基于虛擬仿真技術的藥理學實驗設計探索①

張斌 馬劍峰 陳琳 易凡

(1.山東大學齊魯醫學院基礎醫學院藥理學系 山東濟南 250012；2.山東大學齊魯醫學院基礎醫學院實驗教學中心 山東濟南 250012)

圖1 實驗平臺首頁（五大模塊）

圖2 實驗平臺小模塊設置

藥理學是一門實踐性很強的基礎醫學學科，是高等醫學教育的必修課，為培養優秀醫學人才發揮著舉足輕重的作用。實驗教學是藥理學教學的重要環節，對于鍛煉學生的動手操作、問題處理能力，培養學生的觀察分析、開拓創新能力，以及幫助他們形成善于思索、嚴謹求實的學習態度都至關重要。多年來，藥理學實驗教學一直采取傳統模式，即上課時首先由教師講解實驗內容，然后學生在規定時間內按照教師要求及教材說明，通過實際操作獲得實驗結果，并在課后撰寫實驗報告。這種模式在教學中的作用毋庸置疑，但也有其不足之處、存在著一些弊端，從而削弱了學習效果。2016年，國務院關于高等教育改革與發展工作情況的報告指出“教育質量是高等教育的核心，要實現高等教育大而強，必須把提高質量放在重要位置，推動以提高質量為中心的高等教育發展轉型”。近年來，隨著科技的迅猛發展、隨著教學改革的大力推進，智能化、網絡化的教學形式已不斷涌現。在現代教學條件下，傳統的藥理學實驗教學模式亟需向信息化、多元化發展，應盡力為學生提供更多、更好的學習資源，以充分調動學生的學習熱情、提高教學質量，促進優秀醫學人才的培養[1]。

1 傳統實驗教學模式的局限性

藥理學實驗以動物操作及藥效觀察為主，受客觀條件所限，傳統模式在許多方面存在不足，例如實驗場地狹小、人均占有資源少、學生完整獨立的操作機會少，有些涉及國家管制藥品的實驗由于存在安全隱患而無法自如開展，實驗失敗或結果不理想使學生產生挫敗感，等等。這些問題使一些有價值的實驗成為一種擺設，使寶貴的學習資源不能得到充分利用，也就無法很好的發揮實驗教學的應有作用。

圖3 加入藥液的演示界面

圖4 藥效曲線的演示界面

《苯海拉明的拮抗參數pA2的測定》是藥理學經典實驗之一，利用離體豚鼠回腸標本，觀察抗組胺藥苯海拉明（DH）對組胺（HA）收縮回腸平滑肌的競爭性拮抗作用，使學生掌握藥物效應動力學的相關知識，掌握離體器官的實驗方法及拮抗參數的計算方法[2]。目前，本實驗多以傳統教學模式開展，學生4～5人一組，分工合作。但受動物個體差異、學生操作技能、實驗系統穩定性等的影響，有時難以獲得準確的量效曲線圖形，即與教科書上的理論描述不完全一致，從而使學生產生困惑，自信心受到打擊；其次，苯海拉明拮抗參數的推導演算過程較為復雜，在有限的課堂時間內，教師無法全面深入地進行解析，在一定程度上導致學生“只知其然，不知其所以然”現象的發生，不利于他們對核心知識的真正掌握；再次，由于本實驗對于學習競爭性拮抗藥具有極好的啟發闡釋作用，學生希望在復習理論知識的同時能夠隨時回顧實驗過程以加深理解，而現有的實驗教學是一過性的，課后學生不再有機會進入同一課堂自行溫習。由此可見，在科技高速發展的當代，傳統的實驗模式以一己之力已無法滿足高質量的教學目標，新型教學模式的有效實施是新時代背景下人才培養的迫切需求。

2 虛擬仿真實驗的優勢

2018年，《求是》雜志刊文“深入學習貫徹黨的十九大精神，全面開創教育改革發展新局面”，指出積極推進教育信息化，穩步提升教育質量，發展具有中國特色、世界水平的現代教育[3]。虛擬仿真實驗即是信息技術推動教學改革發展的結果，正如教育部在《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》中所述“虛擬仿真實驗是教育信息化建設的重要內容，是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措”[4]。與傳統實驗教學相比，虛擬仿真實驗具有許多優勢[5-7]：(1) 采用人機互動方式，通過交互操作逐步完成實驗項目，系統可跟蹤記錄學生的學習情況給予評價，學生可及時得到反饋并進行反思，進而促進學習。(2) 實驗過程及實驗結果清晰標準、形象生動，令人印象深刻，利于學生掌握科學準確的相關知識。(3) 不受時間和空間的制約，學生可隨時隨地登錄系統完成實驗，單人單機，實現遠程學習，并可根據需要進行回顧復習。(4) 安全便捷，使一些有毒有害、復雜的、周期過長的實驗得以實現，開闊學生視野。(5) 無需實體動物、試劑和耗材，無需實驗場地和設備，節約了實驗成本，也易于拓展新的實驗項目，而且還可借助互聯網實現資源共享。虛擬實驗在激發學生求知欲、培養創造性思維等方面都有其獨到優勢，在實驗教學中發揮了積極的作用，更在疫情期間成為唯一的實驗教學手段幫助廣大學子在家里完成了實驗學習任務。

圖5 量效曲線的演示界面

圖6 拮抗參數計算的界面

3 《苯海拉明的拮抗參數pA2的測定》虛擬實驗教學設計

我們將虛擬技術和定量仿真分析相結合，構建完成了“苯海拉明的拮抗參數pA2的測定”這一藥物效應動力學的經典實驗，以彌補傳統教學的不足。本虛擬實驗由“實驗簡介”、“模擬操作”、“實驗波形”、“數據分析”、“思考題”五大模塊組成（見圖1）。“模擬操作”模塊從儀器準備、系統調節、波形定標，到組織標本的制備懸掛，步步推進。“實驗波形”模塊將標準的原始圖形結果一一呈現。“數據分析”模塊引導學生學會拮抗參數pA2的演算過程。“思考題”模塊圍繞實驗重點內容啟發學生思考。通過與傳統實驗及理論課的結合，可提高學生的學習興趣和效果。下面我們對各模塊的功能進行介紹。

3.1 實驗簡介模塊

無論是線下實操還是網上虛擬，對學生而言，一個實驗能否順利完成，并從中獲得最大化的學習收益，都與正式實驗前對該實驗的認知程度密切相關。因此，實驗簡介是構建本虛擬實驗的首要組成。本模塊中，我們圖文并茂詳細地介紹了實驗目的、實驗對象、實驗器材與藥品、實驗原理、實驗步驟及注意事項。學生完全可以脫離書本教材，在課前登錄系統預習了解，清楚實驗內容及應該達成的學習目標，當遇到疑點難點時可根據實際情況主動查閱資料，做到心中有數，正式實驗時才能夠有備而來、化被動為主動，而非單純刻板的操作。通過實驗簡介模塊的學習，學生對本實驗有一個整體的前期認識，是保證實驗良好效果的重要部分。

3.2 模擬操作模塊

模擬操作模塊包括實驗步驟的大部分內容。按照操作順序，被分解細化為儀器準備、信號系統調節、波形定標、豚鼠處死固定、開腹取回腸、回腸沖洗剪段、懸掛標本共7個小模塊（見圖2）。本著還原真實實驗場景的原則，每個小模塊都設計了生動逼真的虛擬動畫演示，并輔以字幕標注及配音解說。學生可根據系統提示，點擊鼠標循序漸進地獨立完成整個操作，也可以根據自身需要，隨意選擇任一小模塊，反復進行某一步驟的練習。例如，標本的懸掛是本實驗中較難掌握的步驟，涉及線鉤和金屬鉤的使用、調節氣流等影響實驗成敗的關鍵步驟，學生可以通過反復演練直到真正掌握為止。此外，整個實驗過程還設有暫停鍵、重啟鍵，并有小測試穿插其中，學生實時回答，系統即刻反饋并指出正誤。靈活可控的操作界面、人機交互的操作模式，方便了學生按需學習、自主學習，不僅幫助他們掌握離體組織器官的實驗方法、加深對相關知識的理解，也利于激發他們的探究意識和思考能力，使學（學習）、做（操作）、思（思索）、析（分析）有機融合，理論和實驗交相呼應，提高學習成效。

3.3 實驗波形模塊

實驗波形模塊為實驗步驟中觀察藥物效應的部分，在模擬操作（系統調試及回腸標本制備）后即可進行，是記錄回腸收縮曲線的過程模擬。可直接點擊平臺首頁的“實驗波形”按鈕（見圖1）進入模塊，也可以點擊實驗平臺小模塊界面中的“加藥觀察回腸收縮曲線并記錄波形”按鈕（見圖2）進入。按照操作提示，用移液器吸取不同濃度的組胺或苯海拉明溶液注入到回腸所在的浴管營養液中（見圖3），隨著藥物含量的累積，藥效曲線也相應出現，強度逐步增強，波形清晰而標準（見圖4），很好地闡釋了理論課上所學的知識。這種虛擬仿真的圖形有助于學生對組胺收縮腸平滑肌及苯海拉明拮抗作用的理解，也使他們對藥物的量效關系及藥物與受體的相互作用有了更直觀的認識。理想的原始圖形、形象的藥理效應，使學生在操作過程中真切地感受到理論在實驗中的完美體現，收獲成功的喜悅，從而有效提升學習效果及進一步探究的學習熱情。

3.4 數據分析模塊

完成實驗波形（回腸收縮曲線）的記錄之后，學生即可得到第一手的原始圖形結果。接下來進入數據分析模塊，對原始圖形進行分析以獲得本實驗的最終結果——組胺的量效曲線和苯海拉明的拮抗參數。可直接點擊平臺首頁的“數據分析”按鈕（見圖1），或點擊實驗平臺小模塊界面中的“組胺的量效曲線繪制”和“拮抗參數計算”按鈕進入本模塊（見圖2）。按照實驗記錄表中組胺濃度的對數值及對應的回腸收縮幅度，繪制量效曲線（見圖5），通過與原始圖形的比較，幫助學生理解量效曲線的概念和含義，并由“量效曲線平行右移而最大效應不變”的典型結果進一步鞏固苯海拉明對組胺具有競爭性拮抗作用的理論知識。拮抗參數的計算是在學生充分了解實驗原理的基礎上進行的，通過詳細演示雙倒數變換等過程，引導學生結合實驗原理，前后呼應，學會拮抗參數的測定方法（見圖6）。此外，本模塊還幫助學生延伸學習內容，激發他們學習運用Excel進行量效曲線繪制及直線回歸運算的興趣，使學生在收獲專業知識的同時獲得更多有價值的技能。

3.5 思考題模塊

為考察學生對實驗的掌握情況、幫助他們查漏補缺，特設置“思考題”模塊，提出幾個關鍵問題啟發學生思考，學生在線完成并提交答案，教師批閱后通過系統反饋。加上“模擬操作”模塊中穿插的小測試，學生最終可得到一個總成績，能夠整體反映本次實驗的學習效果。學生根據得分情況，查找不足，再有針對性的進行復習回顧，以期達成學習目標。

4 結語

本實驗通過虛擬仿真技術模擬了回腸收縮的生理指標，對組胺及苯海拉明的作用進行了詳細演示，并在數據分析后提供了包括原始圖形、量效曲線及拮抗參數在內的實驗結果總結，幫助學生以更全面的視角清晰地領會實驗的核心內容。而且，實驗各模塊間能自由切換，模塊內可隨意選擇，并設有暫停鍵、前進鍵、后退鍵，方便學生根據自己的實際情況隨時隨地按需學習。與傳統實驗相比，本虛擬實驗更具交互性、靈活性、精準性，含有更為生動寬泛的延伸信息。但是也并非毫無瑕疵，尤其不利于鍛煉學生的動手操作能力及面對突發情況的處理能力，因此不宜完全取代傳統實驗。只有將兩種實驗模式科學有效地結合，取長補短，不再拘泥于某一種模式，才能充分發揮實驗教學的應有作用，使學生有更大的收益。