遠程藥物分析虛擬實驗教學探索

馬 麗，姚彤煒，余露山，吳永江，汪建元

（1.浙江大學 藥學院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學 遠程教育學院，浙江 杭州 310058）

實驗是獲得感性知識和材料的基本途徑，也是形成、發(fā)展和檢驗自然科學的基礎［1］。“藥物分析”是藥學研究領域中的“眼睛”科學，是藥學專業(yè)教學計劃中設置的一門主要專業(yè)課程。其實驗技術是藥學各分支學科，如藥物化學、藥劑學和臨床藥理學等學科的實驗手段和技術方法［2－3］，在藥物分析課程教學中占有重要地位。遠程教育過程中，由于學生分散，地理分布廣，難以統(tǒng)一組織實驗教學，這已經(jīng)成為制約遠程教育教學質(zhì)量的一個重要因素［4］。因此，為彌補遠程教學的這一缺陷，同時也為更好地激發(fā)學生的學習興趣，提高學生學習主動性，針對藥物分析課程內(nèi)容，我們建立了網(wǎng)上虛擬實驗室，設計了3組不同層次的實驗，探索適合遠程學生實驗教學的解決方案。

1 虛擬實驗室的設計與建設目標

1.1 實驗教學相關資料

按照真實藥物分析課程實驗教學要求，編寫實驗教學大綱、實驗室安全衛(wèi)生制度、實驗課目的要求、藥物分析實驗中常用專業(yè)術語與規(guī)定、常用標準溶液的配制與標定、藥品質(zhì)量標準分析方法驗證，以及實驗教材。

1.2 教學內(nèi)容與方法

實驗內(nèi)容分為驗證性實驗和設計性實驗。選擇典型的藥物分析實驗內(nèi)容作為驗證性實驗，包括容量分析基本操作、藥物的鑒別試驗、藥物的一般雜質(zhì)檢查、氣相色譜法測定藥物中有機溶劑殘留量、有關物質(zhì)的色譜檢查、氧瓶燃燒法測定含碘藥物的含量、阿司匹林含量測定、對乙酰氨基酚片的含量測定、維生素C制劑的含量測定、有機含氮物質(zhì)的含氮量測定等。設計性實驗包括藥物的鑒別、區(qū)別試驗，藥物的特殊雜質(zhì)檢查設計、藥物的含量測定設計等。

采用示教、虛擬實驗仿真操作、理論設計3種教學方法，結(jié)合實驗作業(yè)，完成網(wǎng)上虛擬實驗教學。

1.3 目標要求

拍攝制作6～7個實驗示教視頻，5～6個仿真實驗，不同難度的4～5個設計性實驗。強調(diào)藥物分析實驗規(guī)范化操作的重要性，熟悉常規(guī)藥物分析實驗內(nèi)容和操作方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力，使學生進入虛擬實驗室通過觀看真實的實驗視頻演示，強化理論與實踐的聯(lián)系。在理論知識指導下完成相關的仿真實驗操作，在此基礎上進行設計性實驗練習。使學習遵循由淺入深（觀看→動手操作→自行設計實驗方案），由感性到理性，又由理性回到實踐的認知規(guī)律。

2 示教視頻劇本編寫

實驗示教視頻的應用不僅擺脫了傳統(tǒng)的時間、空間和人數(shù)上的限制，解決了教學資源不足的問題，同時實現(xiàn)了資源共享，使遠程的學生能夠直觀、立體、動態(tài)地掌握典型實驗案例［5－6］。通過示教視頻全方位地培養(yǎng)學生除了掌握理論知識外，發(fā)現(xiàn)問題、處理問題的能力，激發(fā)學生學習興趣。

示教視頻實驗內(nèi)容有容量分析基本操作、氯化物比濁檢查、熾灼殘渣與重金屬檢查、砷鹽檢查、氧瓶燃燒法、凱氏定氮測定等。后期剪輯制作時進行同步配音和字幕顯示，將實驗原理、基本操作要領、注意事項等穿插在實驗演示過程中，并編寫相應的作業(yè)題，學生在觀看視頻后完成有關作業(yè)內(nèi)容。

2.1 基本操作實驗

基本操作實驗包含分析天平、容量儀器、滴定管使用操作及注意事項。根據(jù)課程特點，以上3種儀器是藥物定量分析工作最常用的儀器，其使用的準確與否對分析結(jié)果有重大影響，因此錄制這些基礎訓練內(nèi)容，以提高學生對這些儀器的正確使用與日常維護能力。

2.2 一般雜質(zhì)檢查

一般雜質(zhì)檢查是藥物分析教學的重要內(nèi)容之一。在示教視頻實驗教學中，我們選擇了代表性的一般雜質(zhì)，例如氯化物、重金屬、砷鹽的檢查作為主要教學內(nèi)容進行介紹。

（1）氯化物檢查。以葡萄糖為例：介紹比色管的選擇、洗滌和使用；不同量器的正確選用與操作；比濁測定方法。通過觀看該實驗，使學生掌握比色管的使用操作、比濁測定方法、氯化物檢查原理與實驗注意事項、一般雜質(zhì)限度試驗的概念及雜質(zhì)限量計算方法。

（2）重金屬與熾灼殘渣檢查。中國藥典收載3種重金屬檢查方法，其中第一、二種方法適合于大多數(shù)藥物的分析，2種方法的檢查原理相同，只是前處理方法不同。在實際樣品分析中，很多藥物均采用取熾灼殘渣檢查后的殘留物進行重金屬檢查。在示教視頻中，我們結(jié)合熾灼殘渣和重金屬檢查設計了示教實驗，介紹了熾灼殘渣檢查方法與操作要領、第二法重金屬檢查原理與操作方法、標準鉛溶液取用量的計算和標準鉛對照溶液的制備、比色操作及注意事項等。

（3）砷鹽檢查。中國藥典收載2種方法，第一法為古蔡氏法，第二法為二乙基二硫代氨基甲酸銀法（Ag－DDC法）［7］。2種方法在實驗裝置、比色方法、顯色試劑等方面存在差異。第二法的實驗裝置易損壞，試劑配制后需要穩(wěn)定2周方可使用，但其可以定量測定，靈敏度和穩(wěn)定性均略高于第一法。作為常規(guī)的藥物中砷鹽檢查以及學生實驗教學，多采用古蔡氏法，而Ag－DDC法在新藥砷鹽檢查方法和限度確定中更具優(yōu)勢。為使學生充分了解2種方法的測定原理、實驗裝置、結(jié)果判別的異同點，設計安排了2種測定方法的實驗視頻。

2.3 氧瓶燃燒法

氧瓶燃燒法是一種有機破壞方法，主要用于分子中含有鹵素或硫等元素的有機藥物的分析，通過氧瓶燃燒法破壞后，使有機結(jié)合的鹵素或硫等轉(zhuǎn)換成無機的元素，再采用適宜的方法測定鹵素或硫等元素，從而對含這些元素的藥物進行鑒別、檢查或含量測定。隨著高效液相色譜法在藥物含量測定中的普及應用，目前氧瓶燃燒法主要用于某些含鹵素藥物的鑒別和有效性實驗。同時在學生實驗教學中也因?qū)嶒灠踩浴⑷紵垦b置費用等原因，較少開設這類實驗。為使學生熟悉氧瓶燃燒法這一有效的樣品前處理方法，我們設計了氧瓶燃燒破壞－碘量法測定有機含碘藥物的示教視頻，將測定原理、儀器裝置、化學計量關系與含量計算等融于其中。

2.4 凱氏定氮法測定含氮藥物

本法目前在化學藥物的分析中實際應用已不多，主要在生物藥物分析中、食品分析中有應用，而且也有自動化儀器出售。但采用經(jīng)典的測定方法，可以將該方法的原理、每一步操作意義、注意問題等全面細致地告訴學生。通過視頻教學，可以更直觀地使學生對該方法的優(yōu)缺點有一個全面的認識。該方法既是有機破壞的方法，同時又是一種含量測定方法，但其測定的是一類物質(zhì)（含氮物質(zhì)）的總量，這對于結(jié)構(gòu)不確定、多組分的復雜樣品，如蛋白質(zhì)、生物堿類等物質(zhì)的測定是一種可以選擇的定量方法，但同時也可以發(fā)現(xiàn)該法的專屬性差，難以區(qū)別混在其中的非法添加物。

2.5 氣相色譜法測定有機殘留溶劑

藥物中殘留溶劑的測定一般采用氣相色譜法，我們設計了一個現(xiàn)場實驗教學情境，有教師講課與提問、學生回答問題，以及學生進行分析天平稱量、測定溶液配制、氣相色譜儀操作等過程。學生通過觀看視頻猶如親臨其境。

3 虛擬實驗內(nèi)容與動畫制作要求

虛擬實驗是以計算機為基礎的虛擬現(xiàn)實技術的應用研究，建立在一個虛擬的實驗環(huán)境之上。虛擬實驗注重的是實驗操作交互性和實驗結(jié)果仿真性，與傳統(tǒng)實驗相比具有特有的優(yōu)點：

（1）仿真性。能夠如實地體現(xiàn)實驗過程的每一個步驟。

（2）可控性。學生能夠自行進行實驗操作、參數(shù)設置并對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

（3）靈活性。學生可以根據(jù)自己的需求及時間，隨機安排實驗［8－9］。

3.1 虛擬實驗內(nèi)容設計

（1）鑒別實驗。分為一般鑒別實驗和專屬鑒別實驗，以苯巴比妥為例。苯巴比妥的結(jié)構(gòu)特征是存在互變異構(gòu)現(xiàn)象，有環(huán)丙二酰脲的內(nèi)酰胺（酮式）和內(nèi)酰亞胺（烯醇式）結(jié)構(gòu)共存，通過銀鹽和銅鹽反應，說明母核丙二酰脲結(jié)構(gòu)的一般反應。通過與硫酸和亞硝酸鈉反應，說明取代基苯環(huán)的專屬反應。

（2）雜質(zhì)檢查。分為一般雜質(zhì)檢查和特殊雜質(zhì)檢查。一般雜質(zhì)檢查以葡萄糖分析為例，選擇了有代表性的氯化物、鐵鹽、重金屬檢查，通過對照品與供試品之間的比濁、比色說明藥物中這些雜質(zhì)含量是否符合藥典規(guī)定。其中重金屬檢查，選擇了中國藥典第一法進行測定，與示教視頻的第二法區(qū)別開來，更有利于學生對2種方法的同時掌握。特殊雜質(zhì)檢查以鹽酸丁卡因中有關物質(zhì)的檢查為例，設計了簡便、實用的薄層色譜（TLC）實驗，通過供試品溶液雜質(zhì)斑點的顏色不得深于對照品對丁氨基苯甲酸主斑點顏色來判定鹽酸丁卡因有關物質(zhì)是否符合藥典規(guī)定。

（3）含量測定。包括酸堿滴定法、碘量法和紫外光譜法，分別測定阿司匹林原料、維生素C注射液和對乙酰氨基酚片的含量。通過阿司匹林原料的酸堿滴定法實驗，熟悉常用酸堿指示劑的變色原理和選擇原則；通過維生素C注射液的碘量法實驗，掌握常用輔料對制劑含量測定的影響和排除方法；通過對乙酰氨基酚片的紫外光譜法測定，掌握片劑的取樣量、標示量的計算和紫外分光光度計的操作。

3.2 動畫制作要求

每個實驗項下包括實驗指導書（講義）、目的要求、儀器藥品、實驗方法、思考題。學生點擊進入網(wǎng)上虛擬實驗室，從實驗目錄中選擇實驗內(nèi)容，閱讀實驗指導書，點擊進入下一步，了解實驗相關信息，按照提示點擊實驗方法，選擇其中一個實驗內(nèi)容，進入實驗操作。首先選擇所需儀器、試藥，然后進入仿真實驗操作。實驗過程中系統(tǒng)用畫外音提示操作錯誤或下一步操作。在不知道怎么操作的情況下，也可連續(xù)按“下一步”，觀看實驗演示過程。

根據(jù)以上要求編寫動畫制作腳本，拍攝實驗儀器實物照片供動畫制作模擬。用flash軟件制作實驗動畫，通過多次演示、修改，接近于真實實驗過程，達到仿真目的。

4 虛擬實驗教學方案的實施

4.1 分層次實驗教學

藥物分析實驗教學由淺入深，設計了3個層次的實驗環(huán)節(jié)，以達到基本技能訓練和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學目的。

第一環(huán)節(jié)是讓學生觀看實驗視頻，通過同步配音和字幕顯示，將實驗原理、基本操作要領、注意事項等穿插在實驗演示過程中。學生可以觀看教師親自演示的實驗視頻，同時有電子版教材可供學生閱讀，并有相應的作業(yè)題。學生在觀看視頻后需完成有關作業(yè)內(nèi)容。通過以上示教實驗，讓遠程學生體驗藥物分析實驗氛圍，加深對理論知識的理解，為第二環(huán)節(jié)實驗打下基礎。

第二環(huán)節(jié)是讓學生進行網(wǎng)上虛擬實驗，對照電子版實驗教材中的實驗內(nèi)容，選擇所需儀器、試藥，準備好電子版實驗報告紙，進入仿真實驗操作。實驗過程中，系統(tǒng)用畫外音或屏幕文字提示操作錯誤或下一步操作，要求及時在電子版報告紙上記錄實驗結(jié)果和現(xiàn)象。完成整個實驗后，在電子版報告紙上寫出實驗報告。該環(huán)節(jié)讓網(wǎng)絡學生最大限度地接近真實實驗環(huán)境進行實驗操作。

第三環(huán)節(jié)是進行設計性實驗活動，通過前2個環(huán)節(jié)的學習，學生對藥物分析實驗有了一定基礎后，要求學生有所創(chuàng)新和提高。課程設置了不同難度的設計性實驗內(nèi)容，學生根據(jù)設計性實驗題目要求，結(jié)合理論課學習內(nèi)容，查閱有關資料自行設計實驗方法，包括方法原理、所需試藥與主要儀器、操作過程、結(jié)果計算或判斷。

4.2 實驗作業(yè)與考核

實驗作業(yè)每學期布置2～3次。第1次為示教實驗，學生通過觀看網(wǎng)上實驗視頻回答相應問題，并上傳至學習平臺；第2次為虛擬實驗操作，學生通過虛擬操作實驗記錄實驗數(shù)據(jù)，完成虛擬實驗后的實驗報告，在線提交，并完成實驗作業(yè)上傳至學習平臺；第3次為設計性實驗，學生通過課程復習、文獻查閱設計實驗方案，并上傳至學習平臺，由輔導教師批改。以上實驗取2次成績記入平時成績。

5 成果應用與輻射

計算機應用技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術在遠程教育中的應用，促進了現(xiàn)代遠程教育的快速發(fā)展，使得當前遠程學生能夠更直觀、更生動地掌握實驗技能［10］。虛擬實驗室建成以來，我們一直將其作為遠程藥物分析課程教學的重要組成內(nèi)容加以實施，受到學生的普遍歡迎，效果良好。真實的實驗視頻和形象生動的動畫實驗，增加了學習的趣味性，促進了學生對理論知識的理解，提高了學生的學習積極性。通過3個環(huán)節(jié)的訓練，學生由觀摩→體驗性學習→親自動手實驗→自行設計實驗，全方位地得到了鍛煉和提高。同時學生可在同一難度的多個實驗中自由選擇規(guī)定量的實驗個數(shù)或?qū)W時，在達到教學目的的前提下體現(xiàn)個性化教學，以適合不同工作背景的學生學習。實驗成績作為平時成績的一部分，從而促進學生完成實驗教學學習任務。

該研究成果在遠程精品課程網(wǎng)上供國內(nèi)各院校共享，受到國內(nèi)同行好評。仿真實驗不僅對遠程學生的學習有很大的促進作用，對全日制本科生也很有幫助。學生通過虛擬網(wǎng)上觀摩練習，再進行實際操作，更利于實驗技能的提高。事實上這些教學視頻就是教師上課時的課堂講解加示范操作，對于新教師指導實驗課也起到了很好的指導和參考作用。實驗視頻經(jīng)適當修改已作為《藥物分析實驗教程》的配套光盤由浙江大學出版社出版，應用于國內(nèi)部分醫(yī)藥院校的實驗教學。

（References）

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［3］馬麗，余露山，姚彤煒.以能力培養(yǎng)為導向的藥物分析綜合設計性實驗的設置與實踐［J］.教育教學論壇，2012（42）：75－78.

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