數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于天然藥物化學(xué)實驗課程的探索

摘 要 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于天然藥物化學(xué)實驗課程是數(shù)字轉(zhuǎn)型背景下高等學(xué)校信息化課程體系建設(shè)的必然要求，對于創(chuàng)新型藥學(xué)類專業(yè)類人才的培養(yǎng)具有較大的優(yōu)勢。從實用、科研、經(jīng)濟效益、學(xué)生和教師使用的角度出發(fā)，分析并總結(jié)虛擬仿真實驗教學(xué)使用過程中的幾點建議，旨在為天然藥物化學(xué)等相關(guān)課程開展虛擬仿真實驗教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù)；實驗教學(xué)；虛擬仿真實驗；天然藥物化學(xué)；實驗空間；教育數(shù)字化

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-00-03

0 引言

隨著以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的新時代信息技術(shù)迅速發(fā)展，知識創(chuàng)造、傳播及利用所依附的主體和場景都在發(fā)生著深刻的轉(zhuǎn)變，教育數(shù)字化也成為時代發(fā)展的必然趨勢[1]。2021年7月印發(fā)的《教育部等六部門關(guān)于推進教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》提出，全面挖掘信息數(shù)據(jù)的教學(xué)輔助功效，打造涵蓋數(shù)字資源、信息網(wǎng)絡(luò)、智慧校園、平臺安全、創(chuàng)新應(yīng)用等新型基礎(chǔ)設(shè)施平臺體系，推進數(shù)字化教育的廣泛實施與高質(zhì)量發(fā)展[2]。教育數(shù)字化是黨的二十大明確提出的重點任務(wù)，由此確立了教育數(shù)字化工作的重大改革意義和實踐價值[3]。

作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，天然藥物化學(xué)在高校藥學(xué)專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮著無可替代的作用，包含著極廣泛的研究內(nèi)容，如天然藥物的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型、有效成分鑒定、分離提取及合成技術(shù)等。化學(xué)實驗課是該課程教學(xué)的重要核心內(nèi)容，能夠幫助學(xué)生通過實驗操作鞏固藥學(xué)基礎(chǔ)知識、掌握必備實踐技能。目前多數(shù)高等學(xué)校的天然藥物化學(xué)實驗課存在課時少、實驗用時長、過程煩瑣等缺點，不少院校的天然藥物化學(xué)實驗課教學(xué)方式依然采用“老師講，學(xué)生做”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，雖然在一定程度上可以鍛煉學(xué)生的動手操作能力，但很難激發(fā)學(xué)生的自主參與和自覺思考，導(dǎo)致他們難以快速掌握操作技巧和吃透實驗原理，缺乏對實驗細節(jié)的深入思考[4]。加之一些先進的提取分離、結(jié)構(gòu)鑒定新技術(shù)，由于實驗成本高，無法大量應(yīng)用，這會減少學(xué)生的實驗實踐機會，從而降低他們的創(chuàng)新創(chuàng)造熱情。

虛擬仿真實驗教學(xué)能夠通過對3D仿真等先進技術(shù)手段的積極運用實現(xiàn)對現(xiàn)實實驗活動的虛擬與混合，將實驗教學(xué)中無法動手操作及難以具體展現(xiàn)的內(nèi)容通過計算機仿真系統(tǒng)進行完美解決。因此比線下教學(xué)具有更大的實施優(yōu)勢，實驗成本投入低，實驗操作的重復(fù)性和安全性好，且沒有時間和場地的限制等突出的優(yōu)點[5]。因此，在藥學(xué)專業(yè)教學(xué)中積極引入這種實驗?zāi)Ｊ娇梢杂行浹a傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，可以有效促進藥學(xué)類專業(yè)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。2018年，在教育部的大力推動下，國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺（又稱“實驗空間”）正式打造成功，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務(wù)。目前，實驗空間共收錄國家級虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程1 194門。2023年發(fā)布的《教育部辦公廳關(guān)于開展第三批國家級一流本科課程認定工作的通知》提出，虛擬仿真實驗教學(xué)課程擬認定數(shù)量約為500門[6]。這些虛擬仿真項目在實驗空間共享，幫助眾多高校解決實驗課程中不能做、不好做甚至不敢做的具體問題，從而使生產(chǎn)實訓(xùn)活動變得更加完整完善，讓學(xué)生直接接觸最先進的實驗?zāi)Ｊ健I(yè)知識產(chǎn)生最深刻的理解。

自教育部虛擬仿真項目建設(shè)以來，河南中醫(yī)藥大學(xué)積極響應(yīng)并根據(jù)項目具體要求構(gòu)建了多元化資源整合體系與仿真實驗活動機制，在虛擬仿真實驗方面，已經(jīng)有3個國家級、52個省部級項目獲得了批準(zhǔn)通過，其中有12項是為藥學(xué)虛擬仿真教學(xué)服務(wù)的。在這些項目中，“地黃內(nèi)生放線菌及代謝物分離鑒定”“黃連素及衍生物的制備方法虛擬仿真設(shè)計實驗”和“懷菊花黃酮類成分的分離及定性虛擬仿真綜合實驗”均涉及化學(xué)成分提取、分離、結(jié)構(gòu)鑒定等方法，適用于天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)，目前已成功運行并應(yīng)用到兩個學(xué)期的天然藥物化學(xué)實驗課教學(xué)過程中。通過對學(xué)生開展的相關(guān)問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，學(xué)生廣泛認可接受這些實驗教學(xué)項目，虛擬仿真實驗的開展對于學(xué)生實驗操作能力的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了很大的促進作用。筆者基于虛擬仿真項目應(yīng)用于本科教學(xué)的經(jīng)驗提出幾點建議。

1 具體措施

1.1 從實用角度出發(fā)，建設(shè)與本科專業(yè)實驗教學(xué)契合度高的虛擬仿真實驗教學(xué)項目

天然藥物化學(xué)實驗的主要教學(xué)內(nèi)容包括有效成分的提取、分離和結(jié)構(gòu)鑒定，涉及的具體實驗操作不僅包括多種基本化學(xué)技能的具體操作，如溶液的配制、重結(jié)晶、薄層色譜、柱色譜法、化學(xué)反應(yīng)，還包括各種儀器設(shè)備的使用，如旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、循環(huán)水泵、制備液相、核磁共振儀等儀器使用，涉及的儀器較多，操作復(fù)雜，部分實驗儀器價格昂貴，無法普及到每一個學(xué)生。多數(shù)實驗項目的周期較長，從藥材的提取、純化到化合物結(jié)構(gòu)鑒定，一個實驗項目全部做完需要一天甚至兩天的時間才能完成，導(dǎo)致學(xué)生對整個實驗項目缺乏系統(tǒng)的了解。此外，由于總學(xué)時的限制，無法安排更多的實驗項目，不利于學(xué)生專業(yè)知識的培養(yǎng)。因此，應(yīng)從實際使用角度出發(fā)，積極推動虛擬仿真與本專業(yè)實驗活動的高度契合與有效融合，以提高天然藥物化學(xué)實驗的可操作性和實效性，從而彌補相關(guān)實驗項目的不足。前期建設(shè)中，學(xué)校開發(fā)的“地黃內(nèi)生放線菌及代謝物分離鑒定”和“黃連素及衍生物的制備方法虛擬仿真設(shè)計實驗”項目，應(yīng)用了天然藥物化學(xué)實驗中的部分知識。2022年，筆者所在教研室開發(fā)的“懷菊花黃酮類成分的分離及定性虛擬仿真綜合實驗”是以“槐米中蘆丁的提取、鑒定及其水解產(chǎn)物的分析”實驗項目為基礎(chǔ)，主要針對河南道地藥材懷菊花中的黃酮類化合物，增加了大孔樹脂富集總黃酮、紫外分光光度計測定總黃酮的含量、制備液相的分離、核磁共振波譜的測試和處理等實驗內(nèi)容，與天然藥物化學(xué)實驗知識點密切相關(guān)。針對天然藥物化學(xué)中不同類型的化合物，設(shè)計了不同提取、分離方法的虛擬仿真項目，從而滿足了“兩性一度”的建設(shè)要求，拓寬了學(xué)生的知識深度和廣度。

1.2 從科研反哺教學(xué)的角度開發(fā)適用于創(chuàng)新應(yīng)用型人才的虛擬仿真實驗教學(xué)項目

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，我國在天然藥物化學(xué)領(lǐng)域的研究取得了一批具有國際影響力的重要原創(chuàng)成果，如青蒿素的發(fā)現(xiàn)。目前，國內(nèi)多個高校和課題組在自己擅長的天然產(chǎn)物研究領(lǐng)域均取得了豐碩的成果，每年有大量的新化合物被發(fā)現(xiàn)并被發(fā)表于各類學(xué)術(shù)期刊。因此，高校可以結(jié)合自身優(yōu)勢，通過優(yōu)質(zhì)的教學(xué)科研活動來實現(xiàn)教學(xué)反哺，在進行天然藥物教學(xué)中的化學(xué)實驗活動時，積極引入相關(guān)科研領(lǐng)域中的最新成果和最新課題，以有效培養(yǎng)藥學(xué)核心素養(yǎng)和全面提升課程實施效果。目前，國內(nèi)一些高校已經(jīng)開展了相關(guān)的研究和探索，如郝新才等[7]

發(fā)表的《結(jié)合天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)的實習(xí)課題設(shè)計與探索——以艾葉總黃酮的提取與活性研究為例》一文中，采用新型的提取方法，優(yōu)化了艾葉總黃酮的提取工藝，并將天然藥物化學(xué)與分析化學(xué)、藥理學(xué)等專業(yè)知識融會貫通，巧妙地實現(xiàn)了科研與教學(xué)的融合，達到了學(xué)以致用的效果。曾艷榮等[8]在《前沿科研成果融入天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)——以鉤藤中生物堿的提取分離和鑒定為例》一文中，以貴州道地藥材鉤藤為研究對象，對其生物堿類成分進行提取、分離和結(jié)構(gòu)鑒定，使學(xué)生掌握生物堿類成分的提取、分離、檢識和結(jié)構(gòu)鑒定方法。另外，近年來筆者所在教研室團隊在木脂素類化學(xué)、新穎生物堿、新穎倍半萜和二萜類化合物等重要天然產(chǎn)物方面也取得了一定的研究成果，在國際期刊發(fā)表研究論文多篇。通過將這些成果與天然藥物化學(xué)實驗的研究方法和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了現(xiàn)實與虛擬結(jié)合、質(zhì)量與效果雙提升的虛擬仿真實驗，不僅可以讓學(xué)生掌握更多的天然藥物化學(xué)專業(yè)知識，同時可以提升他們參與科研活動的動力熱情，增強他們科研創(chuàng)新的意識和能力。

1.3 從經(jīng)濟效益角度增強國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺的利用度

國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺是全球第一個匯聚全部學(xué)科專業(yè)、對學(xué)習(xí)者進行直接服務(wù)、遍布各類高等院校的先進實驗教學(xué)平臺，其宗旨是拓寬實驗教學(xué)內(nèi)容，延伸實驗教學(xué)空間，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，目標(biāo)是打造國家、省、校三級一體的聯(lián)動共享實驗教學(xué)體系，為廣大師生提供優(yōu)質(zhì)高效、脈絡(luò)分明的實驗教學(xué)共享服務(wù)資源，以增強試驗資源的共享性并擴大其覆蓋面[9]。平臺的建設(shè)運行所消耗的財力物力極其巨大，單憑各高校自身的力量，難以完成如此規(guī)模巨大的項目建設(shè)。而平臺共享性使得虛擬仿真實驗不再是空中樓閣，各高校的共享使用既加大了相關(guān)實驗資源的利用率，又推動其不斷全面吸納各高校優(yōu)勢專業(yè)的先進資源和特色內(nèi)容，在節(jié)約資源的同時又能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新優(yōu)化與豐富完善。所以，該共享平臺的建立是一個非常不錯的選擇。學(xué)校建設(shè)的這幾個項目將來均會與實驗空間對接，各高校開發(fā)的與天然藥物化學(xué)實驗相關(guān)的虛擬仿真項目也可以對接到實驗空間，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共建共享，增強國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺的利用度。

1.4 從學(xué)生使用角度加強學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境的建設(shè)

學(xué)生是應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)的主體。虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)該遵循“虛實結(jié)合，能實不虛”的核心原則，從現(xiàn)實實驗活動所不具備的客觀條件入手，精心打造與現(xiàn)實最為相似的實驗環(huán)境，實現(xiàn)效果提升。其具體實施過程涵蓋課程、平臺和機制建設(shè)等多個方面，其中，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺是在對多媒體技術(shù)、人機交互技術(shù)等的綜合運用下，為學(xué)生提供全天候的實驗環(huán)境，可隨時根據(jù)自身的需求來開展實驗[10]。虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)，不僅包括服務(wù)器、交換機、堡壘機、計算機等硬件設(shè)施，還包括教學(xué)系統(tǒng)、實訓(xùn)空間等系統(tǒng)和場地的建設(shè)。高校可以通過設(shè)立專項經(jīng)費，保證信息化技術(shù)在高等教育教學(xué)中的推廣應(yīng)用，購買相關(guān)配套的教學(xué)平臺和資源。當(dāng)下，學(xué)校已經(jīng)建成了國家級中藥學(xué)實驗教學(xué)示范中心、實驗教學(xué)虛擬仿真共享平臺及實訓(xùn)空間和河南省本科高校虛擬仿真實驗教學(xué)中心，收錄了學(xué)校目前建設(shè)的所有虛擬仿真實驗項目以及購買的90個虛擬仿真實驗項目，并通過校園網(wǎng)全覆蓋，為學(xué)校師生使用虛擬仿真教學(xué)營造了更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.5 從教師應(yīng)用的角度培養(yǎng)一支現(xiàn)代化信息素養(yǎng)強大的教學(xué)團隊

建設(shè)一流的教師隊伍是現(xiàn)代信息化教學(xué)體系平臺構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)。虛擬仿真教學(xué)，一方面為教師提供了多元化和靈活性的教學(xué)資源，另一方面對于授課教師的現(xiàn)代化信息技能要求較高。授課教師不僅自身需要對虛擬仿真軟件、平臺和后臺管理非常了解并熟練操作，同時還應(yīng)具備豐富的知識儲備，以推動信息化技術(shù)平臺資源的不斷創(chuàng)新。另外，由于軟件開發(fā)公司無法提供實時的技術(shù)服務(wù)，后續(xù)的虛擬仿真實驗軟件和運行平臺也需要教師進行管理和維護。因此，培養(yǎng)一支現(xiàn)代信息化手段過硬的師資隊伍，為虛擬仿真教學(xué)的順利開展提供保障服務(wù)尤為重要。

2 結(jié)束語

總之，在學(xué)科融合的高校教育改革背景下，天然藥物化學(xué)實驗課程虛擬仿真實驗作為藥學(xué)類專業(yè)教學(xué)改革的關(guān)鍵內(nèi)容，不受客觀條件的固有限制，具有良好交互性和操作可重復(fù)性，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和素養(yǎng)等方面具有無可替代的實施優(yōu)勢。但這種實驗?zāi)Ｊ奖仨毰c實體實驗進行融合發(fā)展而不能完全替代它，需要遵循虛擬仿真為輔、實體實驗為主、互相補充融合的實施原則，精心設(shè)計實施融合性實驗內(nèi)容，以高效完成實體實驗活動中由于客觀條件限制而不能進行的部分，以獲得全面、高效的實驗教學(xué)效果，推動學(xué)生不斷提高實驗參與熱情、實驗實踐能力和實驗創(chuàng)新水平，獲得全面發(fā)展。

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*項目來源：2023年河南省本科高校中藥化學(xué)課程思政樣板課程；2023年河南中醫(yī)藥大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實踐項目（項目編號：YJSJ2023-006）；2023年研究生課程思政示范課程項目（項目編號：HZYYJS2023SZ01）；2022年河南中醫(yī)藥大學(xué)課程思政樣板課程項目“天然藥物化學(xué)”（項目編號：KCSZ2022-08）。

作者簡介：陳輝、孫彥君、馮衛(wèi)生，教授；李孟，通信作者，副教授；張靖柯，講師。