以抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化為例的虛擬仿真實驗在化學實驗教學中的探索與應用

李明華 蘭 婷 冀 楠 秦向陽 張俊娜 田秦秦 王海波 何 煒

空軍軍醫大學藥學系化學制藥學教研室，陜西西安 710032

虛擬仿真實驗教學被列為教育部的重點建設工作之一[1]，是當下實驗教學發展的趨勢。化學學科是理論與實踐結合為一體的自然科學，我校化學教研室從實際應用的角度出發，緊跟社會與學科的發展，突破化學實驗在時間、試劑、設備等方面的限制，于2020—2021學年完成一項實驗教學改革項目，開設了一個有機化學虛擬仿真實驗項目——抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化。學生通過客戶端，模擬真實的實驗環境，充分調動學生自主學習的主動性，激發學習熱情和實驗積極性，從中收獲實踐體驗，掌握實驗必備的基本操作，培養學生獨立思考、分析問題、解決問題的能力，鞏固教學內容。同時還能夠滿足本科化學教學不斷增長的實驗課程需求，對實驗教學模式實現了完善和創新，切實提高實驗課程的教學質量。

1 有機化學實驗教學的現狀與面臨的挑戰

有機化學實驗是有機化學教學中非常重要的一部分，可以很好地提高學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力。然而，傳統的有機化學實驗課程卻存在著諸如以下的問題[2-7]：實驗內容相對簡單，基礎性、驗證性的實驗占大多數，探索性、設計性等需要學生自主思考、查閱文獻、設計實驗路線的幾乎沒有。在實驗課上，學生往往只進行最基本的操作訓練，如重結晶、熔點測定，萃取升華等。除了基本操作，有機的合成實驗也是單一化合物的制備為主，如阿司匹林的制備等。這樣的實驗設置不能有效地激發學生的主觀能動性，不利于學生提高實驗技能和綜合能力。教學方式單一，造成學生惰性較強。有機化學實驗課程仍然是以老師講授為主，學生在老師的指導下規范操作即可完成。課堂上，學生對于實驗原理、實驗需要思考的內容并不是太關心，只是想著怎么快速地完成實驗，實驗報告也經常是照著課本抄一抄，對于創新思維的發展提升程度小。教學過程不夠綠色環保，有機化學實驗教學經過多年的發展，所選擇的實驗都是毒性相對較小，適合給學生開展的經典實驗。雖然如此，實驗過程中仍不可避免的會用到一些有一定毒性易揮發的試劑，對環境造成的污染也是一個需要關注的問題。學生人數眾多，昂貴的大型精密儀器數量很少，很難保證每個學生都有機會獨立操作，儀器的操作僅僅停留在理論層面上，學生難以真正的掌握。因此，在傳統有機化學實驗的基礎上，利用快速發展的信息網絡技術建立虛擬仿真實驗教學是有機化學實驗的改革方向之一，既可以輔助實驗教學又可以突破時間和空間的限制，充分調動學生的學習積極性和主觀能動性。

2 虛擬仿真技術的認識

虛擬仿真技術是借助虛擬現實、人機交互、多媒體、網絡通信等現代技術將仿真技術與虛擬現實相結合而產生的一種具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性的更高層次仿真技術[8-10]。借助這一技術，虛擬仿真實驗被引入高校的實驗教學中，將實驗教學與虛擬仿真相結合，讓學生在虛擬的環境中開展相關的實驗課程，以滿足實驗教學的需求，同時可以彌補傳統教學中存在的各種問題[11-13]。2014年，華中科技大學生命科學與技術虛擬仿真中心獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心[14]，并將其用于基礎醫學院、臨床醫學等多個專業的實驗教學任務，在實驗教學改革方面取得了顯著的成效。2016年，北京大學也完成一項虛擬仿真實驗教學改革項目，實現“虛實結合”，讓學生進行分組獲得實踐體驗，鞏固教學內容[15]。

3 抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化實驗

3.1 項目設計的理念

青蒿素（artemisinin）是20世紀70年代我國藥物化學家屠呦呦教授從菊科植物黃花蒿中分離的抗瘧疾藥物，其特點是對瘧原蟲無性體具有迅速的殺滅作用。這一醫藥史上的偉大發現，每年在全世界特別是發展中國家挽救了數以百萬計瘧疾患者的生命，屠呦呦教授也因此獲得了2015年諾貝爾生理學醫學獎[16]。通過這樣熟悉的背景可以很好地激發同學們的民族自豪感，同時這是一個從天然產物到藥物的過程，學生是非常感興趣的。但是這個實驗在操作過程中需要耗費大量的試劑，實驗所需的時間也很長，因此考慮將抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化實驗設計成虛擬仿真實驗，依托虛擬實驗的程序設計和人機交互，構建高度仿真的虛擬實驗操作環節，學生在電腦端開展實驗，完成各項操作，如減壓蒸餾、重結晶、柱層析和薄層層析及熔點測定等，一整套流程下來使學生能夠了解從植物中提取、鑒定天然產物的過程，理解青蒿素提取、純化和鑒定的原理和方法以及各項操作的具體方法，達到課程教學計劃的要求。

3.2 項目構建

抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化虛擬仿真實驗的構建是仿照真實實驗流程進行的，實驗設計整體流程見圖1。

圖1 抗瘧疾藥物青蒿素的提取與純化設計流程圖

作為虛擬實驗開展在思路設計及流程優化時需要充分考慮現實教學中需要學生掌握的知識點及操作如何能有效地呈現出來，如何通過虛擬實驗實現與學生的互動，是教師在設計虛擬實驗時要考慮的問題。具體做法如下，舉例進行說明。

在進入實驗之前，首先要讓學生了解實驗背景。WHO發布的2019世界瘧疾報告數據顯示，2018年瘧疾發病人數仍高達約2.28億人，全球約40.5萬人死于瘧疾[17]，感染瘧疾之后會出現癥狀，說明瘧疾是全球廣泛關注的重要公共衛生問題之一。我國藥學家屠呦呦教授在抗瘧疾藥物青蒿素的發現中做出的重要貢獻。青蒿素的發現及使用，每年在全球拯救了數以百萬瘧疾患者的生命，更加清晰地見證了中藥對人類健康的重要作用。接下來，結合教學目標，說明實驗目的，實驗原理，這些均以圖文的形式出現，有了這些鋪墊，學生對抗瘧疾藥物青蒿素就有了更加全面、明確的認識，從而充分調動他們的學習興趣和操作積極性。

在實驗準備階段，教學目標是掌握回流操作，首先在畫面中給出A圓底燒瓶、B冷凝管、C索氏提取器、D加熱裝置、E蒸餾頭、F尾接管、G溫度計七個選項供學生選擇，設置學生選擇正確才可進行后續操作，選擇正確之后學生模擬搭建回流裝置，并在界面中彈出冷凝水的進出順序供學生選擇。裝置搭好后進行干燥青蒿葉粗粉的稱量工作，教學目標是掌握稱量天平的使用，固體試劑的稱量、固體試劑的轉移等，在虛擬實驗中可以分步展示詳細的操作流程。

在青蒿素的粗品提取階段，教學目標是掌握索氏提取器的使用，虛擬實驗中這一部分可以用教師錄好的視頻，老師實際演示如何折濾紙筒，如何裝料，放入索氏提取器時需要注意的細節，這樣虛實結合，幫助學生掌握操作方法。

在青蒿素純化階段以動畫的形式詳細分步展示柱層析步驟，加壓洗脫，收集洗脫液進行旋干，TLC監測，根據Rf值及斑點數目，鑒別青蒿素并判斷純度。項目構建過程中每種儀器、試劑會都給學生進行展示，主要步驟都會有詳細的說明及細節放大，需要學生掌握的知識會以題目形式出現，方便學生對該實驗的深入了解，最終對學生的操作進行打分。虛擬仿真實驗軟件操作界面見圖2～4。

圖2 虛擬實驗界面圖

圖3 虛擬實驗界面

圖4 虛擬實驗界面

4 虛擬仿真實驗的應用

學生登錄虛擬實驗界面后，首先點擊背景知識，之后再逐一點擊實驗目的、實驗原理、儀器設備，基本操作等圖文介紹，模擬預習實驗的過程，然后再進入實驗環節，按照操作指引，逐一完成各項步驟。2021年春季學期我校開始將虛擬實驗室作為試點向本科生開放，共計439人參與了虛擬仿真實驗的操作。教學組通過查閱文獻設計調查問卷[18]并結合學生實際操作進行效果調查，結果表明，90%以上的同學在提高學習興趣，學習積極性、主動性方面有較好的效果。93%的同學能從虛擬實驗教學中掌握實驗所需的各項操作，理解柱層析，TLC等試驗方法。95%以上的同學認可虛擬實驗，希望有更多的實驗可以設計成虛擬實驗供大家學習操作。見表1。

表1 虛擬仿真實驗教學效果問卷調查[n（%）]

5 總結

虛擬仿真實驗是在基于現實實驗的基礎上，為學生提供的一種新的實驗模式。抗瘧疾藥物——青蒿素的提取與純化的虛擬仿真實驗，是將虛擬仿真技術應用到步驟多耗時長溶劑用量大的復雜化學實驗教學的一次探索與嘗試，它不受限于儀器、試劑、師資等條件的限制，可以更加方便地滿足學生的實驗需求并寓教于樂，提高學生的學習主動性和獨立分析問題、解決問題的能力，經實踐取得了較好的學習效果。今后將繼續嘗試適合學生實驗的虛擬仿真項目，建立虛擬仿真實驗平臺，更好的服務于實驗教學，使得化學實驗教學向著網絡化、虛擬化、智能化、多元化的方向發展，從而提高實驗教學的質量和學生的主動性及滿意度。