何秋伶 徐濤 盛清 梁宗鎖 王森

摘要：天然藥物化學(xué)作為生物制藥專業(yè)的主干課程之一，其實驗教學(xué)是其中重要的組成部分。通過實驗教學(xué)能加深學(xué)生對理論知識的理解，滿足藥學(xué)人才培養(yǎng)要求。我們探討了在天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)中，通過構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)平臺，模擬和再現(xiàn)真實實驗環(huán)境，運(yùn)用虛實相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，以期能提高實驗教學(xué)質(zhì)量。實體實驗教學(xué)和虛擬實驗教學(xué)互為補(bǔ)充，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率，對培養(yǎng)高素質(zhì)的藥學(xué)人才具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：天然藥物化學(xué)；虛擬仿真實驗；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0273-04

虛擬仿真技術(shù)是一種由計算機(jī)技術(shù)輔助形成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它綜合了傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、計算機(jī)圖形及仿真技術(shù)等最新技術(shù)成果[1，2]。虛擬仿真技術(shù)作為信息技術(shù)，由于其職業(yè)性與情境性、典型性、過程性、交互性與智能型、趣味性等特征在實驗教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛，涉及到多個專業(yè)和學(xué)科，國內(nèi)外很多的高校、科研院所以及遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)都積極地投入虛擬實驗平臺的構(gòu)建[3]。日前，教育部批準(zhǔn)了三批共300個國家級虛擬仿真教學(xué)實驗中心，涉及多個研究領(lǐng)域，如清華大學(xué)的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心以及中國藥科大學(xué)的藥學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心等。[1，4]

天然藥物化學(xué)是以天然藥物中化學(xué)成分為主要對象，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)理論與手段對其進(jìn)行提取、分離、鑒定的一門學(xué)科[5-8]。隨著國務(wù)院關(guān)于推進(jìn)我國中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016-2030年）》的提出，國家加快了中醫(yī)藥現(xiàn)代化的步伐，天然藥物化學(xué)教學(xué)的重要性與日俱增[9]。為適應(yīng)這一發(fā)展的需要，許多高等院校制藥學(xué)、藥物制劑等專業(yè)在本科生階段開設(shè)了天然藥物化學(xué)課程，以培養(yǎng)越來越多的研究工作者投入天然藥物研究。我校對四年制生物制藥專業(yè)開設(shè)了天然藥物化學(xué)課程，其中實驗課程占了較大比例。由于天然藥物化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容涉及到多個學(xué)科知識如藥用植物學(xué)、藥理學(xué)、生藥學(xué)等的交叉，同時在技術(shù)上還包含了多種技能的相互滲透，兼有理論性與實踐性的特點[5，9，10，11]。實驗課程也是鍛煉提高學(xué)生動手能力、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)邏輯能力以及創(chuàng)新意識的重要途徑[12，13]。針對近年來不斷蓬勃發(fā)展的天然藥物化學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出的新技術(shù)、新方法，如何使學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)和實驗條件下既掌握基礎(chǔ)又接觸前沿，是天然藥物化學(xué)教學(xué)面臨的重要問題。用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)，是對生物制藥專業(yè)課程教學(xué)的有力補(bǔ)充。

一、天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)需要虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持

（一）傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足

目前，天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)大多采用傳統(tǒng)的化學(xué)類實驗教學(xué)課程的授課方式，在教學(xué)手段方面存在有比較多的問題[14]。而這些問題在一定程度上制約了實驗教學(xué)在應(yīng)用類專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展[15]。

教學(xué)成本在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中占有較大的比重，但由于資金和場地的限制，學(xué)校只能引進(jìn)部分相關(guān)實驗設(shè)備，這就造成了數(shù)量不足的實驗儀器與滿足大多數(shù)學(xué)生操作需求的矛盾。同時，大型儀器設(shè)備維護(hù)成本高，實驗教學(xué)中容易發(fā)生損壞，加速了儀器設(shè)備的報廢，使得教學(xué)成本增加[16]。另一方面，天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)過程中涉及的實驗方法主要包括天然藥物的提取分離、有效成分的結(jié)構(gòu)鑒定等，這些過程中需要用到大量的天然原料、輔料及標(biāo)準(zhǔn)品，而且天然藥物化學(xué)實驗內(nèi)容具有較強(qiáng)的連貫性，中間任何一個操作環(huán)節(jié)的失誤都有可能造成整個實驗的失敗[17]。因此，在實驗教學(xué)操作過程中難免會產(chǎn)生大量不符合要求的失敗品，對這些廢品的處理大多采用丟棄或銷毀的方式，從而導(dǎo)致大量教學(xué)資源的浪費(fèi)[16]。而在傳統(tǒng)的藥物化學(xué)實驗教學(xué)過程中還存在一些安全隱患[18]。其一是實驗過程中需要運(yùn)用到大量的化學(xué)試劑，普通的本科教學(xué)實驗室安全設(shè)施及環(huán)境比較簡陋，會對學(xué)生的身體健康存在不利的影響，而從事實驗教學(xué)的人員長期工作于這種環(huán)境，對身體更易造成傷害。其二，實驗過程中有時還需要用到大型實驗設(shè)備涉及高壓、高溫等環(huán)境，這些操作都具有很大的安全隱患[19]。

在實驗教學(xué)的授課方式上，傳統(tǒng)的教學(xué)方式普遍采用講授法。首先，針對特定實驗，會先分析實驗原理，再講解實驗步驟，最后進(jìn)行示范性操作，同時強(qiáng)調(diào)實驗過程中需要注意的事項，整個過程占用了大量的實驗課程時間，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣帶來了消極的影響。另外，有部分學(xué)生課前不預(yù)習(xí)，課堂上學(xué)生自行練習(xí)時間有限，往往也不能保證實驗的連貫性；而且學(xué)生在實驗過程中，有時會因為種種原因而失敗，受時間的限制，不可能重做，這就造成了部分學(xué)生實驗課后不思考不總結(jié)，甚至相互抄襲實驗報告的現(xiàn)象，進(jìn)而對相關(guān)理論知識的認(rèn)識和理解造成極大的影響。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在天然藥物化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢

構(gòu)建虛擬實驗平臺，其使用的教學(xué)手段要比傳統(tǒng)教學(xué)中使用的文字、模型更形象、生動和完整[16]。同時，它使得學(xué)習(xí)知識的過程變得多樣化。一方面，虛擬儀器可以安全方便地讓學(xué)生拆卸、組裝；另一方面，教學(xué)人員也可以根據(jù)不同步驟逐次展示實驗的原理和工作方式。在整個實驗過程中，學(xué)生的親身體驗使得對相關(guān)知識的理解更為深刻，有利于學(xué)生消化和運(yùn)用知識。再則，在這種主動交互的教學(xué)過程中，學(xué)生的能動性得到了有效提高，大大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的信心和動力，使他們更容易地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，同時還有利于培養(yǎng)學(xué)生自主探索的能力和創(chuàng)新能力，以及在實驗過程中的交流與合作能力。

在教育成本方面，虛擬仿真實驗既不消耗實驗耗材，也不損壞實驗設(shè)備，同時還避免使用大量危險化學(xué)試劑。整個教學(xué)過程節(jié)約了教學(xué)經(jīng)費(fèi)，又減少了對環(huán)境的污染。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生還可以放心地去操作各種在現(xiàn)實實驗條件下有危險的或危害人體健康的實驗，避免了各種危險[20]。

二、基于虛擬技術(shù)實施天然藥物化學(xué)實驗課程教學(xué)改革

（一）虛擬實驗平臺在天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)程序設(shè)計中的運(yùn)用

由于藥物化學(xué)實驗課程內(nèi)容具有邏輯性強(qiáng)、連貫性強(qiáng)的特殊性，天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)的程序設(shè)計需要突出制藥專業(yè)的特點，特別強(qiáng)調(diào)遵循教學(xué)內(nèi)容的邏輯性和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律[21]。首先，突出制藥專業(yè)的特點，就是要盡可能多地創(chuàng)造實驗教學(xué)條件，讓學(xué)生更多地參與到實驗活動中去，培養(yǎng)學(xué)生的主動動手能力。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗時，要注重引導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生主動思維能力的培養(yǎng)，在教學(xué)過程設(shè)計中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性的嘗試。同時，應(yīng)合理運(yùn)用“因材施教”的原則，即根據(jù)本學(xué)校和學(xué)生的實際情況，結(jié)合不同的教學(xué)內(nèi)容，選擇不同的實驗教學(xué)方法，來設(shè)計不同的教學(xué)程序[15]。隨著生物學(xué)、高分子合成分離技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)在藥物化學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，天然藥物化學(xué)對多種學(xué)科研究方法的應(yīng)用程度也不斷加深[22]，例如超臨界流體萃取技術(shù)、智能多維純化系統(tǒng)AKTAxpress、多角度激光光散射儀與凝膠滲透色譜聯(lián)用技術(shù)等是非常有應(yīng)用前景的提取、純化技術(shù)。但是由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)及實驗條件等原因的限制，不可能逐一開展相關(guān)的實驗，這時結(jié)合虛擬仿真實驗教學(xué)平臺對這部分的實驗進(jìn)行講解和操作，則更有利于開拓學(xué)生視野，加深對前沿技術(shù)的了解。

（二）虛擬平臺下的天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)策略

1.豐富的教學(xué)材料。向?qū)W生介紹天然藥物化學(xué)學(xué)科研究成果的研究背景及歷史，有助于學(xué)生頭腦中形成完整的科研思路，建立學(xué)生對于天然藥物化學(xué)研究的總體認(rèn)識。同時，可以結(jié)合虛擬仿真平臺，將科學(xué)研究實例生動地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行展現(xiàn)，了解本學(xué)科研究領(lǐng)域優(yōu)秀成果的發(fā)現(xiàn)過程，從而引導(dǎo)學(xué)生的探究興趣，激發(fā)內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力。例如以獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎的屠呦呦研究團(tuán)隊為實例，介紹科研人員如何通過大量的調(diào)查研究，從歷史醫(yī)著文獻(xiàn)《肘后備急方》中尋找到有價值的研究線索，然后以提取、分離等手段從青蒿中分離出抗瘧成分青蒿素的研究過程，從而延伸到天然藥物化學(xué)實驗中如何確定天然藥物有效部位的方法、如何設(shè)計合理的技術(shù)流程進(jìn)行效成分的分離和研究。同時，結(jié)合虛擬仿真平臺進(jìn)行演示，使學(xué)生熟悉從天然藥物中尋找、開發(fā)新藥的過程，引發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科研意識。

2.基于虛擬仿真平臺的實驗操作。由于大多數(shù)實驗學(xué)生都是首次接觸，因此在進(jìn)行實驗的時候難免會出現(xiàn)錯誤，這就需要一定時間的練習(xí)來降低錯誤率?？梢圆捎靡韵聨追N形式：第一是單個環(huán)節(jié)的練習(xí)。天然藥物化學(xué)實驗一般具有連貫性，其中包含有多個環(huán)節(jié)。因此，可以在虛擬仿真操作練習(xí)中針對某一重要環(huán)節(jié)進(jìn)行練習(xí)，使學(xué)生能夠更熟練地掌握該環(huán)節(jié)的知識點和操作要點。該操作練習(xí)的優(yōu)點是能突出重點、有明確的目標(biāo)導(dǎo)向，有利于熟練掌握運(yùn)用重要的知識點。如“大黃中蒽醌類成分的提取、分離和鑒定”虛擬實驗中，學(xué)生先對其中的“柱層析分離”進(jìn)行操作練習(xí)，實驗中學(xué)生可以體驗不同pH值、溶劑配比的三維模型對實驗結(jié)果的影響，讓學(xué)生對摸索實驗條件的重要性有著更直觀的認(rèn)識。第二是多流程練習(xí)，即把多個知識點和多個流程串聯(lián)在一起，利用虛擬實驗平臺進(jìn)行練習(xí)。不僅有利于學(xué)生對整體實驗流程的掌握，也有利于提高學(xué)生綜合運(yùn)用多個知識點甚至交叉學(xué)科知識來解決問題的能力。如利用虛擬仿真平臺對“氧化苦參堿的提取分離和鑒定”虛擬實驗中，我們可以結(jié)合實驗條件參數(shù)模塊來確定實驗最佳方案，同時可以使用“HPLC組件及系統(tǒng)”虛擬模塊進(jìn)行樣品分析和數(shù)據(jù)采集，來了解高壓液相色譜等分析儀器在使用中需要注意的要點，結(jié)合基于虛擬平臺的實際操作加深對實驗原理的進(jìn)一步認(rèn)識，鍛煉和提高實驗基本操作的能力。這種方法不僅可以綜合檢驗學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實驗操作的能力，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的重要途徑之一。第三是比較練習(xí)。這種方法可以通過對比的方式強(qiáng)化知識點之間的聯(lián)系與區(qū)別。如不同提取方式對提取效率的影響，各自的優(yōu)缺點等，更有利于知識點的運(yùn)用。

（三）改革考核制度、重視綜合能力的考察

針對天然藥物化學(xué)實驗課的特點，應(yīng)該注重理論與實驗相結(jié)合，重點針對學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Φ目己薣14]。因此，在考核方式上，要把重點放在實驗報告的撰寫、實驗理論的運(yùn)用和實驗操作能力的正確規(guī)范上。采用平時成績（20%）、實驗操作技能（25%）、實驗設(shè)計（25%）及最終實驗報告（30%）的模式，這種考核制度，不僅能夠綜合反映學(xué)生的治學(xué)態(tài)度、理論知識的掌握程度以及實驗技能的運(yùn)用能力，也符合天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)注重實際操作能力培養(yǎng)的特點，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性，發(fā)展了自主探索的能力。

三、結(jié)論和展望

通過天然藥物化學(xué)“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)方式，既可以充分發(fā)揮虛擬仿真實驗技術(shù)的優(yōu)勢，在一定程度上解決當(dāng)前藥物類化學(xué)實驗教學(xué)過程中存在的一些困難和問題，也能通過形象生動的實驗手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，優(yōu)化實驗教學(xué)過程，提高實驗教學(xué)水平，共同完成目前天然藥物化學(xué)的實驗要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂婷，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，（43）：8099-8103.

[2]鄒湘軍，等，.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，（09）：1905-1909.

[3]馮傳平，彭攸靈，鐘湘云.藥學(xué)類課程仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)實踐[J].中醫(yī)藥管理雜志，2016，（10）：28-30.

[4]江海平，馮鴻.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展對生物實驗和教學(xué)的重大影響[J]..遺傳，2007，（12）：1529-1532.

[5]張成文，徐小琴，張小燕.新的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下植物提取物行業(yè)動態(tài)[J].現(xiàn)代藥物與臨床，2009，（01）：1-7.

[6]Strohl，W.R.，The role of natural product s in a modern drug discovery program[J].Drug Discovery Today，2000，（5）：39-41.

[7]史清文，等.天然藥物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展以及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系[J].中草藥，2011，（08）：1457-1463.

[8]史清文，等.天然藥物化學(xué)研究與新藥開發(fā)[J].中草藥，2010，（10）：1583-1589.

[9]李驊，等.天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)改革與思考[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2016，（27）：5387-5389，5393.

[10]王玉琨，等.復(fù)合型藥學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的幾點舉措[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2014，（10）：819-821.

[11]張阿琴.《天然藥物化學(xué)》教學(xué)改革初探[J].教育教學(xué)論壇，2015，（04）：98-99.

[12]厲旭云，等.高校實驗教學(xué)研究的發(fā)展及趨勢[J].實驗室研究與探索，2014，（03）：131-135，197.

[13]劉蕾，劉艷霞，劉俊康.天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)改革探索[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2013，（03）：344-346.

[14]馬利華.基于虛擬環(huán)境的藥學(xué)實驗教學(xué)模式研究[R].華東師范大學(xué)，2011：75.

[15]王湘妍.基于桌面三維虛擬現(xiàn)實的中等職業(yè)教育實訓(xùn)課程教學(xué)模式研究[R].2013，河南大學(xué)：76.

[16]楊云，等.天然藥物化學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2010，（21）：45-46.

[17]李南，劉紅梅.淺談藥物化學(xué)實驗教學(xué)改革[J].科教文匯（下旬刊），2008，（10）：161.

[18]李莉，等.分子生物學(xué)虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式的初探[J].實驗室研究與探索，2016，（10）：225-227.

[19]李建榮，孔素真.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].實驗室科學(xué)，2014，（03）：98-100，103.

[20]邵建華，李斯慧，趙春超.天然藥物化學(xué)實驗課程改革探討[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016，（22）：278，280.

[21]穆青，華志明.藥學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程天然藥物化學(xué)的教學(xué)探討[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育，2007，（06）：64-65，92.