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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，從天然藥物化學實驗教學現狀、虛擬仿真實驗教學項目的特點與優勢、系統開發、資源建設等方面介紹了天然藥物化學虛擬仿真實驗的建設思路與方法，旨在為天然藥物化學等相關課程開展虛擬仿真實驗積累經驗，在一定程度上彌補了傳統天然藥物化學實驗教學的不足，構建了以學生為主導的立體化、綜合性、混合式的實驗教學模式，有助于綜合性創新型人才的培養。

關鍵詞:天然藥物化學;虛擬仿真;建設;思考

虛擬仿真實驗教學是課程建設與信息技術深度融合的產物，在很大程度上可彌補客觀實驗條件的不足，為學生模擬接近真實的訓練環境，在提高學生實驗操作技能方面發揮著重要作用［1－3］。虛擬仿真可以根據不同需求創建各種形式的實驗教學場景，供學生完成多種類型的實驗項目，達到優化實驗教學環境、延伸實驗教學內容、提升實驗教學水平的目的［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項目，以推動“虛實結合”的個性化、智能化的實驗教學新模式，其目標是形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量的全面提高［6－8］。

1天然藥物化學實驗教學現狀

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

1．1實驗教學學時不足

我校藥學專業開設的天然藥物化學實驗學時為48，而香豆素類、蒽醌類、黃酮類、萜類、甾體、生物堿類、揮發油類等都是天然藥物中常見的有代表性的化學結構類型，每種類型從提取分離到理化鑒別和結構鑒定至少需要約12學時。就“大黃中游離蒽醌的提取、分離與鑒定”實驗而言，在12學時內讓每個學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果甚至導致整個實驗失敗。其次，學生作為新手，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，本課程實驗教學的學時不足是影響學生熟練掌握操作步驟的主要因素。

1．2實驗教學過程存在安全隱患

天然藥物化學實驗涉及回流提取、萃取、沉淀、色譜等傳統技術，這些方法常用氯仿、乙醚、苯、濃硫酸、濃鹽酸等易燃、易爆、有毒、強腐蝕性化學試劑，若使用不當會對師生身體健康帶來風險，并且，實驗中產生的廢液會污染環境。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備的使用安全問題也不容忽視。

1．3實驗材料消耗大設備運行成本高

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經費的投入力度，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，無法實現人手一套實驗設備，學生多數以組為單位，共用一套設備。以高效液相色譜儀為例，對儀器的控制和相關參數的更改都需要在與設備相連的控制電腦上通過專業的色譜工作站完成。由于工作站操作內置功能較多，使用相對復雜。如果對工作站不熟悉，很難在有限時間內跟隨老師的指導完成相關參數的設置和操作，如果設置不正確，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天然藥物化學虛擬仿真實驗教學項目的特點與優勢

為了深化信息網絡技術與傳統實驗教學的深度融合，針對傳統實驗教學模式的局限性與創新人才能力培養目標之間的矛盾，以學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為目標，我校天然藥物化學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”教學項目的建設，本項目提出“虛實結合、創新培養”的虛擬仿真實驗模式，與傳統實驗教學模式相比，具有如下優勢:

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試劑氯仿的消耗量;消除因操作不當引發的易燃易爆品爆炸，威脅學生的安全隱患;縮短回流、萃取、蒸餾、色譜分析等各操作環節的等待時間，以直觀視角的形式帶來與理論的互補結合。通過知識點的理論學習、操作系統提示等多個環節的仿真實訓操作，可以解決實驗學時偏少、高效液相色譜儀和旋轉蒸發儀等設備臺(套)數不足，實驗耗時長、大型綜合設計性實驗難以在本科生培養過程中大面積開展等問題。

2．2有利于構建以學生為主導的實驗教學模式

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。學生通過置身于虛擬的實驗環境，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進行全面掌握。這種重復可逆式的訓練方式可提升學習效果，有助于提高學習的自主性和積極性，調動學生的參與度，有效激發學生學習興趣。將以教師為中心的傳統教學模式改變為學生作為主導的實驗教學模式。2．3有助于綜合性創新型人才的培養在傳統實驗中，大黃中游離蒽醌的提取與分離屬于天然藥物化學實驗的內容，約8個學時，在第六學期開設，游離蒽醌的HPLC法定量分析屬于中藥分析實驗的內容，約2個學時，在第七學期開設。由于高效液相色譜儀成本高，臺(套)數有限，通常4～8人一組開展實驗教學，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，學生很難有機會親手操作、深入學習，因而定量分析實驗內容常作為開放實驗項目由學生選做。并且傳統實驗不具備綜合設計性實驗開設的要求，是創新型人才培養過程中的明顯短板。虛擬仿真技術的應用，可擴大實驗教學范圍，豐富實驗教學內容，更有利于新時期綜合性、創新型人才的培養和構建立體化、綜合性、混合式的實驗教學模式。

3天然藥物化學虛擬仿真實驗教學項目的基本建設思路

3．1基本建設思路

從教學實際需求出發，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容，嚴格遵循綜合設計性實驗教學大綱，構建以專業課教師和計算機教師聯合自主開發為主、軟件編程人員提供技術支持為輔的項目資源開發體系，首先實現虛擬仿真實驗項目資源開放共享，再逐步實現天然藥物化學綜合設計性虛擬仿真實驗教學體系的完整性。在建設過程中，知識點的挖掘與腳本設計是難點，需結合教學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，增加圖片、視頻等素材，以選擇題或問答題的形式設置在虛擬操作的“演示模式”步驟中，即可形成項目開發的腳本提供給軟件編程人員。

3．2采用原型法與結構化生命周期法結合的方法進行系統開發

將交互性操作步驟的所有環節流程化，并對實驗儀器設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的所有人機界面和邏輯過程，形成系統原型報告;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，計算機工程師與專業課教師一起對原型系統進行分析和評判，并給出最終的開發需求報告。在軟件開發方面，按照需求報告，整個系統采用基于云服務器的B/S架構，以無插件的目前最先進的基于WebGpu技術的Babylon方案進行高保真虛擬仿真系統開發，實驗儀器設備及材料采用激光掃描成型，實現實物到虛擬三維物體的仿真。為了使本系統有成長性，采用微軟的SQLexpress2019免費數據庫記錄所有的學生操作行為數據，為長期實驗中學生行為特點分析和改進實驗設計做好數據準備。

3．3虛擬仿真實驗教學項目“知識點”的設計及資源呈現方式

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據的分析處理過程(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容，實景呈現實驗的各個環節。學生通過軟件，以人機交互的形式，操作者發出指令，軟件自動響應，給出相應反饋:若指令與設定程序一致，即得到正反饋，實驗繼續進行;若指令與設定程序不一致，軟件拒絕執行，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;演示模式學習完成后，可以選擇“自主操作模式”。此時，界面上沒有提示內容，需要學生獨立完成對儀器的控制練習。學生利用虛擬系統軟件預習，可直觀地了解實驗目的和內容，圖文講解更加形象具體，通過完成知識點內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習成果。

4小結

“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，加強課前預習、規范課堂操作、促進線上線下交流，將現代信息技術與傳統實驗教學相結合，使實驗教學手段更加多樣、教學形式更加靈活、實驗資源更加豐富;借助虛擬仿真實驗教學軟件，使課前預習測驗、實驗過程跟蹤記錄、報告在線提交、系統自動評價、在線交流及時反饋等諸多傳統實驗無法實現的功能成為可能，教師從傳統實驗中只憑實驗報告評價實驗效果的方式轉化為真正以“學生操作為中心、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的效果和質量。雖然虛擬仿真實驗可隨時隨地重復、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，則會使學生對實驗操作和儀器設備的真實感受缺失，動手操作能力降低。因而，在虛擬仿真實驗教學項目的建設上堅持“以實為本、以虛為輔、虛實結合、相互補充”的原則，圍繞綜合設計性試驗、藥物研發和應用的實例，完成實體教學條件下無法完成的實驗教學內容，以虛擬仿真實驗教學作為實體實驗教學的補充，為培養學生的基礎實踐能力和自主創新能力提供有力保障。

參考文獻

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［8］譚妙娟．虛擬仿真實驗在天然藥物化學實驗教學中的應用［J］．中國繼續醫學教育，2019，11(6):30－32

作者：趙惠茹 靖會 關麗 楊陽 楊黎彬 陳云梅 戰昕 單位：西安醫學院藥學院 西安醫學院衛生管理學院