虛擬仿真技術在藥物化學實驗教學中的應用探索

李福榮，李炳龍，王 蕾，管西棟

（山東第一醫科大學（山東省醫學科學院）藥學院，山東 泰安 271000）

新時代對高校人才培養提出了更高要求[1]。培養動手與創新能力強、科研素養高、專業技能扎實、職業道德良好的新型藥學專業人才，滿足科研機構和醫藥企業需求是藥學類高校面臨的新挑戰[2-3]。藥物化學是一門發現與發明新藥、合成化學藥物、闡明藥物化學性質、研究藥物分子與機體細胞（生物大分子）之間作用規律的綜合性學科。實驗是藥物化學的重要組成部分，它將藥學和化學知識有機結合起來，對培養學生動手能力、創新思維和科研素養具有重要作用，為以后學生在科研院所、醫藥企業工作奠定基礎[4-5]。

創新能力、科研思維的培養過程實際上是一個發現問題、分析問題、解決問題的過程[5-6]。本科實驗教學包括預習實驗、教師講解、學生實驗、提交實驗報告幾個環節。學生實驗包括投料、實驗跟蹤、實驗后處理幾個步驟。由于時間關系，實驗跟蹤中TLC檢測、液相檢測等經常一帶而過。從科研思維培養角度來看，本科實驗的過程是不完整的，對產品結構確認—產品純度分析（熔點測定、HPLC）—工藝優化—中試放大—車間生產—自主創新實驗很少涉及。這一過程完整展現了藥物研發、分析、生產過程，包括從實驗室小試研發到中試放大、車間生產，最后到實驗室研發。完整的培訓有利于增強學生分析、解決問題能力，提高科研素養，提升學生創新能力、實踐能力，更好地滿足醫藥研發和生產企業對應用型人才的需求。

傳統藥物化學實驗教學多采用幾個經典實驗，如葡萄糖酸鋅、阿司匹林、撲熱息痛、苯唑卡因等的合成[7-8]，這些實驗操作簡單、方法成熟，有助于加深學生對知識的理解，鍛煉學生動手能力。其教學模式為教師講授、示教，學生重復驗證，缺乏積極性和主動性，不利于科研思維培養。人們在此基礎上進行了許多有益探索，如把驗證性實驗改為自主設計實驗等[9-10]，但是，受實驗學時、實驗設備等限制，藥物化學實驗教學只能進行從投料到后處理部分的操作，舍棄了產品結構確認、純度分析等內容，學生分析問題、解決問題能力得不到鍛煉，對于醫藥研發企業急需的工藝研究、中試放大等實驗技能更是無法展開培訓，很難滿足醫藥企業人才需求。此外，思想道德教育與藥物化學職業道德教育也沒有結合起來。因此，改革藥物化學實驗教學，將新思想、新技術和新內容融入實驗教學，有利于培養學生創新能力和科學素養，為今后藥物化學教學改革提供新的方向。

虛擬仿真實驗是現代信息技術與傳統實驗教學深度融合的產物，極大地拓展了學生的學習資源和空間，豐富了教學模式，彌補了實驗教學的不足[11]。特別是情景式虛擬教學方法，使學生身臨其境地進行實驗操作，教學效果好于教師單純說教。因此，在實驗教學中引入虛擬仿真技術，彌補教學中設備、學時等的不足，線上和線下教學相結合，培養學生獨立思考能力，分析問題、解決問題能力和創新能力，不僅有助于傳統實驗教學走出困境，也對促進藥學相關專業實驗教學改革有一定的積極作用。

1 傳統藥物化學實驗教學存在的問題

1.1 教學模式單一

目前的藥物化學實驗項目一般為驗證性實驗，考慮到實驗的安全性，所選項目多為經典藥物的合成，操作簡單。教師講解實驗步驟和注意事項，示范儀器使用方法，學生按照實驗課本和教師的講解在有限的時間內按部就班地完成實驗任務，實驗過程中缺乏思考，分析問題、解決問題能力得不到提升，創新思維和科研意識得不到培養。

1.2 學時有限，部分實驗無法開展

藥物化學實驗一般為30～50學時，由于時間有限部分實驗無法開展。教師講解后，學生要完成儀器組裝、稱量樣品、投料、后處理等一系列操作，導致時間非常緊張。實驗過程中往往規定反應時間，到時間后，結束反應進行后處理，缺乏反應跟蹤，不能動態監測反應過程，學生無法發現問題、解決問題。

1.3 實驗設備有限，培訓過程不完整

正常的科研流程中，得到產品后結構確認是非常重要的一環，也是藥學專業學生的基本技能，常用儀器有核磁共振儀、高分辨質譜儀。由于這些儀器價格昂貴，使用成本高，因此相關實驗無法普及。教師只在理論課上進行講解，學生無法親身實踐，對產品結構分析缺乏認知，相關知識匱乏。

1.4 缺乏實踐，與實際應用脫節

新時代對高校提出了新的要求。學校教學大綱的制定落后于行業發展，教學缺少到工廠實踐的環節，導致人才培養質量難以滿足藥企需求。目前，實驗教學多是比較成熟的實驗的重復，學生對于如何得到成熟工藝缺少認知。另外，藥品工業化生產需要在小試研究工藝成熟的情況下，于中試工廠或車間進行中試研究，掌握規模擴大過程中各化學反應條件的變化規律，解決實驗室研究中不能發現的問題。而實驗教學一直是實驗室小試研究，學生缺乏相關技能，無法滿足企業需求。

1.5 重視專業知識學習，忽略思政教育

近年來，高校學生在社交平臺發布不當言論的情況屢有發生，暴露出高校在思政教育方面存在缺陷。高校思政教育效果不佳，教育內容抽象、方法單一，學生沒興趣、不愿學，參與度不高。將思政元素融入實驗教學能夠很好地解決這一問題。可以在學生學習專業課的同時開展思政教育，達到潤物無聲的效果。然而，目前的實驗教學仍以專業技能教授為主，思政教育略顯不足。

2 藥物化學實驗教學模式探討

2.1 改革教學模式，虛實結合

改變傳統的教師灌輸式教學、學生機械性重復的教學模式，堅持“以學生為中心”教學理念，采用基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學，引入虛擬仿真技術，通過真人模擬、人機交互，激發學生實驗興趣，提高學生實驗操作技能。虛擬仿真實驗教學包括實驗預習、實驗演示、實驗操作和實驗考核等模塊。實驗預習模塊類似實驗教材，有實驗目的、原理、操作步驟、注意事項等內容。實驗演示模塊為全過程規范操作的錄像，便于學生快速了解實驗內容。實驗操作模塊模擬具體實驗操作，學生自主實驗，在文字、聲音和高亮提示幫助下，人機交互，模擬操作實驗。

2.2 改革教學內容，線上線下相結合

改革教學內容，將實驗項目精簡合并，結合虛擬教學內容，進行完整的實驗培訓。實驗中合成、跟蹤、熔點測定、工藝研發部分，通過線下教學完成。教師提前布置實驗任務，學生通過預習、查閱文獻、看演示視頻，掌握相關知識。教師上課時提問，然后講解實驗內容。實驗跟蹤部分，分組討論，以TLC和液相色譜為主。工藝研發部分需要集體合作，將全班分成幾個組，每組在不同條件下實驗，最后匯報實驗結果，全班進行討論。

2.3 采用虛擬仿真技術模擬，克服設備缺陷

結構鑒定部分需要用到的大型儀器價格昂貴，而且還受到儀器數量和教學學時限制，導致相關實驗無法開展。此類儀器操作自動化程度較高、內部器件大多被封閉，學生不能在短時間內熟練操作儀器、理解工作原理。構建虛擬仿真實驗儀器教學環境，學生通過人機交互完成教學實驗的各個環節（包括樣品前處理、儀器參數的設置、測試過程的操作、數據處理、結構分析等），既能對這些大型儀器的工作原理及操作方法有一個基本了解，又能掌握化合物結構分析操作。

2.4 設計虛擬中試工藝，補齊工廠實踐短板

實驗室小試研究與中試放大、車間生產既相互聯系又有很大區別。中試放大的目的是為擴大生產提供可靠的實驗數據，并對工藝進行修正，對不適合工業化的部分進行優化，開發出適合生產的工藝，此過程需在中試車間進行。由于試驗場地、設備和安全性等條件的限制，在實驗教學中無法開展。采用虛擬仿真技術，根據生產過程，模擬中試車間操作流程，按照實際生產過程創建教學情景，其中工藝路線和單元反應操作方法的最終確定、設備材質和型號的選擇、工藝流程和操作方法的確定、物料衡算等步驟和實際生產流程吻合，使學生對車間操作規程有基本的了解，掌握中試放大技巧，提高實踐能力。

2.5 加強思政引導，培養學生家國情懷和科研素養

堅持把立德樹人作為教育的根本任務，把思想政治工作貫穿教育教學全過程。在藥物化學實驗教學過程中，把教學和思政元素糅合在一起，做到潤物細無聲。利用實驗教學培養學生嚴謹的科學作風、實事求是的科學態度，實驗過程中，如實記錄實驗現象、實驗數據，提倡科研誠信；工藝優化環節，培養團結協作精神，通過對工藝條件的討論，增強學生環境保護和節約資源意識；中試放大過程中，要求學生如實記錄實驗現象、實驗數據，培養學生嚴謹、求實的科研作風，愛崗敬業、誠實守信的職業精神。

3 結語

傳統藥物化學實驗教學中科研思維培養過程是不完整的，學生分析問題、解決問題能力欠缺，無法滿足新時代科研機構和醫藥企業對人才的需求。虛擬仿真技術由于自由度高、交互性強、趣味性好、仿真度高等特征被廣泛應用于國內外諸多學科和專業的實驗教學。藥物化學實驗教學引入虛擬仿真技術，虛實結合，可以有效彌補傳統實驗教學的不足，線上和線下相結合，在教學中融入思政元素，培養學生職業素養、創新能力、科研素養、實踐能力，滿足新時代人才培養需求。

筆者對藥物化學實驗教學進行改革，并在超星泛雅平臺建成網絡課程，實驗課前組織學生觀看演示視頻，進行線上學習，結合實驗內容，書寫預習報告。我們發現學生對實驗的理解比以前深刻，掌握實驗操作的時間明顯縮短，動手能力明顯增強。目前，筆者正在積極進行虛擬仿真實驗項目建設，探索虛擬實驗應用于藥物化學實驗教學的新思路。