天然药物化学虚拟仿真实验教学研究

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摘要:以“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析3D虚拟仿真实验”为例，从天然药物化学实验教学现状、虚拟仿真实验教学项目的特点与优势、系统开发、资源建设等方面介绍了天然药物化学虚拟仿真实验的建设思路与方法，旨在为天然药物化学等相关课程开展虚拟仿真实验积累经验，在一定程度上弥补了传统天然药物化学实验教学的不足，构建了以学生为主导的立体化、综合性、混合式的实验教学模式，有助于综合性创新型人才的培养。

关键词:天然药物化学;虚拟仿真;建设;思考

虚拟仿真实验教学是课程建设与信息技术深度融合的产物，在很大程度上可弥补客观实验条件的不足，为学生模拟接近真实的训练环境，在提高学生实验操作技能方面发挥着重要作用［1－3］。虚拟仿真可以根据不同需求创建各种形式的实验教学场景，供学生完成多种类型的实验项目，达到优化实验教学环境、延伸实验教学内容、提升实验教学水平的目的［4－5］。到目前为止，教育部认定了400多个国家虚拟仿真实验教学项目，以推动“虚实结合”的个性化、智能化的实验教学新模式，其目标是形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量的全面提高［6－8］。

1天然药物化学实验教学现状

天然药物化学实验是天然药物化学教学的重要组成部分，其教学目的就是要让学生掌握天然药物化学的基本理论和操作技能，注重理论与实践结合。传统的天然药物化学实验课是以老师利用PPT等现场讲授并结合示教、学生再动手操作进行验证性实验为主的教学模式。目前天然药物化学实验教学的现状如下:

1．1实验教学学时不足

我校药学专业开设的天然药物化学实验学时为48，而香豆素类、蒽醌类、黄酮类、萜类、甾体、生物碱类、挥发油类等都是天然药物中常见的有代表性的化学结构类型，每种类型从提取分离到理化鉴别和结构鉴定至少需要约12学时。就“大黄中游离蒽醌的提取、分离与鉴定”实验而言，在12学时内让每个学生熟练掌握该试验涉及的酸水解、回流提取、减压蒸馏、pH梯度萃取、理化鉴别、柱色谱、薄层色谱等操作存在很大难度。并且，天然药物化学实验的特点是连贯性强，一个完整的实验项目需要分多次进行，上一步的产物往往是下一步的实验对象，前面任何一个操作步骤的失误都可能影响后面实验的结果甚至导致整个实验失败。其次，学生作为新手，柱色谱这个操作过程很难一次就装柱顺利且成功分离，往往需要多次操作才能掌握装柱技巧、控制洗脱速度、及时更换洗脱剂等。因此，本课程实验教学的学时不足是影响学生熟练掌握操作步骤的主要因素。

1．2实验教学过程存在安全隐患

天然药物化学实验涉及回流提取、萃取、沉淀、色谱等传统技术，这些方法常用氯仿、乙醚、苯、浓硫酸、浓盐酸等易燃、易爆、有毒、强腐蚀性化学试剂，若使用不当会对师生身体健康带来风险，并且，实验中产生的废液会污染环境。高温、高压、强磁场等提取罐、高效液相色谱和核磁共振仪等大型设备的使用安全问题也不容忽视。

1．3实验材料消耗大设备运行成本高

近年来天然药物原料价格快速上涨，实验时还会用到多种标准品和试剂，虽然我校不断增加对于教学经费的投入力度，但在开展天然药物有效成分分析实验时，往往受到场地和资金等限制，无法实现人手一套实验设备，学生多数以组为单位，共用一套设备。以高效液相色谱仪为例，对仪器的控制和相关参数的更改都需要在与设备相连的控制电脑上通过专业的色谱工作站完成。由于工作站操作内置功能较多，使用相对复杂。如果对工作站不熟悉，很难在有限时间内跟随老师的指导完成相关参数的设置和操作，如果设置不正确，又将影响仪器的正常运行，甚至造成仪器的损坏，而这些大型仪器维修成本也相对较高。

2天然药物化学虚拟仿真实验教学项目的特点与优势

为了深化信息网络技术与传统实验教学的深度融合，针对传统实验教学模式的局限性与创新人才能力培养目标之间的矛盾，以学生自主解决问题所必备的操作技能、观察能力和思维能力等综合能力培养为目标，我校天然药物化学课程的主讲教师们进行了“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析3D虚拟仿真实验”教学项目的建设，本项目提出“虚实结合、创新培养”的虚拟仿真实验模式，与传统实验教学模式相比，具有如下优势:

2．1提高了实验的安全性和效率

“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析3D虚拟仿真实验”项目的实施，可在一定程度上减少有毒化学试剂氯仿的消耗量;消除因操作不当引发的易燃易爆品爆炸，威胁学生的安全隐患;缩短回流、萃取、蒸馏、色谱分析等各操作环节的等待时间，以直观视角的形式带来与理论的互补结合。通过知识点的理论学习、操作系统提示等多个环节的仿真实训操作，可以解决实验学时偏少、高效液相色谱仪和旋转蒸发仪等设备台(套)数不足，实验耗时长、大型综合设计性实验难以在本科生培养过程中大面积开展等问题。

2．2有利于构建以学生为主导的实验教学模式

该项目从各个角度详细、直观地展示“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析”的实验过程。学生通过置身于虚拟的实验环境，模拟真实的操作过程，不受实验时间、材料、空间等因素的限制，对于连续回流提取、抽滤、蒸馏、萃取、固体称量、溶液配制、薄层色谱、柱色谱、高效液相色谱等天然药物提取、分离、纯化、分析等实验操作技术进行全面掌握。这种重复可逆式的训练方式可提升学习效果，有助于提高学习的自主性和积极性，调动学生的参与度，有效激发学生学习兴趣。将以教师为中心的传统教学模式改变为学生作为主导的实验教学模式。2．3有助于综合性创新型人才的培养在传统实验中，大黄中游离蒽醌的提取与分离属于天然药物化学实验的内容，约8个学时，在第六学期开设，游离蒽醌的HPLC法定量分析属于中药分析实验的内容，约2个学时，在第七学期开设。由于高效液相色谱仪成本高，台(套)数有限，通常4～8人一组开展实验教学，再加之游离蒽醌的HPLC法定量分析需要流动相梯度洗脱，各组分保留时间长，而实验课时有限，学生很难有机会亲手操作、深入学习，因而定量分析实验内容常作为开放实验项目由学生选做。并且传统实验不具备综合设计性实验开设的要求，是创新型人才培养过程中的明显短板。虚拟仿真技术的应用，可扩大实验教学范围，丰富实验教学内容，更有利于新时期综合性、创新型人才的培养和构建立体化、综合性、混合式的实验教学模式。

3天然药物化学虚拟仿真实验教学项目的基本建设思路

3．1基本建设思路

从教学实际需求出发，整合大黄中游离蒽醌的提取与分离以及HPLC法定量分析两部分内容，严格遵循综合设计性实验教学大纲，构建以专业课教师和计算机教师联合自主开发为主、软件编程人员提供技术支持为辅的项目资源开发体系，首先实现虚拟仿真实验项目资源开放共享，再逐步实现天然药物化学综合设计性虚拟仿真实验教学体系的完整性。在建设过程中，知识点的挖掘与脚本设计是难点，需结合教学大纲进行知识点的选取，以“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析”为例，重点从提取、蒸馏、萃取、柱色谱、薄层色谱、高效液相色谱等知识点中挖掘交互性操作，如固体的称量、危险化学试剂的使用、存取和保管要求、废液的回收与正确处理方法、分液、装柱、上样、制板、饱和、点样等。除此之外，还包括比移值计算、对照品溶液配制、流动相的选择等理论知识点。将这些知识点串联，增加图片、视频等素材，以选择题或问答题的形式设置在虚拟操作的“演示模式”步骤中，即可形成项目开发的脚本提供给软件编程人员。

3．2采用原型法与结构化生命周期法结合的方法进行系统开发

将交互性操作步骤的所有环节流程化，并对实验仪器设备的正确操作过程与可能的操作失误异常进行整理，形成详细的操作使用报告;项目组成员与软件编程人员一起讨论虚拟实验系统的所有人机界面和逻辑过程，形成系统原型报告;接着，软件编程人员按照项目框架、模块划分和界面进行原型开发，计算机工程师与专业课教师一起对原型系统进行分析和评判，并给出最终的开发需求报告。在软件开发方面，按照需求报告，整个系统采用基于云服务器的B/S架构，以无插件的目前最先进的基于WebGpu技术的Babylon方案进行高保真虚拟仿真系统开发，实验仪器设备及材料采用激光扫描成型，实现实物到虚拟三维物体的仿真。为了使本系统有成长性，采用微软的SQLexpress2019免费数据库记录所有的学生操作行为数据，为长期实验中学生行为特点分析和改进实验设计做好数据准备。

3．3虚拟仿真实验教学项目“知识点”的设计及资源呈现方式

以“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析3D虚拟仿真实验”项目为例，本实验项目的六个知识点，除了高效液相色谱数据的分析处理过程(标准曲线的绘制、样品溶液浓度的计算等)为单向操作外，其余所有涉及到装置、仪器的操作均为三维虚拟仿真实验内容，实景呈现实验的各个环节。学生通过软件，以人机交互的形式，操作者发出指令，软件自动响应，给出相应反馈:若指令与设定程序一致，即得到正反馈，实验继续进行;若指令与设定程序不一致，软件拒绝执行，会报警提示，直至指令正确，才会进行下一步操作。对于大型精密仪器高效液相色谱仪虚拟操作中的“知识点”项目，通过模拟操作练习中的“演示模式”界面提示的步骤熟悉仪器的操作;演示模式学习完成后，可以选择“自主操作模式”。此时，界面上没有提示内容，需要学生独立完成对仪器的控制练习。学生利用虚拟系统软件预习，可直观地了解实验目的和内容，图文讲解更加形象具体，通过完成知识点内的思考题和模拟上机的独立操作，从理论和操作两方面检验预习成果。

4小结

“大黄中游离蒽醌的提取与分离分析3D虚拟仿真实验”项目通过文字、图片、视频、交互操作等方式，加强课前预习、规范课堂操作、促进线上线下交流，将现代信息技术与传统实验教学相结合，使实验教学手段更加多样、教学形式更加灵活、实验资源更加丰富;借助虚拟仿真实验教学软件，使课前预习测验、实验过程跟踪记录、报告在线提交、系统自动评价、在线交流及时反馈等诸多传统实验无法实现的功能成为可能，教师从传统实验中只凭实验报告评价实验效果的方式转化为真正以“学生操作为中心、以过程评价为主体”的多元化评价体系，更为真实、客观地反映实验课教学的效果和质量。虽然虚拟仿真实验可随时随地重复、交互性好，但是不能够代替实体实验。如果全部实验都由虚拟实验来代替，则会使学生对实验操作和仪器设备的真实感受缺失，动手操作能力降低。因而，在虚拟仿真实验教学项目的建设上坚持“以实为本、以虚为辅、虚实结合、相互补充”的原则，围绕综合设计性试验、药物研发和应用的实例，完成实体教学条件下无法完成的实验教学内容，以虚拟仿真实验教学作为实体实验教学的补充，为培养学生的基础实践能力和自主创新能力提供有力保障。

参考文献

［1］高志强，王晓敏，闫晋文，等．我国虚拟仿真实验教学项目建设的现状与挑战［J］．实验技术与管理，2020，37(7):5－9．

［2］熊巍，何蔚珊．基于Unity3D的化学虚拟实验系统设计与实现［J］．实验技术与管理，2020，37(2):28－31．

［3］黎奕斌，慈薇，李琳．药学化学虚拟仿真实验教学中心的建设与实践［J］．基础医学教育，2020，22(6):440－442．

［4］文锦琼，肖世维，青思含．虚拟仿真技术在高校不同学科中的应用［J］．实验室科学，2020，23(2):79－82．

［5］李婷婷，代健民，潘洪志．虚拟仿真实验教学的探究与创新人才的培养［J］．中国继续医学教育，2019，11(8):53－55．

［6］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．

［7］阎婷，孟大利，侯柏玲．虚拟仿真辅助中药化学实验教学的实践［J］．教育教学论坛，2020(40):198－199．

［8］谭妙娟．虚拟仿真实验在天然药物化学实验教学中的应用［J］．中国继续医学教育，2019，11(6):30－32

作者：赵惠茹 靖会 关丽 杨阳 杨黎彬 陈云梅 战昕 单位：西安医学院药学院 西安医学院卫生管理学院