基于虛擬實驗的創新藥物分析實驗教學模式探討

◆譚穗懿 段文軍 劉利紅 楊潔 慈薇

作者：譚穗懿，博士，南方醫科大學藥學院講師，主要從事抗病毒藥物藥理研究；段文軍、劉利紅、楊潔、慈薇，南方醫科大學藥學院（510515）。

藥物分析是藥學專業的一門核心課程，其實踐性、應用性、綜合性很強。實驗課是藥物分析課程中必不可少的重要環節，對于提高學生的科學素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有不可替代的重要作用[1]。然而隨著現代教育改革的實施，現代科學技術的迅猛發展，人們的教育觀念、學習方式都發生深刻的變化。傳統的藥學分析實驗課程受時間、空間、內容、手段等種種因素的限制，面臨著嚴峻的挑戰，因此，實驗教學的教學內容、教學模式、教學方法亟待創新與完善。

虛擬實驗技術是在網絡技術、計算機技術、多媒體技術基礎上發展產生的一項新的實驗技術，它起源于20世紀末，是教育領域應用信息技術的一種創新[2]。虛擬實驗主要是在虛擬實驗室系統中操作的。虛擬實驗室是通過虛擬現實技術實現的一種適于進行虛擬實驗的實驗系統。其可以是某一現實實驗室的真實重現，也可以是虛擬構想出來的實驗室。主要組成成分有相應的實驗室環境、相關的實驗儀器及設備、實驗對象和實驗信息資源等。通過計算機操作，學生就能夠像在實驗室中完成實驗一樣，而且所取得的學習效果并不會比在現實實驗室中差。虛擬實驗系統能夠擴展學生的知識體系，培養學生的動手能力和創新能力，使得教學模式向多元化發展。虛擬實驗進一步提升課堂實驗教學囊括的新技術含量，實現實驗及教學內容的先進化、系統化，從而可使教學質量得以大幅提高。

1 虛擬實驗在藥物分析實驗教學中的應用

1.1 用于實驗前的演練

實驗預習是非常必要的。學生在沒有充分預習并掌握相關實驗理論知識和操作技能的前提下，就可能發生無法完成實驗、操作錯誤、損壞實驗儀器等現象[3]。對于滴定分析操作，學生可能會忽略一些操作細節，比如滴定管的排氣、讀數、滴定姿勢等，帶來對測定結果的影響。而對于利用儀器進行的分析實驗，學生往往由于書本抽象生硬的文字說明，而打擊預習熱情。到了實驗場地，由于對儀器的原理、操作等知識的不了解，學生囫圇吞棗或盲目跟從別人進行儀器操作，達不到實驗教學的目標。

虛擬實驗的直觀真實性能大大提升學生的預習積極性，虛擬實驗室給學生提供了直接觀看實驗或者進行操作的機會。這樣學生就可以了解實驗的目的、操作步驟及結果。在此基礎上學生再進行實際操作，就可做到心中有數，更明確實驗目的，對一些實驗細節和注意事項也是有所準備，實驗操作更順利，實驗效率得到提高。

1.2 課堂演示實驗

演示實驗對理論教學輔助作用良好，所以成為藥物分析實驗教學中較常用的一種教學手段。枯燥的理論、繁瑣的操作步驟、生硬的儀器構造描述通過演示實驗變得直觀易懂，學生也在這個過程當中更好地掌握了實驗的目的及操作要領，充分培養了學生在觀察和綜合分析上的能力。

例如，在講授液相色譜法測定藥物含量時，利用虛擬實驗系統，可以先把液相色譜儀的進樣器、色譜柱、檢測器、數據輸出系統等各部件呈現出來，讓學生對儀器的構造有了整體認識，然后通過虛擬實驗，把藥物含量測定的實驗過程與儀器操作展現出來，包括樣品的制備、樣品進樣、樣品在色譜柱中的分離、樣品的檢測和數據的輸出。最后，展現出數據分析處理的過程與結果，包括介紹數據的一些參數，如理論板數、分離度、重復性、拖尾因子等，藥物含量計算的過程，如內標法、外標法、自身對照法與面積歸一化法等。這樣學生可以直觀地看到液相色譜法測定藥物含量的整個操作過程及分析方法。

尤其對于液相色譜法、氣相色譜法這些大型貴重儀器的分析方法，貫穿于藥物分析各類藥物的質量分析中，學生接觸這類儀器相對較少，分析理論較復雜，是學習的難點和重點。如果學生一開始就沒有把這些儀器測定的原理、操作搞清楚，就會影響到后面章節的學習，打擊學生的學習積極性。利用虛擬實驗室，使得課堂演示能夠實現，教師只需操作電腦，把實驗操作調出來即可，解決了一些大型儀器不可隨便搬動，不易進行課堂演示等缺點，提高了課堂效率，使理論教學與實驗教學有機地融為一體，生動演示模擬實驗過程，而非紙上談兵的空洞教學，加強學生的具體化認知，而且也提高實驗操作的趣味性[4]。

1.3 用于實驗課實驗

在藥物分析實驗課中，很多高校都存在實驗室少、實驗儀器短缺和陳舊等問題，往往是2～3人一組做實驗，導致學生獨立完成實驗機會少。高效毛細管電泳、高效液相色譜、氣相色譜等一些大型貴重的儀器，學生更是接觸得少之又少。這不利于學生繼續深造和滿足工作的需要，也在一定程度上制約了學生的實踐和創新能力。另外，一般實驗過程中學生根據教師的講解與講義上的操作方法按部就班地進行操作，這種“照方抓藥”的模式抑制了學生學習的積極性與創造性。

利用虛擬實驗室，第一個好處是在實驗前省掉了準備工作，操作簡單，可以在單位時間內完成更多實驗任務。并且實驗效果逼真，每個實驗都有具體的實驗要求與目的，學生按指導書的步驟來進行，在實驗過程中記錄數據、現象，完成報告，進行誤差分析，可以實現“一人一機”的獨立操作。

1.4 用于課外實驗

課外實驗為課內實驗的有效補充。受藥物分析實驗課有限學時的制約，不一定所有的分析方法、分析儀器都能安排在課堂上進行實踐教學，因此，一些有一定難度，需要學生參考課外資料才能完成的實驗，或者由于耗時較長、試劑不容易購買、貴重儀器、操作過程有一定危險性等難以在普通實驗室開展的實驗，可以選作為課外實驗，利用虛擬實驗系統進行操作。這樣拓展了課本內容，加深學生對理論知識的理解，拓展了學生知識面，優化實驗效果。

1.5 用于設計性實驗

設計性實驗一般指給定實驗目的、要求，由學生自行設計實驗方案、選擇實驗儀器和試劑并完成的實驗。在設計性實驗中，以學生為主導的教學模式得到充分體現，這樣使得學生更好地掌握實驗原理及操作方法，更全面了解儀器設備的工作原理并正確地操作儀器，使得學生思考問題、分析問題和解決問題的能力得到加強。虛擬實驗室的優點使學生開展設計性實驗的可行性進一步提高。

2 虛擬實驗在藥物分析實驗教學中發揮的積極作用

2.1 優化實驗過程，激發學生學習興趣

傳統的教學方法是教師講授內容步驟，學生完成實驗。這樣就不可避免地出現學生直接按照實驗講義“照方抓藥”進行操作的現象。實驗中缺乏演示，不能提高學生對實驗的感官認識，不能激發學生對實驗的熱情。而虛擬實驗良好的互動性，使枯燥無味的實驗操作變得形象生動，便于記憶與掌握，將學生的眼、耳、手、腦等感官充分調動應用。

2.2 增加實驗的成功率

虛擬實驗室可反復操作的優點，使得學生可無限制地重復操作實驗，這樣學生在掌握正確操作方法之后，再進行真實的實驗，就可大幅度提升實驗的成功率，對于在現實操作中存在各種危險及有一定難度的實驗，其操作性和成功率得到大大的提升。

2.3 成本低，效率高

藥物分析實驗教學中，由于實驗課時數或實驗儀器的資源有限，實驗材料不夠，只能使用多人同組的方式。本科實驗大半都安排了滴定分析與紫外分析，對于液相、液質聯用的貴重分析儀器，學生一般很少接觸到。在虛擬實驗里，“軟件即儀器”，彌補了實驗儀器的不充足。因實驗經費不足，一些精密設備沒有購買，無法展開實驗，原材料、儀器損壞、元件丟失也導致實驗費用增高，影響實驗的進行。但是虛擬實驗就很好地解決了這些問題，沒有耗材上的投資，通過反復實驗，學生可以在實驗前初步了解實驗原理和實驗方法，熟悉實驗操作步驟及注意事項，提高了實驗成功率，同時也減輕了教師的工作量，減少了實驗耗材[5]。在實驗內容上也可以有很大的改進空間。可以在現有開展經典的藥物質量分析的基礎上，選用一些日常使用的藥物進行分析，如“板藍根”等，這樣能使實驗貼近生活，學生會對自己經常接觸的藥物產生興趣，加深學生對實驗內容的理解和掌握。虛擬實驗技術還可以提供一些平時學生很少接觸到的實驗，比如電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）測定中藥中重金屬的含量，LC-MS檢測川楝子中的川楝素，特征譜圖和指紋圖譜技術用于中藥質量控制等。

2.4 拓展學生知識廣度

在虛擬實驗室中，學生的實驗時間、地點沒有限制，而且在實驗內容上，一部分學有余力的學生能夠根據自己的需要拓展課程內容的廣度和深度，開闊視野，在完成正常的教學安排實驗后，可進行一些創造性、開發性的實驗研究。

《中國藥典》2010年版中現代醫藥的分析方法與技術方面均增加明顯，因此，教學內容也應該跟上進度，把一些藥物分析研究方面的熱點及藥典中的新內容添加到實驗項目中，如增加高效液相色譜法、氣相色譜法、核磁共振波譜法等新方法來分析實驗內容。學生在這個過程中了解了學科前沿知識，拓寬了知識廣度，創新意識和科研能力都因此被培養起來。

2.5 適用于不同層次的藥物分析教學

虛擬實驗教學可以本著以學生為主體，教師為主導的遠程教育基本思想，為學生提供自主、交互的學習環境，學生可以在任何時間任何地方選擇進入實驗，讓他們運用基本的理論知識親自實踐、自我評價，充分體現學生在遠程實驗教學中的主體作用。其強大數據庫，讓不同文化層次、閱歷的學習者進行學習，因材施教不同文化背景的學生。

3 虛擬實驗在藥物分析實驗教學中開展應注意的問題

虛擬實驗雖然可以彌補真實實驗的諸多不足，為學生、教師提供了良好的學習環境，但事物都具有兩面性。虛擬實驗在替代真實實驗中雖然起到了很大作用，但不能完全替代。學生在虛擬實驗中對基本技能訓練的重視可能被淡化，導致掌握儀器操作方面不規范，面對突發事件時缺乏應對經驗，實驗教學失去其藝術性。

3.1 弱化了實驗操作的作用

藥物分析是以實驗為基礎的學科，只有親力親為去操作，才能真正掌握知識要領、領悟科學方法、發現科學真理，從而樹立起科學的價值觀。如果教學中把大量的實驗用虛擬實驗替代，學生就只知道操作鍵盤鼠標，而忽略了實驗操作的精髓，導致學生可能認為實驗是可有可無的，弱化了實驗在培養學生實踐性、創造性過程中的重要作用，學生的動手能力得不到鍛煉與提高，違背了實驗教學的初衷。

3.2 減少了師生之間的互動，忽略了教師的指導地位

虛擬實驗實現的是人機的交流，但減少了師生之間的互動。由于進行虛擬實驗的靈活性，實驗內容和地點等都沒有限制，所以學生能結合自己的實際情況隨時隨地展開實驗。但是，由于教師的引導作用沒有在這個過程中體現，學生操作時出現的問題無法及時反饋給教師，教師也無法實時掌握實驗情況和發現教學問題，因此難以針對不同學生個體因材施教，師生情感交流減弱。

3.3 實驗過程理想化，學生不能創新

由于虛擬實驗只依靠計算機來進行操作，實驗的過程都是安裝預先設定好的程序運行，所以虛擬實驗的結果都是一樣的，一些小概率事件不會在結果中發生，實驗結果看起來沒有漏洞，有也只是計算機死機等程序錯誤出現。這樣就不利于學生掌握真正的操作技能，忽視了科學的嚴謹性，學生發現問題、解決問題的實際能力減弱了，創新意識及創新思維也被抹殺，在實驗過程中缺乏分析和思考，只是一味按照步驟來，沒辦法在實驗中發現新問題，達不到實驗教學的預期效果。由于實驗中的儀器都是電腦中的“圖畫”，這樣就減少了學生排除故障和對實驗儀器常規檢修的機會。而且虛擬實驗是一人一機進行操作，無法培養學生的團隊精神。

3.4 要加強教師綜合素質

虛擬實驗教學在藥物分析實驗課程中的應用還處在起步階段。課件制作需要大量人力、物力、財力幫助，分工協作。同時知識和技術更新迅速，教師只有不斷地學習，才能使自己保持競爭力。目前大多數藥物分析教師還未能把虛擬實驗教學真正應用于日常教學中，不能與專業的軟件工程技術人員合作，設計出適用于各層次的藥物分析實驗教學的虛擬實驗系統，因此無法體現虛擬實驗室在藥物分析實驗教學中的作用。多媒體實驗軟件的制作需要藥學教師加強計算機方面的技能，開發具有實際應用性的教學軟件。

4 結語

在實驗教學中，要合理適當地改變實驗形式，對實驗內容做一些調整，采用一些現代輔助技術來開展多樣化教學，只有這樣，才能在實驗中激發學生學習的熱情，從而提高藥物分析的實驗教學效果，在保證教師主導作用的同時，體現出學生的主體性。虛擬教學將運用新的技術不斷克服其局限性，達到與傳統教學的良好兼容。虛擬現實技術作為一種新型的教學媒體，將在藥物分析實驗教學中發揮其最大優勢。

[1]劉瑞華,李琳,朱元元.藥物分析實驗教學的思考和建議[J].實驗室科學,2011(2):60-63.

[2]葉步偉,馬德俊.虛擬實驗技術及其在遠程教育當中的應用[J].繼續教育研究,2011(6):79-82.

[3]方芳,馬濤,張志濤,等.藥物分析實驗教學的探索與思考[J].基礎醫學教育,2012(2):122-124.

[4]劉愛東,王箐,田琳,任偉.虛擬實驗在機能學實驗教學中的應用與體會[J].西北醫學教育,2012(1):88-90.

[5]馬利華.虛擬現實技術在藥學實驗教學中的應用研究[J].實驗教學,2010(12):99-100.