科學可視化應用于藥物分析實驗教學
——以葡萄糖的鑒別為例

陳睿婷，鄭艷潔，林小燕，王彥霖，許玉娜，趙博文，陳偉

福建醫科大學藥學院，福州 350122

“可視化”一詞源于英文的“visualization”，其作為專業術語，始于1987年美國國家自然基金會召開的首屆“科學計算之中的可視化”研討會。可視化是將數據、信息和知識，轉變為形象化的視覺表達形式，通過人對可視模式的敏銳識別，實現快速解讀的過程[1]。科學可視化則是將科學知識和視覺藝術相結合，通過圖像、視頻等方式，進行具象化演繹的過程[2]。信息時代的來臨，極大地推動了科學可視化的發展和傳播。梁琰等人組成的“美麗科學”團隊，建立了美麗化學網站，將化學之美通過數字技術和媒體傳遞給大眾[3]。中國科學技術大學成立的“火花學院”，利用信息化技術，形象生動地展示了中學課本上的知識點，是科學可視化應用到教育行業的成功案例[4]。由視頻博主真?鳳舞九天打造的《瘋狂化學》《色彩重鑄》等系列科普短視頻，在各網絡平臺上廣受好評[5]。視頻博主Initial_Pharmacy發布了一系列藥劑靜態崩解的視頻，為藥學知識的普及和傳播做出了良好的示范[6]。科學可視化具有直觀易懂的特性，將其應用于教學，可使教學過程變得更為輕松有趣[7–10]。

藥物分析實驗課程是藥學的專業必修課，近年來，許多高校教師致力于這門課程教學模式的改革，一些諸如線上線下混合式教學、翻轉課堂、以問題為導向的教學方法(problem-based learning，PBL)、虛擬仿真等有別于傳統課堂的教學方式，均取得了較好的教學效果[11–13]。將可視化教學引入藥物分析實驗，一些較為抽象難以講解的原理、操作和現象，都可以通過影像來直觀地展示，使教學變得更加形象清晰且豐富多彩，讓學生在感受到科學的美麗和神奇的同時，對課程產生興趣，潛移默化中培養學生獨立思考和創新思維的能力。

藥物分析實驗是一門專業性比較強的課程，目前在網絡上，相關的高質量視頻資源仍然比較缺乏，且很難找到和本校設立的實驗項目較為契合的視頻。因此，選擇自己拍攝制作教學視頻就成為了必然。在視頻拍攝制作過程中，我們融入了科學可視化技術，使之更加賞心悅目，應用于課堂教學時，獲得師生的廣泛好評。相關的錄課視頻，陸續發布在bilibili網站[14]，依托互聯網，建立起線上教學平臺，實現了更大范圍的資源共享和學術交流，為藥物分析的實驗教學和知識傳播添磚加瓦。

1 可視化教學設計

藥物分析實驗作為藥學的一門重要的專業必修課程，其教學目的，絕不只是將藥典中的操作過程和現象數據重現。其更深層次的目標在于讓學生掌握藥物分析的原理和方法，了解學科的前沿及發展趨勢，繼而對藥物分析領域有整體上的把握。這就要求在教學過程中，教師對學生進行積極引導。可視化教學方式的引入，可通過形象直觀的圖像和視頻，讓學生覺得輕松有趣的同時，增強其洞察力，進而引發更深層次的思考。

葡萄糖在生物學中具有重要的地位，它是活細胞的能量來源和新陳代謝的中間產物。葡萄糖口服后能迅速吸收并被組織利用，通常用于快速能量補充。很多高校的藥物分析實驗課程，會選擇將葡萄糖的分析作為實驗項目之一。

本文以葡萄糖的鑒別為例，來講述可視化教學設計和視頻制作流程，相關的教學視頻已發布于bilibili網站[15]。藥物分析實驗的教學設計可分為實驗原理、實驗過程和實驗現象三部分，以下分別進行詳細講述。

1.1 實驗原理可視化

葡萄糖的鑒別實驗方法，參考2020版《中華人民共和國藥典》[16]。葡萄糖的鑒別項(1)的描述如下：

取本品約0.2 g，加水5 mL溶解后，緩緩滴入微溫的堿性酒石酸銅試液中，即生成紅色的氧化亞銅沉淀。

葡萄糖的鑒別項(1)，采用的是化學鑒別法，是典型的氧化還原反應。二價的Cu2+為氧化劑，葡萄糖為還原劑，在堿性條件下，葡萄糖可將藍色的酒石酸銅(+2價)還原為紅色Cu2O沉淀(+1價)。在這個反應中，酒石酸的主要作用是和Cu2+配位，生成穩定的水溶的配合物，避免Cu2+在強堿性條件下生成Cu(OH)2沉淀。Cu(OH)2沉淀的生成會使得氧化還原反應的速率變慢，且會影響反應過程中的顏色觀測。

因葡萄糖鑒別反應過程中伴隨著明顯的顏色變化，故而能通過顏色觀測來判斷反應的進程。其反應方程式如下：

C6H12O6+2Cu2++4OH-=C6H12O7+Cu2O↓+2H2O

實驗原理的講解對于實驗教學來說非常重要，我們對于學生的要求是要做到知其然，更要知其所以然，最好能舉一反三。葡萄糖鑒別部分的原理講解課件設計要素如圖1所示，主要包含三部分，供試品、分子構型和預期現象。

圖1 葡萄糖鑒別原理的課件設計要素

供試品通過實物圖片展示，讓學生對分析對象有直觀的印象，葡萄糖粉劑的圖片及其包裝規格如圖1A所示。

葡萄糖的分子構型如圖1B所示，天然葡萄糖均屬于D構型，有直鏈式結構D-(+)-葡萄糖，以及兩種互為手性異構體的呋喃環結構α-D-(+)-葡萄糖和β-D-(+)-葡萄糖。葡萄糖固體的分子結構和其析出條件有關，在常溫條件下，通常以α-D-(+)-葡萄糖帶一個結晶水的形式析出晶體，在50–115 °C之間析出無水α-D-(+)-葡萄糖，115 °C以上則析出β-D-(+)-葡萄糖。本實驗采用的葡萄糖粉劑，為帶有一個結晶水的α-D-(+)-葡萄糖。

在葡萄糖水溶液中，其鏈式結構和環狀結構可通過半縮醛反應相互轉換，鏈式結構中具有醛基，醛基為還原性基團，這便是葡萄糖呈現還原性的原因。它與Cu2+反應后，醛基被氧化為羧基，生成葡萄糖酸，同時Cu2+被還原為Cu2O。

在進行分子結構式的講解時，為了突出重點，關鍵的變化的基團，可用不同顏色標記。比如α和β構型的差異，就在于紫色標記的H和OH的位置的互換，形成了一對手性異構體。葡萄糖被氧化為葡萄糖酸，醛基變為羧基，這二者用紫紅色字體標記，化學反應發生的基團位置就一目了然。Cu2+和Cu2O的字體則分別用代表它們本身顏色的藍色和紅色標記，可以讓人聯想到反應過程中的顏色變化趨勢。

預期現象則通過反應前后的溶液顏色展示(圖1C)，由于反應物Cu2+(澄清藍色)和產物Cu2O(紅色沉淀)的顏色和狀態截然不同，鑒別反應過程將會觀測到明顯的變色現象。

在原理講解中，與單純的文字和反應方程式相比，采用色彩明麗的圖片和形象的分子結構式，讓學生感覺賞心悅目的同時，對于鑒別反應的原理會更容易形成清晰的圖像，從而對葡萄糖的分子構型、化學性質和反應過程理解得更為深入。

1.2 實驗過程可視化

要清晰地講述一個實驗的操作過程，最為便利的莫過于拍攝實驗的操作視頻。采用操作視頻進行教學，相對于傳統的教師現場示范來說，具有如下幾個優點：

(1)可重復播放。雖然在視頻的拍攝制作過程中需要花費很多的時間和精力，但是在多個平行班教學的情況下非常便利，可避免多次重復的現場示范。

(2)過程時長可控。有些操作步驟，如加熱、過濾等，需時很長，又不能直接跳過，并不適宜現場示范。但是在教學視頻中，可以通過剪輯或者倍速縮短時長，更好地把握快慢節奏，避免學生在單調枯燥的等待中注意力轉移。

(3)對細節的特寫。在實驗中，有一些動作幅度較小的操作或者尺寸較小的物體，如果現場示范的話，由于學生距離遠近或者視角遮擋等原因，可能難以看清；但是在拍攝教學視頻時，我們可以采用微距鏡頭進行特寫，使細節清晰可見。

1.2.1 反應溫度優化

葡萄糖的化學鑒別，依據藥典的描述，是將濃度大約為4%的葡萄糖溶液，滴入微溫(40–50 °C)的堿性酒石酸銅試液中。然而在實際操作中會發現，40–50 °C對于葡萄糖鑒別反應來說，溫度太低，很難短時間內反應完全，生成紅色沉淀。溫度是影響氧化還原反應速率的關鍵因素，因此在葡萄糖的鑒別中，需要適當地提高反應溫度。這也是我們在進行藥物分析實驗時需要注意的，藥典會提供總體的分析方案，但是在具體實驗條件上，則需要操作者進行條件優化。

考慮到拍攝的便利性，我們對控溫方法進行調整，將葡萄糖溶液和堿性酒石酸銅試液同時置于水浴中，加熱至指定初始溫度，然后取出立即混合反應，進行拍攝。因為反應時試管處于室溫環境，反應過程難免會伴隨著溶液溫度的下降。為了更好地觀測溶液的混勻和反應情況，我們將有顏色的堿性酒石酸銅試液加入到無色的葡萄糖水溶液中。分別向初始溫度為50、70、90 °C的5 mL的葡萄糖溶液中，同時快速加入1 mL與對應的葡萄糖溶液同溫度的堿性酒石酸銅試液，以二者混勻瞬間作為計時零點，用視頻記錄反應進程。將反應時間為0、10、25、60、150 s的圖像進行截圖，如圖2所示，可以看到，初始溫度越高，則反應速率越快。

圖2 不同初始溫度下葡萄糖和酒石酸銅試液反應進程

通過視頻影像，得到不同初始溫度下，開始變色時間和反應完全時間，如表1所示。50 °C的樣品，150 s內未反應完全，這也佐證了如果直接采用藥典方法，因其初始溫度低于50 °C，是很難短時間內觀測到紅色沉淀生成的。而90 °C樣品溫度過高，反應太快，不易觀測到反應過程中更細微的顏色變化，考慮到拍攝的視覺效果，70 °C是一個比較適宜的反應溫度。

表1 不同初始溫度下的反應變色情況

1.2.2 實驗過程拍攝

實驗過程采用敘事式的拍攝手法。依據實驗步驟擬定分鏡頭，分別進行拍攝，再通過后期剪輯串起來，像講述一個完整的故事一樣，娓娓道來。葡萄糖的鑒別，可以分為葡萄糖水溶液配制和堿性酒石酸銅溶液配制兩條支線。其操作過程中關鍵步驟的視頻截圖，配上相應的文字說明，連接形成實驗操作的流程圖，如圖3所示，則葡萄糖的鑒別的操作過程一目了然。

圖3 葡萄糖鑒別的操作過程流程圖

在拍攝的過程中，相機和鏡頭的選擇是非常重要的，它會影響到整體畫面的質感和風格。本實驗采用全畫幅單反相機搭配微距鏡頭，鏡頭參數為：放大倍率1:1，焦距100 mm，最大光圈F2.8。微距鏡頭通常具有較大的放大倍率，可用于拍攝小尺寸的物體，更有利于展示實驗操作中細微之處。這枚微距鏡頭同時具有較長的焦距和較大的光圈，可獲得淺景深，有利于虛化背景，使得畫面主體突出。布景時，注意背景和主體的顏色對比、明暗關系和距離遠近，可在背景中適當擺放一些玻璃器皿和試劑，避免單一呆板，增加畫面美感。背景音樂的選擇要恰當，不喧賓奪主，與畫面的節奏相協調，教師可以通過配音和字幕，適時提醒實驗操作中的要點，并以規范的操作示范，對學生的實驗習慣產生潛移默化的影響。

1.3 實驗現象可視化

實驗現象的拍攝，不是簡單地記錄，而是要通過拍攝者的審美及藝術的加工而成。這其中創意是最為珍貴的，怎樣把實驗現象拍得美且有趣，富有吸引力，是現象可視化中最關鍵的環節。這就要求拍攝者不但要有扎實的專業背景，也要有嫻熟的拍攝技巧，如此方能從一個科學攝影師的角度，去預期和發現實驗中的美，并采用合適的攝影方法，將之展現出來。

1.3.1 實驗的主題和創意

在葡萄糖鑒別的實驗中，葡萄糖可還原藍色酒石酸銅，使之生成紅色的氧化亞銅沉淀，而藍色和紅色，恰巧位于可見光譜的兩端。在反應過程中，隨著酒石酸銅和氧化亞銅的含量變化，溶液顏色會呈現出彩虹色的漸變。因此對于葡萄糖的鑒別實驗，我們將之命名為《彩虹糖》，在拍攝的時候，也始終緊扣著“如何用葡萄糖來生成一條彩虹”這個主題，去設計和拍攝了兩個很有趣的場景，時間彩虹和空間彩虹。

1.3.2 時間彩虹

時間彩虹，體現的是葡萄糖鑒別反應中，在時間維度上的彩虹色漸變過程。如圖4所示，在70 °C的初始溫度下，用視頻完整記錄反應過程中的顏色變化，將不同反應時間的圖像截圖，隨著反應的進行，溶液顏色依次為藍色、青色、綠色，黃綠色、黃色、橙色、紅色的彩虹漸變色調，生成了一條時間維度的彩虹。

圖4 時間彩虹的生成

由于反應全程需時較長，且過程中顏色變化快慢不均，呈現先快后慢的趨勢，這與反應過程中，后期反應溫度和反應物濃度均有下降有關。這對于肉眼觀測顯然是不利的，后期很容易因為顏色變化緩慢，引起視覺疲勞。但是在視頻的后期處理時，可通過調節時間軸的倍率，在10 s內，較為均勻快速地展示整個變色過程。

時間速率的調整，對于拍攝化學反應來說，是一種非常有用的拍攝手法。一些反應速率極慢或極快的化學反應，可以通過延時攝影或高速攝影，對時間維度進行壓縮或延長，時間速率的改變，可以使得我們看到肉眼無法觀測到的奇妙過程。

1.3.3 空間彩虹

對于肉眼觀測來說，時間彩虹略微欠缺觀賞性。那么怎樣將之轉變為更具有視覺沖擊力的空間彩虹呢？為此我們設計了這樣的一個場景。取7份裝有5 mL 70 °C的葡萄糖溶液的試管，將其橫向排列在試管架上，從左向右依次加入1 mL 70 °C的堿性酒石酸銅試液，當第一根試管開始變色時，則立即向第二根試管加入試液，以此類推。通過加入試液的時間差，可使試管中的溶液，在同一時刻處于不同的反應進程，呈現出不同的顏色，從而生成一條空間維度上的彩虹。圖5顯示了空間彩虹的生成過程。從圖5A到圖5G，依次為第1–7次加入堿性酒石酸銅試液時的即時圖像，當試液加入到最后一根試管中時，我們看到了一條空間彩虹(圖5G)。

圖5 空間彩虹的生成

2 實驗視頻的制作流程

要制作一個高質量的實驗視頻，需經歷多個步驟，以及多輪次的改進和完善，其主要流程如圖6所示。可分為7個主要步驟。

圖6 實驗視頻制作流程

2.1 設計規劃

在進行拍攝之前，需根據主題和創意，對拍攝內容進行設計規劃，預設需要拍攝的場景。以葡萄糖鑒別為例，視頻的內容，可分為4個部分，溫度優化、實驗流程、時間彩虹和空間彩虹。

2.2 腳本編寫

腳本的編寫，需要根據拍攝內容和預設場景，初步擬定拍攝器材，器材參數，布景光照等條件。預先規劃好需要拍攝的分鏡頭，計劃好每個分鏡頭的操作內容、操作要點，拍攝要點等。圖7是葡萄糖鑒別實驗流程的腳本示例，整個視頻分為6個分鏡頭。

圖7 葡萄糖鑒別實驗流程腳本示例

2.3 示教拍攝

示教和拍攝同步進行，示教時要注意操作的規范優雅，避免動作的僵化刻板。按照腳本進行拍攝，并在拍攝過程中，根據實際拍攝效果，實時對器材參數、光線和布景進行調整。

2.4 后期處理

后期處理主要采用Adobe Premiere和愛拍兩個軟件。需經歷調色、剪輯、配音、配樂和字幕等步驟。調色注意色彩柔和通透，光線明暗對比適宜。剪輯的關鍵是要注意節奏感，詳略得當，要避免鏡頭冗長引起的視覺疲勞。配音的講稿書寫務必嚴謹，語言準確凝練，錄音時要注重音質和語音標準。配樂要和畫面協調同步，且不影響配音的清晰度。字幕注意校對，避免錯別字。

2.5 發布應用

教學視頻主要用于課堂教學和網絡共享。課堂教學主要是利用視頻來對實驗的過程及要點進行講解示教，展示實驗過程中的現象，以此培養學生的實驗操作能力和洞察力，并鼓勵學生進行思考和創新。同時錄制含有實驗視頻的錄課，并上傳至bilibili網站，通過互聯網實現資源共享。圖8為bilibili網站中的《藥物分析實驗》合集[14]，目前已有相關視頻21個，部分視頻如砷鹽的檢查、氯化物的檢查、阿司匹林含量測定和青蒿素含量測定，均獲得較高的播放量。

圖8 bilibili網站發布的藥物分析實驗視頻合集

2.6 反饋收集

教學視頻應用于課堂教學后，其教學效果和學生反饋意見對我們視頻的進一步改進非常重要。通過課堂觀察以及課后的師生交流可知，同學們對于實驗視頻普遍較為認可，這一點也體現在他們實驗過程的創意、課堂的整體氣氛和實驗報告的撰寫中。如在葡萄糖的鑒別實驗中，他們自己開發出許多有趣便利的控溫方式，從最常規的水浴加熱、烘箱控溫，到開水和冷水不同比例混合控溫等。也會更加愿意和教師分享自己的實驗過程，展示他們的實驗結果和異常現象，并逐漸養成了用手機拍照，隨時記錄實驗現象的良好習慣。在撰寫實驗報告時，會將相關的實驗圖片加入到報告中，圖文并茂，并針對過程和現象，進行更為具體的個性化討論。課后也會針對教學視頻和教師討論交流，提出一些有趣的建議。教學視頻分享至網絡平臺后，在彈幕、留言和私信里，也經常會有網友針對實驗進行交流討論，形成了學習氣氛良好的線上教學平臺。

2.7 視頻改進

教學視頻的制作，并不是一勞永逸的事情。藥典五年一版，其間可能會伴隨著分析方法的變更，且視頻中可能會有謬誤或不夠完美的地方，需收集教師授課過程中發現的問題，及學生或者網上視頻觀看者的反饋意見，對視頻進行修訂和完善。通常每一個教學周期，我們都會對課件和視頻進行調整更新，在預實驗時補拍或重拍一些素材，或重新進行剪輯，使之更契合我們的課程。如葡萄糖的鑒別的視頻和錄課，也是經過多次調整修改而成，最新版本視頻[15]較舊版本視頻[17]，在實驗的創意設計和畫面美化上，都有了較大的進步。視頻的制作、應用和改進，以及網絡教學平臺的維護運行，都是需要長期耐心的工作。

3 教學反思

信息化時代的來臨，極大地改變了傳統的教學方式，多元化和個性化是大勢所趨。教學方式從來不是一成不變的，隨著時代發展，大量的先進科學技術逐步納入大學教學體系。教學觀念從以教師為中心，開始逐步向以學生為中心轉變。教與學是個相輔相成的過程，而興趣是最好的老師。怎樣讓課堂變得生動有趣，吸引學生的注意力，調動其主觀能動性，繼而由被動上實驗課轉變為積極主動地做實驗，這是我們教學改革所關注的重點。

人類對于美的追求都是相似的，當畫面賞心悅目的時候，會更自然地被吸引，并給予更多的關注。可視化教學的引入，營造了輕松有趣的學習氛圍，以學生的興趣為導向，在課堂上能形成一種張弛有度的節奏感，增強了師生間的互動，實現教學模式的擴展。

教學方式的變革，對高校教師自身素質提出了更高的要求。可視化教學的實行，要求教師具備科學審美、攝影技能、后期剪輯等各項能力，要學會運用鏡頭語言來正確地表達想要講述的知識。這給高校教師帶來了新的挑戰，需要不斷學習新的技能，適應新的角色，與時俱進，從而真正地實現教學相長。

4 結語

近年來我們將科學可視化引入藥物分析實驗的教學，拍攝了大量的教學視頻，并在多輪次的教學中不斷完善補充。通過師生間的溝通交流獲知，大部分學生對于教學視頻是認同且喜歡的，普遍認為教學視頻拍得美且有趣。教學視頻中所傳遞出來的對于科學態度和科學審美的引導，也反映到了他們的實驗過程和實驗報告中，這無疑增加了我們對于可視化教學的信心。在接下來的教學工作中，我們將會對原有的教學視頻在創意、拍攝手法和后期處理上進一步優化改進，精益求精，并繼續拍攝新的視頻。這些教學視頻將會在網絡平臺上持續更新，通過互聯網，分享給更多的藥學相關專業的老師和學生，為藥物分析實驗教學的改進，提供新的思路和素材，為藥物分析知識的普及工作拋磚引玉。