導(dǎo)語：天然藥物化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:以“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析3D虛擬仿真實驗”為例，從天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀、虛擬仿真實驗教學(xué)項目的特點與優(yōu)勢、系統(tǒng)開發(fā)、資源建設(shè)等方面介紹了天然藥物化學(xué)虛擬仿真實驗的建設(shè)思路與方法，旨在為天然藥物化學(xué)等相關(guān)課程開展虛擬仿真實驗積累經(jīng)驗，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)的不足，構(gòu)建了以學(xué)生為主導(dǎo)的立體化、綜合性、混合式的實驗教學(xué)模式，有助于綜合性創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞:天然藥物化學(xué);虛擬仿真;建設(shè);思考

虛擬仿真實驗教學(xué)是課程建設(shè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，在很大程度上可彌補客觀實驗條件的不足，為學(xué)生模擬接近真實的訓(xùn)練環(huán)境，在提高學(xué)生實驗操作技能方面發(fā)揮著重要作用［1－3］。虛擬仿真可以根據(jù)不同需求創(chuàng)建各種形式的實驗教學(xué)場景，供學(xué)生完成多種類型的實驗項目，達到優(yōu)化實驗教學(xué)環(huán)境、延伸實驗教學(xué)內(nèi)容、提升實驗教學(xué)水平的目的［4－5］。到目前為止，教育部認定了400多個國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，以推動“虛實結(jié)合”的個性化、智能化的實驗教學(xué)新模式，其目標是形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高［6－8］。

1天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

天然藥物化學(xué)實驗是天然藥物化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，其教學(xué)目的就是要讓學(xué)生掌握天然藥物化學(xué)的基本理論和操作技能，注重理論與實踐結(jié)合。傳統(tǒng)的天然藥物化學(xué)實驗課是以老師利用PPT等現(xiàn)場講授并結(jié)合示教、學(xué)生再動手操作進行驗證性實驗為主的教學(xué)模式。目前天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀如下:

1．1實驗教學(xué)學(xué)時不足

我校藥學(xué)專業(yè)開設(shè)的天然藥物化學(xué)實驗學(xué)時為48，而香豆素類、蒽醌類、黃酮類、萜類、甾體、生物堿類、揮發(fā)油類等都是天然藥物中常見的有代表性的化學(xué)結(jié)構(gòu)類型，每種類型從提取分離到理化鑒別和結(jié)構(gòu)鑒定至少需要約12學(xué)時。就“大黃中游離蒽醌的提取、分離與鑒定”實驗而言，在12學(xué)時內(nèi)讓每個學(xué)生熟練掌握該試驗涉及的酸水解、回流提取、減壓蒸餾、pH梯度萃取、理化鑒別、柱色譜、薄層色譜等操作存在很大難度。并且，天然藥物化學(xué)實驗的特點是連貫性強，一個完整的實驗項目需要分多次進行，上一步的產(chǎn)物往往是下一步的實驗對象，前面任何一個操作步驟的失誤都可能影響后面實驗的結(jié)果甚至導(dǎo)致整個實驗失敗。其次，學(xué)生作為新手，柱色譜這個操作過程很難一次就裝柱順利且成功分離，往往需要多次操作才能掌握裝柱技巧、控制洗脫速度、及時更換洗脫劑等。因此，本課程實驗教學(xué)的學(xué)時不足是影響學(xué)生熟練掌握操作步驟的主要因素。

1．2實驗教學(xué)過程存在安全隱患

天然藥物化學(xué)實驗涉及回流提取、萃取、沉淀、色譜等傳統(tǒng)技術(shù)，這些方法常用氯仿、乙醚、苯、濃硫酸、濃鹽酸等易燃、易爆、有毒、強腐蝕性化學(xué)試劑，若使用不當(dāng)會對師生身體健康帶來風(fēng)險，并且，實驗中產(chǎn)生的廢液會污染環(huán)境。高溫、高壓、強磁場等提取罐、高效液相色譜和核磁共振儀等大型設(shè)備的使用安全問題也不容忽視。

1．3實驗材料消耗大設(shè)備運行成本高

近年來天然藥物原料價格快速上漲，實驗時還會用到多種標準品和試劑，雖然我校不斷增加對于教學(xué)經(jīng)費的投入力度，但在開展天然藥物有效成分分析實驗時，往往受到場地和資金等限制，無法實現(xiàn)人手一套實驗設(shè)備，學(xué)生多數(shù)以組為單位，共用一套設(shè)備。以高效液相色譜儀為例，對儀器的控制和相關(guān)參數(shù)的更改都需要在與設(shè)備相連的控制電腦上通過專業(yè)的色譜工作站完成。由于工作站操作內(nèi)置功能較多，使用相對復(fù)雜。如果對工作站不熟悉，很難在有限時間內(nèi)跟隨老師的指導(dǎo)完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和操作，如果設(shè)置不正確，又將影響儀器的正常運行，甚至造成儀器的損壞，而這些大型儀器維修成本也相對較高。

2天然藥物化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的特點與優(yōu)勢

為了深化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的深度融合，針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的局限性與創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)目標之間的矛盾，以學(xué)生自主解決問題所必備的操作技能、觀察能力和思維能力等綜合能力培養(yǎng)為目標，我校天然藥物化學(xué)課程的主講教師們進行了“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析3D虛擬仿真實驗”教學(xué)項目的建設(shè)，本項目提出“虛實結(jié)合、創(chuàng)新培養(yǎng)”的虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ?，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比，具有如下優(yōu)勢:

2．1提高了實驗的安全性和效率

“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析3D虛擬仿真實驗”項目的實施，可在一定程度上減少有毒化學(xué)試劑氯仿的消耗量;消除因操作不當(dāng)引發(fā)的易燃易爆品爆炸，威脅學(xué)生的安全隱患;縮短回流、萃取、蒸餾、色譜分析等各操作環(huán)節(jié)的等待時間，以直觀視角的形式帶來與理論的互補結(jié)合。通過知識點的理論學(xué)習(xí)、操作系統(tǒng)提示等多個環(huán)節(jié)的仿真實訓(xùn)操作，可以解決實驗學(xué)時偏少、高效液相色譜儀和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等設(shè)備臺(套)數(shù)不足，實驗耗時長、大型綜合設(shè)計性實驗難以在本科生培養(yǎng)過程中大面積開展等問題。

2．2有利于構(gòu)建以學(xué)生為主導(dǎo)的實驗教學(xué)模式

該項目從各個角度詳細、直觀地展示“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析”的實驗過程。學(xué)生通過置身于虛擬的實驗環(huán)境，模擬真實的操作過程，不受實驗時間、材料、空間等因素的限制，對于連續(xù)回流提取、抽濾、蒸餾、萃取、固體稱量、溶液配制、薄層色譜、柱色譜、高效液相色譜等天然藥物提取、分離、純化、分析等實驗操作技術(shù)進行全面掌握。這種重復(fù)可逆式的訓(xùn)練方式可提升學(xué)習(xí)效果，有助于提高學(xué)習(xí)的自主性和積極性，調(diào)動學(xué)生的參與度，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式改變?yōu)閷W(xué)生作為主導(dǎo)的實驗教學(xué)模式。2．3有助于綜合性創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)在傳統(tǒng)實驗中，大黃中游離蒽醌的提取與分離屬于天然藥物化學(xué)實驗的內(nèi)容，約8個學(xué)時，在第六學(xué)期開設(shè)，游離蒽醌的HPLC法定量分析屬于中藥分析實驗的內(nèi)容，約2個學(xué)時，在第七學(xué)期開設(shè)。由于高效液相色譜儀成本高，臺(套)數(shù)有限，通常4～8人一組開展實驗教學(xué)，再加之游離蒽醌的HPLC法定量分析需要流動相梯度洗脫，各組分保留時間長，而實驗課時有限，學(xué)生很難有機會親手操作、深入學(xué)習(xí)，因而定量分析實驗內(nèi)容常作為開放實驗項目由學(xué)生選做。并且傳統(tǒng)實驗不具備綜合設(shè)計性實驗開設(shè)的要求，是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程中的明顯短板。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可擴大實驗教學(xué)范圍，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，更有利于新時期綜合性、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)和構(gòu)建立體化、綜合性、混合式的實驗教學(xué)模式。

3天然藥物化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的基本建設(shè)思路

3．1基本建設(shè)思路

從教學(xué)實際需求出發(fā)，整合大黃中游離蒽醌的提取與分離以及HPLC法定量分析兩部分內(nèi)容，嚴格遵循綜合設(shè)計性實驗教學(xué)大綱，構(gòu)建以專業(yè)課教師和計算機教師聯(lián)合自主開發(fā)為主、軟件編程人員提供技術(shù)支持為輔的項目資源開發(fā)體系，首先實現(xiàn)虛擬仿真實驗項目資源開放共享，再逐步實現(xiàn)天然藥物化學(xué)綜合設(shè)計性虛擬仿真實驗教學(xué)體系的完整性。在建設(shè)過程中，知識點的挖掘與腳本設(shè)計是難點，需結(jié)合教學(xué)大綱進行知識點的選取，以“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析”為例，重點從提取、蒸餾、萃取、柱色譜、薄層色譜、高效液相色譜等知識點中挖掘交互性操作，如固體的稱量、危險化學(xué)試劑的使用、存取和保管要求、廢液的回收與正確處理方法、分液、裝柱、上樣、制板、飽和、點樣等。除此之外，還包括比移值計算、對照品溶液配制、流動相的選擇等理論知識點。將這些知識點串聯(lián)，增加圖片、視頻等素材，以選擇題或問答題的形式設(shè)置在虛擬操作的“演示模式”步驟中，即可形成項目開發(fā)的腳本提供給軟件編程人員。

3．2采用原型法與結(jié)構(gòu)化生命周期法結(jié)合的方法進行系統(tǒng)開發(fā)

將交互性操作步驟的所有環(huán)節(jié)流程化，并對實驗儀器設(shè)備的正確操作過程與可能的操作失誤異常進行整理，形成詳細的操作使用報告;項目組成員與軟件編程人員一起討論虛擬實驗系統(tǒng)的所有人機界面和邏輯過程，形成系統(tǒng)原型報告;接著，軟件編程人員按照項目框架、模塊劃分和界面進行原型開發(fā)，計算機工程師與專業(yè)課教師一起對原型系統(tǒng)進行分析和評判，并給出最終的開發(fā)需求報告。在軟件開發(fā)方面，按照需求報告，整個系統(tǒng)采用基于云服務(wù)器的B/S架構(gòu)，以無插件的目前最先進的基于WebGpu技術(shù)的Babylon方案進行高保真虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)，實驗儀器設(shè)備及材料采用激光掃描成型，實現(xiàn)實物到虛擬三維物體的仿真。為了使本系統(tǒng)有成長性，采用微軟的SQLexpress2019免費數(shù)據(jù)庫記錄所有的學(xué)生操作行為數(shù)據(jù)，為長期實驗中學(xué)生行為特點分析和改進實驗設(shè)計做好數(shù)據(jù)準備。

3．3虛擬仿真實驗教學(xué)項目“知識點”的設(shè)計及資源呈現(xiàn)方式

以“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析3D虛擬仿真實驗”項目為例，本實驗項目的六個知識點，除了高效液相色譜數(shù)據(jù)的分析處理過程(標準曲線的繪制、樣品溶液濃度的計算等)為單向操作外，其余所有涉及到裝置、儀器的操作均為三維虛擬仿真實驗內(nèi)容，實景呈現(xiàn)實驗的各個環(huán)節(jié)。學(xué)生通過軟件，以人機交互的形式，操作者發(fā)出指令，軟件自動響應(yīng)，給出相應(yīng)反饋:若指令與設(shè)定程序一致，即得到正反饋，實驗繼續(xù)進行;若指令與設(shè)定程序不一致，軟件拒絕執(zhí)行，會報警提示，直至指令正確，才會進行下一步操作。對于大型精密儀器高效液相色譜儀虛擬操作中的“知識點”項目，通過模擬操作練習(xí)中的“演示模式”界面提示的步驟熟悉儀器的操作;演示模式學(xué)習(xí)完成后，可以選擇“自主操作模式”。此時，界面上沒有提示內(nèi)容，需要學(xué)生獨立完成對儀器的控制練習(xí)。學(xué)生利用虛擬系統(tǒng)軟件預(yù)習(xí)，可直觀地了解實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容，圖文講解更加形象具體，通過完成知識點內(nèi)的思考題和模擬上機的獨立操作，從理論和操作兩方面檢驗預(yù)習(xí)成果。

4小結(jié)

“大黃中游離蒽醌的提取與分離分析3D虛擬仿真實驗”項目通過文字、圖片、視頻、交互操作等方式，加強課前預(yù)習(xí)、規(guī)范課堂操作、促進線上線下交流，將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相結(jié)合，使實驗教學(xué)手段更加多樣、教學(xué)形式更加靈活、實驗資源更加豐富;借助虛擬仿真實驗教學(xué)軟件，使課前預(yù)習(xí)測驗、實驗過程跟蹤記錄、報告在線提交、系統(tǒng)自動評價、在線交流及時反饋等諸多傳統(tǒng)實驗無法實現(xiàn)的功能成為可能，教師從傳統(tǒng)實驗中只憑實驗報告評價實驗效果的方式轉(zhuǎn)化為真正以“學(xué)生操作為中心、以過程評價為主體”的多元化評價體系，更為真實、客觀地反映實驗課教學(xué)的效果和質(zhì)量。雖然虛擬仿真實驗可隨時隨地重復(fù)、交互性好，但是不能夠代替實體實驗。如果全部實驗都由虛擬實驗來代替，則會使學(xué)生對實驗操作和儀器設(shè)備的真實感受缺失，動手操作能力降低。因而，在虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)上堅持“以實為本、以虛為輔、虛實結(jié)合、相互補充”的原則，圍繞綜合設(shè)計性試驗、藥物研發(fā)和應(yīng)用的實例，完成實體教學(xué)條件下無法完成的實驗教學(xué)內(nèi)容，以虛擬仿真實驗教學(xué)作為實體實驗教學(xué)的補充，為培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實踐能力和自主創(chuàng)新能力提供有力保障。

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作者：趙惠茹 靖會 關(guān)麗 楊陽 楊黎彬 陳云梅 戰(zhàn)昕 單位：西安醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院 西安醫(yī)學(xué)院衛(wèi)生管理學(xué)院