施优势，实验成本投入低，实验操作的重复性和安全性好，且没有时间和场地的限制等突出的优点[5]。因此，在药学专业教学中积极引入这种实验模式可以有效弥补传统实验教学的不足，可以有效促进药学类专业学生的实践动手能力和创新能力的培养。2018年，在教育部的大力推动下，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（又称“实验空间”）正式打造成功，为全国高校提供了虚拟仿真课程开放共享服务。目前，实验空间共收录国家级虚拟仿真实验教学一流课程1 194门。2023年发布的《教育部办公厅关于开展第三批国家级一流本科课程认定工作的通知》提出，虚拟仿真实验教学课程拟认定数量约为500门[6]。这些虚拟仿真项目在实验空间共享，帮助众多高校解决实验课程中不能做、不好做甚至不敢做的具体问题，从而使生产实训活动变得更加完整完善，让学生直接接触最先进的实验模式、对专业知识产生最深刻的理解。

自教育部虚拟仿真项目建设以来，河南中医药大学积极响应并根据项目具体要求构建了多元化资源整合体系与仿真实验活动机制，在虚拟仿真实验方面，已经有3个国家级、52个省部级项目获得了批准通过，其中有12项是为药学虚拟仿真教学服务的。在这些项目中，“地黄内生放线菌及代谢物分离鉴定”“黄连素及衍生物的制备方法虚拟仿真设计实验”和“怀菊花黄酮类成分的分离及定性虚拟仿真综合实验”均涉及化学成分提取、分离、结构鉴定等方法，适用于天然药物化学实验教学，目前已成功运行并应用到两个学期的天然药物化学实验课教学过程中。通过对学生开展的相关问卷调查，结果显示，学生广泛认可接受这些实验教学项目，虚拟仿真实验的开展对于学生实验操作能力的提高和创新能力的培养起到了很大的促进作用。笔者基于虚拟仿真项目应用于本科教学的经验提出几点建议。

1 具体措施

1.1 从实用角度出发，建设与本科专业实验教学契合度高的虚拟仿真实验教学项目

天然药物化学实验的主要教学内容包括有效成分的提取、分离和结构鉴定，涉及的具体实验操作不仅包括多种基本化学技能的具体操作，如溶液的配制、重结晶、薄层色谱、柱色谱法、化学反应，还包括各种仪器设备的使用，如旋转蒸发仪、循环水泵、制备液相、核磁共振仪等仪器使用，涉及的仪器较多，操作复杂，部分实验仪器价格昂贵，无法普及到每一个学生。多数实验项目的周期较长，从药材的提取、纯化到化合物结构鉴定，一个实验项目全部做完需要一天甚至两天的时间才能完成，导致学生对整个实验项目缺乏系统的了解。此外，由于总学时的限制，无法安排更多的实验项目，不利于学生专业知识的培养。因此，应从实际使用角度出发，积极推动虚拟仿真与本专业实验活动的高度契合与有效融合，以提高天然药物化学实验的可操作性和实效性，从而弥补相关实验项目的不足。前期建设中，学校开发的“地黄内生放线菌及代谢物分离鉴定”和“黄连素及衍生物的制备方法虚拟仿真设计实验”项目，应用了天然药物化学实验中的部分知识。2022年，笔者所在教研室开发的“怀菊花黄酮类成分的分离及定性虚拟仿真综合实验”是以“槐米中芦丁的提取、鉴定及其水解产物的分析”实验项目为基础，主要针对河南道地药材怀菊花中的黄酮类化合物，增加了大孔树脂富集总黄酮、紫外分光光度计测定总黄酮的含量、制备液相的分离、核磁共振波谱的测试和处理等实验内容，与天然药物化学实验知识点密切相关。针对天然药物化学中不同类型的化合物，设计了不同提取、分离方法的虚拟仿真项目，从而满足了“两性一度”的建设要求，拓宽了学生的知识深度和广度。

1.2 从科研反哺教学的角度开发适用于创新应用型人才的虚拟仿真实验教学项目

随着科学技术的进步，我国在天然药物化学领域的研究取得了一批具有国际影响力的重要原创成果，如青蒿素的发现。目前，国内多个高校和课题组在自己擅长的天然产物研究领域均取得了丰硕的成果，每年有大量的新化合物被发现并被发表于各类学术期刊。因此，高校可以结合自身优势，通过优质的教学科研活动来实现教学反哺，在进行天然药物教学中的化学实验活动时，积极引入相关科研领域中的最新成果和最新课题，以有效培养药学核心素养和全面提升课程实施效果。目前，国内一些高校已经开展了相关的研究和探索，如郝新才等[7]

发表的《结合天然药物化学实验教学的实习课题设计与探索——以艾叶总黄酮的提取与活性研究为例》一文中，采用新型的提取方法，优化了艾叶总黄酮的提取工艺，并将天然药物化学与分析化学、药理学等专业知识融会贯通，巧妙地实现了科研与教学的融合，达到了学以致用的效果。曾艳荣等[8]在《前沿科研成果融入天然药物化学实验教学——以钩藤中生物碱的提取分离和鉴定为例》一文中，以贵州道地药材钩藤为研究对象，对其生物碱类成分进行提取、分离和结构鉴定，使学生掌握生物碱类成分的提取、分离、检识和结构鉴定方法。另外，近年来笔者所在教研室团队在木脂素类化学、新颖生物碱、新颖倍半萜和二萜类化合物等重要天然产物方面也取得了一定的研究成果，在国际期刊发表研究论文多篇。通过将这些成果与天然药物化学实验的研究方法和虚拟仿真技术相结合，开发出了现实与虚拟结合、质量与效果双提升的虚拟仿真实验，不仅可以让学生掌握更多的天然药物化学专业知识，同时可以提升他们参与科研活动的动力热情，增强他们科研创新的意识和能力。

1.3 从经济效益角度增强国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的利用度

国家虚拟仿真实验教学课程共享平台是全球第一个汇聚全部学科专业、对学习者进行直接服务、遍布各类高等院校的先进实验教学平台，其宗旨是拓宽实验教学内容，延伸实验教学空间，提升实验教学质量，目标是打造国家、省、校三级一体的联动共享实验教学体系，为广大师生提供优质高效、脉络分明的实验教学共享服务资源，以增强试验资源的共享性并扩大其覆盖面[9]。平台的建设运行所消耗的财力物力极其巨大，单凭各高校自身的力量，难以完成如此规模巨大的项目建设。而平台共享性使得虚拟仿真实验不再是空中楼阁，各高校的共享使用既加大了相关实验资源的利用率，又推动其不断全面吸纳各高校优势专业的先进资源和特色内容，在节约资源的同时又能够实现创新优化与丰富完善。所以，该共享平台的建立是一个非常不错的选择。学校建设的这几个项目将来均会与实验空间对接，各高校开发的与天然药物化学实验相关的虚拟仿真项目也可以对接到实验空间，实现优质资源的共建共享，增强国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的利用度。

1.4 从学生使用角度加强学校虚拟仿真实验教学环境的建设

学生是应用虚拟仿真实验教学的主体。虚拟仿真实验教学应该遵循“虚实结合，能实不虚”的核心原则，从现实实验活动所不具备的客观条件入手，精心打造与现实最为相似的实验环境，实现效果提升。其具体实施过程涵盖课程、平台和机制建设等多个方面，其中，虚拟仿真实验教学平台是在对多媒体技术、人机交互技术等的综合运用下，为学生提供全天候的实验环境，可随时根据自身的需求来开展实验[10]。虚拟仿真实验教学资源的建设，不仅包括服务器、交换机、堡垒机、计算机等硬件设施，还包括教学系统、实训空间等系统和场地的建设。高校可以通过设立专项经费，保证信息化技术在高等教育教学中的推广应用，购买相关配套的教学平台和资源。当下，学校已经建成了国家级中药学实验教学示范中心、实验教学虚拟仿真共享平台及实训空间和河南省本科高校虚拟仿真实验教学中心，收录了学校目前建设的所有虚拟仿真实验项目以及购买的90个虚拟仿真实验项目，并通过校园网全覆盖，为学校师生使用虚拟仿真教学营造了更好的学习环境。

1.5 从教师应用的角度培养一支现代化信息素养强大的教学团队

建设一流的教师队伍是现代信息化教学体系平台构建的重要环节。虚拟仿真教学，一方面为教师提供了多元化和灵活性的教学资源，另一方面对于授课教师的现代化信息技能要求较高。授课教师不仅自身需要对虚拟仿真软件、平台和后台管理非常了解并熟练操作，同时还应具备丰富的知识储备，以推动信息化技术平台资源的不断创新。另外，由于软件开发公司无法提供实时的技术服务，后续的虚拟仿真实验软件和运行平台也需要教师进行管理和维护。因此，培养一支现代信息化手段过硬的师资队伍，为虚拟仿真教学的顺利开展提供保障服务尤为重要。

2 结束语

总之，在学科融合的高校教育改革背景下，天然药物化学实验课程虚拟仿真实验作为药学类专业教学改革的关键内容，不受客观条件的固有限制，具有良好交互性和操作可重复性，在培养学生专业技能和素养等方面具有无可替代的实施优势。但这种实验模式必须与实体实验进行融合发展而不能完全替代它，需要遵循虚拟仿真为辅、实体实验为主、互相补充融合的实施原则，精心设计实施融合性实验内容，以高效完成实体实验活动中由于客观条件限制而不能进行的部分，以获得全面、高效的实验教学效果，推动学生不断提高实验参与热情、实验实践能力和实验创新水平，获得全面发展。

3 参考文献

[1] 易阳，杨国超，吴颖洁，等.新文科视域下“以学生为中心”的数字化教学考核评价体系研究：基于在线教学期间某高校学生自主性考核的实证分析[J].新文科教育研究，2023（4）：125-140，144.

[2] 张月，吴兆明.教育数字化转型背景下高职院校在线课程数字资源开发与应用研究[J].教育与职业，2023（23）：87-94.

[3] 贾同.教育信息化嬗变及其智能化趋势[J].上海教育，2023（31）：46-47.

[4] 马敏，李容榕，王敏.天然药物化学实验课程的教学改革实践：MOOC+SPOCs线上线下混合式教学模式的应用[J].海峡药学，2022，34（7）：74-77.

[5] 褚震芳，高魁，乌仁齐木格，等.信息化背景下综合设计性虚拟仿真实验评价系统构建[J].高教学刊，2024，10（1）：86-89.

[6] 王东浩，王世强，孙燕，等.生物类虚拟仿真实验教学分析和探讨：基于国家虚拟仿真实验教学项目共享平台数据分析[J].实验技术与管理，2021，38（7）：151-155.

[7] 郝新才，王佰灵，戈振凯，等.结合天然药物化学实验教学的实习课题设计与探索：以艾叶总黄酮的提取与活性研究为例[J/OL].云南民族大学学报（自然科学版）.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/53.1192.N.20231010.1034.002.html.

[8] 曾艳荣，卫亚丽，谭承建.前沿科研成果融入天然药物化学实验教学：以钩藤中生物碱的提取分离和鉴定为例[J].广东化工，2023，50（10）：208-210，239.

[9] 顾黎，周明华.国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台对现代远程教育实验教学的启示[J].成人教育，2022，42（5）：47-52.

[10] 万春芳.职教改革背景下包装设计虚拟仿真实验教学平台的建设研究[J].上海包装，2023（11）：184-186.

*项目来源：2023年河南省本科高校中药化学课程思政样板课程；2023年河南中医药大学研究生教育教学改革研究与实践项目（项目编号：YJSJ2023-006）；2023年研究生课程思政示范课程项目（项目编号：HZYYJS2023SZ01）；2022年河南中医药大学课程思政样板课程项目“天然药物化学”（项目编号：KCSZ2022-08）。

作者简介：陈辉、孙彦君、冯卫生，教授；李孟，通信作者，副教授；张靖柯，讲师。