小規模限制性在線課程聯合虛擬仿真實驗技術在藥物分析實驗教學中的應用

余 喆 辛春艷 楊鐵虹 喬友備 王超麗 唐 恬 吳 紅

1.中國人民解放軍空軍軍醫大學藥學院藥物化學與藥物分析學教研室，陜西西安 710032；2.中國人民解放軍空軍軍醫大學藥學院，陜西西安 710032

藥物分析是一門研究和發展藥品全面質量控制的學科，它綜合應用現代分析、分離技術，研究藥品性質、制訂藥品標準、控制藥品質量，具有實踐性和應用性強的特點[1-2]。藥物分析實驗是對理論課程的有力補充，讓學生在實踐中鞏固藥物分析鑒別、檢查、含量測定的原理與方法，熟悉藥品檢驗程序，具有檢驗常用藥物及制劑的能力[3-5]；能夠從藥物結構出發，正確選擇分析方法，并進一步根據藥品特點解決質量控制中的問題，形成初步的研究能力，為未來走上工作崗位，從事藥物質量分析研究打下堅實的基礎。其中，規范使用大型光譜及色譜儀器是對藥學專業學生的基本要求，也是藥物分析實驗中的重點與難點。藥物分析儀器大多精密、內部構造不易觀察，且設備不足等問題限制了學生實踐過程中的深入了解學習，分析過程耗時長與有限的課程時間的矛盾導致學生實踐過程中不能得到充分的鍛煉。因此，必須優化課時安排，創新教學模式方法。小規模限制性在線課程（small private online course，SPOC）這個概念由加州大學伯克利分校的阿曼德·福克斯教授于2013 年最早提出和使用[6]。它本質是基于慕課（massive open online courses，MOOC），擁有與MOOC 一樣豐富的教育資源，但同時它只針對小部分學生，具有針對性、靈活性、實時性等特點[7]。中國人民解放軍空軍軍醫大學四年制藥學專業招生數量不多，非常適合開展SPOC 混合教學。基于SPOC 教學模式，結合虛擬仿真實驗，以嚴肅游戲的形式吸引學生參與課堂，彌補教學脫離實際的弊端，提高學生對儀器的認識和理解，并與線下實踐教學相結合，做到“以虛補實、以虛驗實”，對促進學生熟練掌握藥物分析儀器使用具有重要意義[8-11]。

1 SPOC 混合教學模式

《中國教育現代化2035》[12]明確提出要加快信息化時代教育變革，利用互聯網等現代技術加快推動人才培養模式改革。2023 年2 月，主題為“數字變革推動高等教育創新發展”的世界數字教育大會高等教育平行論壇在北京成功舉辦，為落實習近平主席在聯合國大會上提出的全球發展倡議、在世界互聯網大會上提出的全球數字發展道路。近年來，中國實施教育數字化戰略行動，加快推動高等教育數字化轉型，SPOC混合教學模式已越來越多地應用于教學活動中[13-15]。SPOC 教學是一種結合了課堂教學與MOOC 的混合學習模式，使用在線的課程（類似于MOOC）對少數真實在校注冊的學生實施的課程教育。相較于傳統的“1（平臺）+N（學生）”MOOC 模式，“1（平臺）+M（大學）+N（學生）”模式更受廣大高校教師的青睞，學生所在大學的教師根據課程需求利用1 個MOOC 平臺開展SPOC，實施線下翻轉課堂教學[16]。其基本流程是，教師選擇性地上傳課程相關教學資源，學生通過視頻學習打卡，完成階段性測試，對高頻錯題進行小組討論或留言；教師通過觀看學習記錄與討論，了解該批次學生的重、難知識點，在線下課堂中更有偏重性地教學。總體上，教師可以根據自己的理解和學生的需求，自由設置和調控課程的進度、節奏和評分規則。

2 虛擬仿真實驗教學簡介

為貫徹落實“十四五”教育發展規劃有關部署，自2015 年，教育部在全國內篩選批準100 個國家級的虛擬仿真實驗教學中心，我國虛擬仿真實驗教學提上議程[17-19]。經過多年建設，虛擬仿真教學已成為高校拓展實驗教學內容、提升實驗教學質量的重要手段，推進“虛擬仿真實驗教學2.0”建設被明確列入《教育部高等教育司關于印發2022 年工作要點的通知》[20]，目前在國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺上已匯集3 000 多門優質課程。虛擬仿真教學最突出的優點是使學生能夠在虛擬環境中模擬各種網絡場景和網絡設備配置，充分了解實驗過程，觀察實驗現象，培養學習興趣，實現教學互惠[21-23]。由于現代化程度高，目前藥物分析儀器大多構造封閉，不利于學生掌握儀器工作原理，而液質聯用儀這樣的大型儀器，由于價格昂貴、成本高、實驗耗時長，學生無法全程上手操作，一人操作多人圍觀的現象十分常見。因此，虛擬仿真實驗的前期開展有助于加深學生對理論知識的理解和掌握，提高學生的興趣及實際操作能力。筆者基于學校教學實際聯合SPOC 教學模式與虛擬仿真技術對藥物分析實驗教學改革進行探索，使之成為新時代的“互聯網+”教育教學。

3 SPOC 聯合虛擬仿真技術在藥物分析實驗教學中的實踐

《藥物分析》是藥學專業學生的核心專業課程，在大三下學期開設，距離專業基礎課《分析化學》的學習已有1 年多的時間，尤其光譜和色譜分析法基本原理、方法內容抽象、晦澀難懂，學生接觸大型精密分析儀器的機會少。因此，藥物分析的實驗教學要達到理想的課程教學目標，必須調動學生的積極性與主動性，基于學生的學習基礎，進行合理的教學授課。筆者以“液質聯用測定血液中蘭索拉唑的濃度”為例，對SPOC 與虛擬仿真實驗的聯合應用進行探索。

在教學準備中，教師根據實驗課的重、難點在線上平臺提前發布課前小測驗，了解學生掌握相關知識點的情況。大部分學生對分析化學的知識點遺忘較多，即使是本學期剛學的理論知識掌握得也不是很扎實，而分析儀器的操作方面，僅有少數課外科研對藥物分析學科感興趣的學生接觸過部分分析儀器，液質聯用儀這種大型精密儀器更是接觸得少。見圖1。

圖1 學情分析

基于此，筆者在“以學生為中心”的教學理論指導下，發揮學生的主觀能動性，教師發揮指導輔助作用，結合SPOC 與虛擬仿真實驗最大限度地促進學生深刻理解掌握液質聯用儀的原理及操作[24]。見圖2。

圖2 基于SPOC 的虛實結合混合教學模式

3.1 課前準備——知識點學習環節

實驗課開課前，教師利用SPOC 線上平臺，提前發布實驗內容，利用多媒體數字化教學手段（圖片、動畫、視頻、微課等）豐富學生的自學資源。學生進入SPOC 虛擬教室提前觀看視頻材料、閱讀實驗講義、熟悉虛擬仿真軟件的操作方法，完成課前測驗。學生的線上學習時長、線上測驗作為前測的重要依據，保證每一名學生通過預習熟悉液質聯用的基本原理，了解虛擬仿真軟件的操作流程和用途。從后臺數據看，所有學生都提前完成了自學視頻的學習與課前測驗，從測試的結果看，大部分學生能通過自學基本掌握重要知識點。

3.2 由理入虛——仿真實訓環節

首先，考查學生對重要知識點的了解情況，結合實驗內容引導學生對相關知識點進行回顧。其次，教師帶領學生進入“虛擬實驗室”，選擇“練習模式”，通過隨講隨練的方式，使學生能夠快速熟悉液質聯用儀的構造，操作步驟和注意事項等。進入“練習模式”學生根據提醒按步驟完成實驗。操作過程中教員設置選擇題，考查學生正確操作步驟，并給出答案及解釋。最后，根據液質報告填寫實驗結果，見圖3。身臨其境的虛擬仿真實驗場景使學生以嚴肅游戲形式完成學習，掌握高效液質儀器的使用、定量檢測樣品的方法，理解液質檢測樣品的原理，從而形成更為系統化的知識體系。學生通過反復練習、不斷改正錯誤操作，真正做到“心中有數”后，即可進入“考核模式”，“考核模式”中沒有操作提醒，最后根據操作記錄及實驗結果綜合打分。一方面，讓教師了解學生理論知識水平和動手實驗能力是否得到鍛煉和提升；另一方面，使學生了解自身學習能力和掌握的知識要點情況。通過考核（＞95 分）的學生才可申請下一步線下實物教學，沒通過的學生可反復觀看教學視頻、反復練習，再次考核通過后即可申請實物教學。

圖3 虛擬仿真實驗操作界面

3.3 線下教學——實物教學環節

完成線上虛擬仿真操作并通過考核的學生獲準參與線下實物教學。將參與線下教學的學生分為6組，3～4 名為一組，分不同時間段前往液質分析實驗室。線下教學分為三部分：首先，由學生介紹液質聯用儀的原理及構造（圖4）；其次，教師講解液質聯用儀操作中的重、難點步驟，以及定量檢測樣品的方法，由教師示范操作進樣；最后，仍交由學生完成液質的進樣分析，教師重點觀察學生的操作規范情況及對安全隱患的防范情況，培養學生發現和解決問題的能力，并隨時與學生進行交流指導。

圖4 液質聯用儀的虛擬仿真平臺圖和實物圖

實驗完成后，每位同學提交數據處理報告，最后的成績得分包括：線上學習（10%）+線上考核成績（20%）+線下操作考核（40%）+實驗報告和數據處理（30%）。線上學習作為提前預習的一部分，占比達30%，強調學生上實驗課前一定要把理論基礎掌握好；線下操作是實驗課的最終目的，希望每名學生掌握儀器的操作，因此線下操作占比最重；實驗報告和數據處理占30%，是為了保證學生課后對實驗進行總結反思，鞏固所學知識。實驗課結束后，增加師生反饋環節，每名學生需在SPOC 平臺提交課后感受，及對線上、線下實驗教學效果的評價，鼓勵學生給出實質性的建議。據此，教師對實驗中出現的問題及學生的意見不斷改良授課內容和方式，以期實現“師有所教，生有所學”[25]。

在藥物分析實驗課程的講授中，采用基于SPOC平臺的線上、線下混合式教學模式結合虛擬仿真軟件進行課程設計。課前根據學生學情線上推送視頻資料，要求學生開課前完成課前預習；課中教師課堂授課，利用虛擬仿真軟件極大地提高了學生的學習興趣和效率，不僅可有效解決實際教學過程中存在的問題，也走出了因關鍵時間和場景因素限制造成的無法同時多人授課的窘境；線下實物操作演練，鞏固課堂所學，強化學生主動探索的實踐動手能力。這種“先理論，后虛擬，再實物”的線上、線下混合式教學方法，突破了傳統實驗教學的屏障，使學生按照從易到難、從理論到實踐，循序漸進地學習體內藥物分析的過程，切實提升學生的實踐動手能力及思維創新能力。

利益沖突聲明：本文所有作者均聲明不存在利益沖突。