基于科研成果轉(zhuǎn)化的藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

張培全 陶移文 宣愛(ài)國(guó) 馬文康 張超

摘 ?要 為了發(fā)揮高校服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略作用，藥學(xué)院重視“產(chǎn)學(xué)研”一體化，通過(guò)科研轉(zhuǎn)化支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形成“教學(xué)—科研—轉(zhuǎn)化”相互促進(jìn)的良性循環(huán)。從“基礎(chǔ)性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新綜合性”三個(gè)層次上進(jìn)行設(shè)計(jì)，將已有的科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，拓寬科研視野，提高對(duì)科學(xué)探究的興趣和主動(dòng)性，促進(jìn)實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升。

關(guān)鍵詞 科研成果;教學(xué)資源;藥學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）18-0028-03

Exploration and Practice of Pharmaceutical Virtual Simulation Experiment Teaching based on Transformation of Scientific Re-

search Achievements//ZHANG Peiquan， TAO Yiwen， XUAN Aiguo，

MA Wenkang， ZHANG Chao

Abstract In order to give full play to the strategic role of service in-

novation driven development in colleges and universities， the school

of pharmaceutical sciences attaches great importance to the integra-

tion of “production， learning and research”， and supports experimen-

tal teaching through scientific research transformation to form a vir-tuous circle of mutual promotion of “teaching， scientific research and

transformation. From the three levels of “basic， design and innova-

tion comprehensiveness”， the existing scientific research achieve-ments are transformed into virtual simulation experiment projects. Through virtual simulation experiments， students have deepened un-

derstanding of theoretical knowledge， widened the scientific research

field of vision， improved the interest and initiative of scientific inquiry，

promoted the promotion of the ability of practice and innovation.

Key words scientific achievements; teaching resources; pharmacy; virtual simulation experiment teaching

1 前言

科技是先進(jìn)生產(chǎn)力的集中體現(xiàn)和主要標(biāo)志，是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和提高綜合國(guó)力的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。高校是國(guó)家高新技術(shù)的主要提供者和創(chuàng)造者，社會(huì)對(duì)高等學(xué)校學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提出越來(lái)越高的要求[2-3]?，F(xiàn)代大學(xué)中教學(xué)與科研之間孰重孰輕的矛盾與爭(zhēng)論一直在持續(xù)，如何構(gòu)造科研成果通向教學(xué)資源的橋梁，更有效地促進(jìn)科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)資源，服務(wù)于本科教學(xué)和人才培養(yǎng)，是高校教學(xué)過(guò)程中普遍存在和亟待解決的難題[4-5]。近年來(lái)，廣州醫(yī)科大學(xué)省級(jí)藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在理順教學(xué)與科研的關(guān)系方面開(kāi)展了有益的工作，通過(guò)將科研成果轉(zhuǎn)化為藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，創(chuàng)新了本科教學(xué)體系，探究了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的新模式。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)逼真可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯優(yōu)勢(shì)，并對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生顛覆性影響，學(xué)生通過(guò)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的反復(fù)多次模擬操作，可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解，還可節(jié)省大量時(shí)間進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性、探究性的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供保障[6-7]。

3 藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是藥學(xué)專(zhuān)業(yè)教育必不可少的重要環(huán)節(jié)，但在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中受制于多種主客觀(guān)因素，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面開(kāi)展[8]。

實(shí)驗(yàn)條件的特殊性 ?藥學(xué)研究所涉及的高致病性病原微生物、放射性等實(shí)驗(yàn)，化學(xué)、制藥所使用的劇毒類(lèi)、易制毒品類(lèi)等物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，所需實(shí)驗(yàn)條件高，現(xiàn)有學(xué)生大型實(shí)驗(yàn)室條件很難滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)要求，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)則可滿(mǎn)足日常教學(xué)要求，避免潛在危險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可逆性 ?藥理、藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物消耗量巨大，實(shí)驗(yàn)具不可逆性。引入虛擬實(shí)驗(yàn)，既可讓學(xué)生掌握真實(shí)實(shí)驗(yàn)的流程、原理和實(shí)驗(yàn)思維體系，又可減少、優(yōu)化甚至部分替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

教學(xué)成本和資源限制 ?藥物合成實(shí)驗(yàn)所需要的特殊試劑和催化劑、藥效學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的大量生化試劑、人體藥代動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物等成本價(jià)格逐年上漲，病原體來(lái)源困難、實(shí)驗(yàn)耗材價(jià)格偏高等因素，藥物生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境因素，造成學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)的限制，最終影響學(xué)生對(duì)實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)的限制。將樣本信息數(shù)字化，建立相應(yīng)虛擬模型，則可反復(fù)操作使用，從而滿(mǎn)足學(xué)生動(dòng)手操作的需求。

學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求 ?實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放是學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提升自主實(shí)踐技能的重要手段。但由于藥學(xué)實(shí)驗(yàn)需要大量的試劑、動(dòng)物、儀器設(shè)備等配套資源，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程繁雜，資源和場(chǎng)地消耗量大，難以做到隨時(shí)對(duì)學(xué)生開(kāi)放。而虛擬藥學(xué)實(shí)驗(yàn)則可以做到不受時(shí)空限制、隨時(shí)隨地開(kāi)放。

掌握實(shí)踐技能的需要 ?藥學(xué)工作需要嫻熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)支持，隨著新版GMP和GSP的實(shí)施，對(duì)企業(yè)和環(huán)境要求越來(lái)越嚴(yán)格，學(xué)校很難大批量安排學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí);即使安排了，也很難真正讓學(xué)生親身操作制藥工藝或藥品流通過(guò)程。涉外實(shí)訓(xùn)安排非常困難，實(shí)訓(xùn)效果有限。因此，在實(shí)踐實(shí)訓(xùn)操作教學(xué)中，模擬是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)交互的動(dòng)畫(huà)方式直觀(guān)地展現(xiàn)操作過(guò)程和方法，利于學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)工作的理解。

上述因素成為制約藥學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的瓶頸，而藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、相互補(bǔ)充等多種方法的靈活運(yùn)用，構(gòu)建課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)習(xí)教學(xué)等多元化的教育教學(xué)體系，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓展了教學(xué)內(nèi)容，無(wú)限度增加學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，同時(shí)可打破學(xué)科、課程間局限性，符合當(dāng)今醫(yī)藥教育教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型藥學(xué)人才提供了保障。

4 科研成果轉(zhuǎn)化的藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

廣州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院擁有省級(jí)藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，中心教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持教學(xué)與科研相結(jié)合，將科研儀器設(shè)備應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將科研成果及時(shí)融入授課內(nèi)容，傳遞最新的知識(shí)信息，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，彌補(bǔ)知識(shí)更新滯后的不足，不斷拓展、豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍和內(nèi)容，提升學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新性思維及科研素質(zhì)。近年來(lái)，不斷將科研成果轉(zhuǎn)化為藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

微循環(huán)灌流與血流動(dòng)力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目來(lái)源于“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機(jī)制研究” ?本項(xiàng)目研究了他汀類(lèi)藥物具有抑制心肌肥厚和改善心室功能的作用和對(duì)抗自由基誘導(dǎo)的急性左心室功能障礙，提出他汀類(lèi)藥物通過(guò)抗氧化作用機(jī)制發(fā)揮其心臟保護(hù)作用。將“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機(jī)制研究”成果轉(zhuǎn)化為藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將成果中的抗氧化應(yīng)激損傷的基本實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)為“微循環(huán)灌流與血流動(dòng)力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”虛擬軟件。該項(xiàng)目綜合了離體器官實(shí)驗(yàn)技術(shù)、血管環(huán)舒張功能檢測(cè)等方法，而這些技術(shù)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)這些心血管生理與病理生理學(xué)的知識(shí)和技術(shù)肯定能起到很好的效果，尤其是能使學(xué)生深刻理解血管內(nèi)皮功能以及血壓調(diào)節(jié)相關(guān)知識(shí)。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新思維能力。

肝癌的甲胎蛋白酶標(biāo)電泳測(cè)定法實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目來(lái)源于“甲胎蛋白酶標(biāo)對(duì)流電泳測(cè)定法” ?原發(fā)性肝癌長(zhǎng)期以來(lái)是我國(guó)高發(fā)癌癥之一，由于其惡性程度高，早期診斷至關(guān)重要;而定量檢測(cè)血清中微量甲胎蛋白的分離和含量變化是早期診斷原發(fā)性肝癌的極其重要手段?！凹滋サ鞍酌笜?biāo)對(duì)流電泳測(cè)定法”包含了生物化學(xué)、腫瘤學(xué)和生化制藥等多方面的知識(shí)和技術(shù)，并與臨床緊密相連;同時(shí)充分體現(xiàn)出創(chuàng)造性的科學(xué)思維，非常適合于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將其轉(zhuǎn)化為真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，發(fā)現(xiàn)其酶標(biāo)抗體等試劑成本高，因此，將其設(shè)計(jì)為“肝癌的檢測(cè)方法與防治”虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擺脫制備高成本實(shí)驗(yàn)試劑的束縛，既拓展了虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也激發(fā)和活躍了學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

紅樹(shù)林內(nèi)生真菌抗肺癌干細(xì)胞活性代謝產(chǎn)物分離純化實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目來(lái)源于“基于LC-MS/MS分子網(wǎng)絡(luò)的紅樹(shù)林內(nèi)生真菌抗肺癌干細(xì)胞活性代謝產(chǎn)物的研究” ?本課題以三株具有良好抗腫瘤活性的菌株DZ27、H1N1和2216#作為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)、規(guī)模發(fā)酵、有機(jī)萃取、LC-MS/MS數(shù)據(jù)構(gòu)建代謝物的分子網(wǎng)絡(luò)、抗肺癌干細(xì)胞活性指導(dǎo)分離純化以及現(xiàn)代波譜學(xué)手段確定其化學(xué)結(jié)構(gòu)，獲得活性化合物，并從Wnt/β-catenin信號(hào)通路、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及凋亡抑制因子等干性分子角度，研究活性化合物調(diào)控肺癌干細(xì)胞的作用機(jī)制。把菌株DZ27、H1N1和2216#的優(yōu)化培養(yǎng)、規(guī)模發(fā)酵、有機(jī)萃取、抗肺癌干細(xì)胞活性指導(dǎo)分離純化等制作成虛擬仿真軟件，使學(xué)生通過(guò)軟件學(xué)習(xí)如何從菌株中分離純化獲得活性化合物，大大節(jié)省了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間以及試劑消耗。

組蛋白去乙?；敢种苿℉DACi）調(diào)控體外培養(yǎng)的成年神經(jīng)干/前體細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目來(lái)源于“PI3K/AKT/mTOR/S6K信號(hào)通路介導(dǎo)HDAC抑制劑調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞分化及其在抗癡呆中的作用論證” ?本課題用Brdu和DAPI分別標(biāo)記新生細(xì)胞和所有細(xì)胞核，計(jì)算Brdu陽(yáng)性細(xì)胞/DAPI比率，研究不同HDACi對(duì)培養(yǎng)的成年神經(jīng)干/前體細(xì)胞增殖的影響，以明確HDACi調(diào)控成年神經(jīng)干/前體細(xì)胞的特性。把不同HDAC亞型抑制劑和不同劑量HDACi等數(shù)據(jù)錄入，制作成虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，使學(xué)生通過(guò)軟件學(xué)習(xí)劑型、劑量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，大大節(jié)省了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的試劑消耗，同時(shí)使學(xué)生學(xué)習(xí)成年神經(jīng)干/前體細(xì)胞的相關(guān)知識(shí)。

5 科研成果轉(zhuǎn)化的藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)放與共享

科研成果轉(zhuǎn)化的藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)體中心項(xiàng)目形成有效呼應(yīng)，平臺(tái)網(wǎng)站對(duì)學(xué)生全線(xiàn)開(kāi)放，打破了時(shí)空限制，學(xué)生可隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)自學(xué)、討論并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上自主學(xué)習(xí)。推進(jìn)自主研發(fā)的基于科研成果的教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化工作，與公司合作推廣自主研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件在本?；蛘咂渌咝５氖褂?，增強(qiáng)中心平臺(tái)的內(nèi)涵建設(shè)，夯實(shí)自主研發(fā)及合作研發(fā)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，吸引使用者自覺(jué)訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)網(wǎng)站，加強(qiáng)宣傳與引導(dǎo)，制定一些具體的使用量化指標(biāo)，促進(jìn)使用率的提高。擴(kuò)大覆蓋面，增強(qiáng)輻射效應(yīng)，擴(kuò)大科研成果轉(zhuǎn)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)省內(nèi)醫(yī)院的開(kāi)放數(shù)量，拓展醫(yī)藥院校的共建、開(kāi)放和共享聯(lián)盟的規(guī)模，擴(kuò)大虛擬醫(yī)學(xué)科普教育平臺(tái)、廣州市科普基地對(duì)大專(zhuān)院校和中小學(xué)學(xué)生及其他社會(huì)人士開(kāi)放的規(guī)模，努力增強(qiáng)平臺(tái)科研成果轉(zhuǎn)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的示范輻射作用。

6 結(jié)語(yǔ)

“教不研則枯，研不教則殆。”[9]將科研成果轉(zhuǎn)化為藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)操作，又成功地將最新的科研成果不斷擴(kuò)充到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中去，形成“教學(xué)帶動(dòng)科研，科研促進(jìn)教學(xué)”的良性循環(huán)，為學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了有力保障。

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