基于虚拟仿真技术的药学综合实验设计及开发
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作者:李文 胡芳弟 崔方
［摘 要］课程组针对药学学科实验教学中实验设计单一、脱离药品实际生产等问题，以参芪颗粒的生产关键环节和质量检验为基础，设计相关药学综合性实验。该实验达到了综合多个专业课程、多个实验环节和多个实验操作的目的。同时，课程组构建了虚拟仿真教学平台，集成实验背景介绍、虚拟实验、操作示教、导向问题、实践考核等多个模块，应用于线下实验教学。实体实验教学和虚拟教学相结合，既能调动学生学习积极性，又能提高教学效率，对培养高素质的药学人才具有积极的作用。
［关键词］药学综合实验；虚拟仿真技术；参芪颗粒
［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0089-04
药学实验涉及不同类型的实验操作及原理。传统的实验教学一般按理论课程设置，以基础操作实验为主，与实际生产和科研要求脱节，已经不能满足本科教学培养发展的需要[1]。综合性实验可将多门专业课程有机地结合起来，有助于培养高素质的创新人才，但是综合性实验开设需要大量经费及实验设备支持，耗时也较长。虚拟化实验技术不受经费、时间的限制，是对综合性实验的有益补充[2-3]。本研究以参芪颗粒为实验载体，以提升药学教学效果为目的，综合多个实验环节、实验操作及实验方法；同时利用虚拟仿真平台集成实验背景介绍、虚拟实验、操作示教、导向问题、实践考核等多个模块，让学生在有限的实验条件下取得更多的实操经验，开阔学生的科研思路，激发学生的科研兴趣[4-5]。
一、以参芪颗粒为实验对象设计药学综合实验的合理性
对于药学实验而言，好的研究对象是设计综合实验的前提。而中药制剂的制备及分析涉及天然药物化学、药剂学、药物分析学、分析化学及仪器分析等多个学科[6]。虽然在综合性院校，药学类实验主要以西药为实验载体，但是随着我国对中药发展的重视[7-9]，药学专业学生应该注重通过中药类综合性实验快速熟悉中药生产、分析的全过程。为了完成本实验，学生需要对中药制剂的全过程进行系统的实践操作，其中提取分析、制剂工艺、样品分析验在整个药学培养体系中又具有普适性，药学专业的学生能将天然药物化学、药物制剂、药物分析、仪器分析等理论知识快速地应用到综合实验中。
参芪颗粒其由黄芪和党参组成，黄芪和党参是中药大品种，是极好的学习中药概念及现状的载体[10-11]。据药智网统计，在药品名称中直接含有“黄芪”的有60多种，党参作为补益药，除作为药用外，日常生活中也常常作为煲汤等食补原料，每年的产量达到60万吨[12]。因此，以参芪颗粒为研究对象设计药学综合实验可以帮助学生整体认识中药及其制剂，帮助学生进一步了解所学专业课程的关联性，提高分析与解决问题的综合能力，并能快速地应用到工作实际中。
二、“参芪颗粒的制备及质量检测”药学综合实验的设计思路
（一）实验框架设计
该综合实验打破以往各门课程每周一次的实验安排，以2～4周为实验单元，学生需要连续完成实验，环环相扣。
实验开始之前要求教师以问题为导向，回顾理论内容。例如在实验预习阶段要求学生查阅道地药材的概念、党参及黄芪的生药学特征；在学习参芪颗粒剂浸膏提取工艺之前，要求学生复习天然药物化学的提取方法等。这些内容预习与实验目的重合，也是对整体药学实验的贯通，同时可以为具体实验操作奠定基础。
实验过程中首先由实验教师讲解综合性实验原理和目的意义，并且介绍实验室所具备的实验条件和设备。在实验中容易出现前置实验完成不好，进而影响后续实验的情况，因此实验教师还需要提前准备每一阶段实验的产品（如浸膏提取物、参芪颗粒剂等），以防止由于前置实验的失败对后续实验的影响。当然，在实验的考核中要区别独立完成实验和需要教师提供帮助的学生的成绩，这样既可以避免打击学生的自信心，也可以提高学生独立完成实验的积极性。实验进行中带教教师应规范学生的实验操作，指导学生解决疑难问题，要求学生做好实验数据的原始记录。
实验结束后，要求每组学生制作PPT，介绍自己组的实验过程和实验结果，回答指导教师和其他组学生的提问。为了公正客观、真实有效地评定学生的实验成绩，实验考核应该贯穿教学的全过程、有量化指标，这样有利于全面客观地评价学生的综合实践能力。
（二）实验指导设计
综合性实验指导包括对实验目的、实验背景、实验原理、实验操作步骤、思考题进行指导。其中，实验目的主要体现对学生的要求，例如要求学生掌握参芪颗粒的制备方法及注意事项等；实验背景主要介绍道地药材概念、中药颗粒剂、参芪颗粒的临床及质量标准；实验原理包括各种操作参数选择的依据及实验注意事项，例如制软材的程度以“手握成团，轻压即散”为宜，如软材的程度不符合规定时，可加入适当浓度的乙醇调整；实验操作步骤包括参芪提取工艺实验操作、制剂工艺实验操作、颗粒剂的质量检查实验操作、鉴别用样品制备实验操作、硅胶薄层板制备操作、薄层鉴别实验操作、HPLC法测定参芪颗粒中毛蕊异黄酮、芒柄花素的含量实验操作，如图1所示。
三、虚拟仿真技术在“参芪颗粒的制备及质量检测”药学综合实验中的应用
（一）虚拟仿真技术在药学实验使用中的优势
建立虚拟实验室的成本及后期投入较低，不需要购买实际的仪器设备，尤其是一些高档次、高价位的仪器设备，在实验过程中也不必担心仪器设备的损坏、丢失等，避免了一些投入高、利用率低的实验开不出来的情况，不影响学生的学习兴趣。目前，药学实验教学大多采用传统的讲授法，占用了大量的实验课程时间。部分学生由于课前不预习或种种原因而造成实验失败，受时间的限制又不可能重做，使得他们产生了消极对待实验的念头。此外，由于教学成本及时间原因，教学实验一般选择成本较低的实验及2～6小时为单元的实验，实验的整体性和连续性不能保证。而虚拟仿真技术可以将实验原理、操作以动画形式展示，还可以集背景介绍、操作示教、导向问题、虚拟实验、实践考核等多种教学手段于一体，比传统教学更生动、更科学。虚拟仿真平台示教环节大大节约了传统示教时间，同时以问题为导向，提示学生在操作中的关键节点，例如针对薄层色谱铺制操作设置问题：硅胶薄层板制备需要的材料有哪些？让学生从多个实验材料中选择，选择正确的进入下一示教环节，选择错误的提示正确答案，再进入下一环节。这样可以避免“教师讲授完，学生忘记完”的尴尬情况。
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虚拟实验室具有开放性、灵活互动性和资源共享性。在综合实验进行过程中，学生可以随时进入虚拟仿真平台，这样就相当于教师随时在指导学生。学生进行实验的过程可以像玩电子游戏一样，用鼠标去控制实验，可以一边改变实验条件，一边观察实验结果，也可以任意放慢或加快实验过程，看到在传统实验中看不到的变化过程。此外，虚拟仿真实验在具体实施中具有灵活性，不同学校根据教学经费不同，既可以将其作为演示教学，也可以作为实验教学辅助手段。
（二）基于虚拟仿真技术的药学综合实验“参芪颗粒的制备及质量检测”的设计
设计分为四个方面，如图2所示：（1）原理操作模拟化。将大孔吸附树脂、薄层扫描含量测定方法原理及HPLC原理用动画模拟方法展现。（2）操作视频化。视频设计中只选取操作关键阶段，例如鉴别用样品制备实验中的超声、抽滤、蒸馏、萃取、柱层析、定容等操作展示。（3）背景知识及注意事项嵌入化。在虚拟平台首先展示党参和黄芪种植区域视频，让学生直观看到药材种植情况，同时辅助加入道地药材等的解说词和字幕；每个操作视频结束后跳出说明，提示上述操作需要注意的事项，例如提示学生用溶剂提取药材时，要注意提取溶剂，如果是有机溶剂必须使用有回流功能的提取装置。（4）平台考核问题化。针对每个环节设置相关考核问题，借鉴MOOC模式，问题统一使用选择题，问题包括实验操作的安全性、注意事项、拟选择仪器溶剂、操作的规范性等。
（三）虚拟仿真实验上线
目前该实验已经实现上线，资源共享，网址为：http：//www.mengoo.com/VirLab/html5/smkl/index.html。其界面如图3所示，分为实验目的、实验原理、实验视频和思考题，其中“开始实验”为虚拟实验窗口，学生在此窗口要按照虚拟实验步骤完成虚拟实验过程，如图4所示。此外，“实验视频”还提供教师示教。
四、结论和展望
（一）线上虚拟仿真实验与线下综合实验相结合
本项目与“药学综合训练”实体教学相结合，既可以充分发挥虚拟仿真实验技术的优势，促进学生将专业知识和操作技能融会贯通，又可以提高学生在进行真实实验时的教学效果及实验效率。虚拟仿真实验在网上开放可满足不同类型学生的需求，通过模拟、线上示教等虚拟手段，与真实实验相结合，从而全面培养学生的创新能力，达到提高实验教学水平的目的。
（二）学生自主学习与平台视频示教相结合
传统的教学模式因为空间的限制，会影响视觉效果，平台视频示教弥补了传统教学方式的不足，学生对实验过程一目了然，调动了学生的学习积极性，激发了学生的学习兴趣。同时，视频可以远程示教，可以实现资源共享，解决了部分院校教学资源不足的问题。
（三）整合式学习与通关式考核相结合
通过本实验学生可以综合掌握天然药物化学、药物分析学、药物制剂学、分析化学、仪器分析理论知识，综合多种实验操作方法，综合多种分析检验项目进行实验。为了配合学习，在不同实验结束后设置一个问题，以巩固学生对理论知识、实验技巧等的掌握，并检验学生的学习情况，学生回答问题后才能进入下一个实验学习。在考核方式上，采用虚拟平台学习成绩、实验操作技能、最终实验报告“1+1+1”的模式，能鼓励学生充分利用虚拟平台学习，增强了学生学习的能动性。
［ 参 考 文 献 ］
[1] 李佳.中药学专业综合设计性实验的探索与实践[J].继续医学教育，2015（10）：17-18.
[2] 陈丽文.学生自主式的教学模式在综合性实验中的应用[J].实验技术与管理，2004（3）：74-75，84.
[3] 窦如林，施卫娟.虚拟化技术在网络实验教学中的应用[J].时代教育（教育教学），2011（5）：147-148.
[4] 何秋伶，徐涛，盛清，等. 基于虚拟实验平台的天然药物化学教学模式探讨[J]. 教育教学论坛，2019（3）：273-276.
[5] 康东周，郑昌吉，修景会，等.药学专业实验教学改革的探索[J]. 教育教学论坛，2018（43）：276-277.
[6] 张海红，王树，张秀，等.打破学科壁垒 探索构建药学综合实验平台[J].卫生职业教育，2015（14）：7-8.
[7] 韩洪洪.加速发展 开创中医药事业新局面：改革开放以来党和国家重视、发展中医药事业述论[C].中国中医药报，2013-11-15（3）.
[8] 柯夏童，陈一鸣.中国对非洲中医药国际投资分析[J].合作经济与科技，2018（15）：37-39.
[9] 田晓航，陈聪.2018年中国全国中医药工作会议召开[J].中医药导报，2018（4）：104.
[10] 孙海峰，李科，李震宇，等.基于黄芪补益作用的黄芪药材质量评价[C]//中国植物学会.生态文明建设中的植物学：现在与未来：中国植物学会第十五届会员代表大会暨八十周年学术年会论文集：第4分会场：资源植物学.北京：中国植物学会，2013：67-68.
[11] 王强.名贵中药：党参[J].生命世界，2013（4）：94-95.
[12] 李成义，⑹楸螅李硕，等.甘肃党参栽培现状调查分析[J].中国现代中药，2016（1）：102-105.
［责任编辑：钟 岚］
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