王海波 張俊娜 何 煒

空軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)制藥學(xué)教研室，陜西西安 710032

目前，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入虛擬仿真技術(shù)已得到迅猛發(fā)展，是國內(nèi)外教育改革發(fā)展戰(zhàn)略的重要方向。教育部近年來先后發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[1]《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》[2]文件，強(qiáng)化了對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)的必要性和重要性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式基于虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)資源，對一些不具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件或難以完成的實(shí)驗(yàn)，依托于高度仿真的數(shù)字虛擬環(huán)境，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)對象等，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的多種場景，可實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，呈現(xiàn)出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的效率高、拓展性好、安全性高、易于開放和資源共享等優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充和延伸，也為實(shí)踐教學(xué)模式的改革提供了更多途徑，更易于采用多種以學(xué)生為主體的多元化教學(xué)方法，易于強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和開拓性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)思維，貫通課上與課下、理論與實(shí)踐、教學(xué)與科研，更加適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣[3-4]。

醫(yī)用有機(jī)化學(xué)是為醫(yī)學(xué)院校本科專業(yè)開設(shè)的一門重要的公共基礎(chǔ)課，與醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)等內(nèi)容密切相關(guān)，是培養(yǎng)學(xué)生醫(yī)學(xué)素養(yǎng)必不可少的課程。其中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生運(yùn)用理論知識、提高動手操作技能的重要環(huán)節(jié)，對于學(xué)生理解和領(lǐng)會化學(xué)與醫(yī)學(xué)課程相關(guān)的內(nèi)容，培養(yǎng)其科學(xué)的思維方法十分重要，對其后續(xù)學(xué)習(xí)生物化學(xué)、藥理學(xué)、生理學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)等醫(yī)學(xué)專業(yè)課程起著基礎(chǔ)框架的作用。因此，結(jié)合當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，本教學(xué)組構(gòu)建了醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，為“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下建立與醫(yī)學(xué)、藥學(xué)更加緊密融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系提供了支撐與保障。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)背景

在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一些涉及高危、高壓、低溫或極端環(huán)境要求，不可及或不可逆的操作，導(dǎo)致高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)難以在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中順利開展[5-6]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容多是驗(yàn)證性及綜合性實(shí)驗(yàn)，一些與醫(yī)藥學(xué)或藥學(xué)相關(guān)的大型或綜合性化學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目無法開展。

近年來，國內(nèi)一些醫(yī)藥類高校，如中國藥科大學(xué)、成都中醫(yī)藥大學(xué)、江西中醫(yī)藥大學(xué)創(chuàng)建了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，通過將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合，明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中操作的盲目性及操作失誤概率顯著降低，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本和資源，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問題[7]。

學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)動力不足、興趣不濃，難以激發(fā)學(xué)生的興趣，實(shí)驗(yàn)時(shí)照方抓藥，對真正的原理理解不透。學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，如同進(jìn)入了真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)κ褂玫膬x器、裝置和操作方法有直觀的了解，與理論知識點(diǎn)相銜接，對實(shí)驗(yàn)原理有更深入的理解和掌握。而且，學(xué)生對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式充滿好奇，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后可感受到豐富的模塊內(nèi)容。操作界面友好，學(xué)生按引領(lǐng)依照步驟實(shí)施實(shí)驗(yàn)操作，觀看展示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其學(xué)習(xí)的主動性可有效激發(fā)，從而提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體效果[8]。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作階段可能存在產(chǎn)率低或得不到產(chǎn)物的問題，尤其是有機(jī)合成、天然產(chǎn)物提取等實(shí)驗(yàn)，需要大量的有機(jī)試劑，將造成一定的環(huán)境污染。此類實(shí)驗(yàn)若采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施，則可凸顯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)周期短、操作簡便的優(yōu)勢，有效減少實(shí)驗(yàn)器材、藥品的消耗，減少環(huán)境污染[9]。

受限于學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件，一些大型先進(jìn)的儀器設(shè)備無法應(yīng)用到真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，需要應(yīng)用紅外、核磁、質(zhì)譜等儀器鑒定化合物結(jié)構(gòu)，但由于實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)室條件及實(shí)驗(yàn)操作人數(shù)的限制，難以在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用。而依托于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，則可將此類實(shí)驗(yàn)引入本科教學(xué)中，設(shè)置難度較大的實(shí)驗(yàn)，整合有機(jī)化學(xué)中先進(jìn)的儀器設(shè)備，更加利于開設(shè)化學(xué)與醫(yī)學(xué)和藥學(xué)密切結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[10-11]。

本研究所述醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建思路及應(yīng)用，是在獲得的中華醫(yī)學(xué)會教育課題[基于虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建“三協(xié)同”多元化醫(yī)學(xué)院?；瘜W(xué)實(shí)踐教學(xué)新模式的研究（20B1228）]基礎(chǔ)上，借助于空軍軍醫(yī)大學(xué)信息化教學(xué)平臺，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，采用化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的多元化教學(xué)模式，真正體現(xiàn)出學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和思維的創(chuàng)新性，力求提高醫(yī)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的質(zhì)量和效益。

2 醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容

本研究所建設(shè)的醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，采用的是易于開發(fā)、適用性較強(qiáng)且維護(hù)成本較低的“終端/服務(wù)器（B/S）”架構(gòu)，通過學(xué)校局域網(wǎng)連接虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與各實(shí)驗(yàn)用戶，實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)用戶共享同一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)空間。應(yīng)用這套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生能夠自主化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，閱讀、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)背景及拓展資源，了解和掌握實(shí)驗(yàn)原理，再進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)微課觀摩，進(jìn)一步加深對所學(xué)知識的理解。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容是按照空軍軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)，依托現(xiàn)行的科研“早實(shí)踐”和“本科生導(dǎo)師制”進(jìn)行確定，注重化學(xué)與醫(yī)學(xué)、藥學(xué)的融合、教學(xué)與科研的融合、課內(nèi)與課外的融合，將有機(jī)合成、藥物化學(xué)、藥效學(xué)等相關(guān)學(xué)科的特色綜合于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中。筆者所在化學(xué)制藥學(xué)教研室的科研方向主要有不對稱催化反應(yīng)研究、藥物活性分子的合成及藥效學(xué)篩選等，教師按照對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，將科研課題分解為若干單元，從中選取與實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容密切相關(guān)的單元，設(shè)置為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、創(chuàng)新思維的目標(biāo)，也可使學(xué)生近距離的感受科研氛圍，使醫(yī)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果更加生動。

如教師將承擔(dān)的國家級科研項(xiàng)目“輻射防護(hù)藥物氮氧自由基的設(shè)計(jì)合成及藥效學(xué)研究”建設(shè)成為了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，首先向?qū)W生展示了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的背景：隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，輻射作為一種廣泛存在于自然界的“隱形污染源”，在民用領(lǐng)域嚴(yán)重威脅著人類健康，而氮氧自由基類化合物能夠很好地降低因電離輻射導(dǎo)致的氧化損傷[12]。通過這樣的背景介紹，使學(xué)生對藥物的制備及應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的探索興趣，尤其是拓展了其醫(yī)學(xué)和背景知識（圖1）[13]。在實(shí)驗(yàn)操作部分，著重強(qiáng)調(diào)有機(jī)合成反應(yīng)類型、機(jī)制；合成操作方法則涉及到有機(jī)合成的一系列基本操作，如攪拌、滴液、回流等；化合物的后處理方法涉及到萃取、分液、過濾、旋蒸、柱層析等操作；新化合物的結(jié)構(gòu)鑒定采用1H NMR、13C NMR進(jìn)行，這些操作與其在理論課中學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)密切呼應(yīng)。見表1。

表1 輻射防護(hù)藥物的合成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生學(xué)習(xí)到的知識點(diǎn)

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中與化學(xué)、醫(yī)學(xué)相關(guān)的背景知識介紹

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊與功能

在醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)有該學(xué)科的整體介紹、教學(xué)師資、特色創(chuàng)新、管理平臺、條件保障、資源導(dǎo)航等模塊內(nèi)容，使用者可以管理員、教師或?qū)W生的身份登錄系統(tǒng)。管理員主要是維護(hù)和增添平臺的數(shù)據(jù)庫，使用者可借助局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)或手機(jī)等終端設(shè)備瀏覽器訪問服務(wù)器，完成電子教材閱讀、實(shí)驗(yàn)微課觀摩、實(shí)驗(yàn)操作、練習(xí)與考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交等模塊的學(xué)習(xí)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭載了超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中，可實(shí)時(shí)在線或留言與教師交流，分析處理實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。教師則全方面掌握學(xué)生預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、對問題的解決等學(xué)習(xí)情況，針對學(xué)生薄弱部分進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，實(shí)現(xiàn)“多層次、開放式”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系在醫(yī)用有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用（圖2）。

圖2 “多層次、開放式”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系

2.3 教學(xué)組織模式

在醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，采用超星學(xué)習(xí)通作為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)媒介，建成了實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?、?shí)驗(yàn)原理、操作步驟、注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)處理方法等條目。本教學(xué)組還錄制了配合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)操微課視頻，從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、注意事項(xiàng)等方面逐一進(jìn)行現(xiàn)場講解作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的輔助。在具體的教學(xué)實(shí)施中主要以探究式教學(xué)法為主要模式依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組織進(jìn)行。

①選擇探究的虛擬實(shí)驗(yàn)題目。教師向?qū)W生展示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主題，學(xué)生選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)題目，教師提出需要解決的系列任務(wù)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)有的放矢的查閱文獻(xiàn)和資料，撰寫并提交與實(shí)驗(yàn)主題相關(guān)的小綜述，經(jīng)過學(xué)生自主加工學(xué)習(xí)后，再組織學(xué)生到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)主題相關(guān)的背景知識和實(shí)驗(yàn)原理，為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案提供基礎(chǔ)。②學(xué)生提出初步實(shí)驗(yàn)方案。教師在學(xué)習(xí)通中將選擇同一實(shí)驗(yàn)主題的學(xué)生分至同一組，組織其自行設(shè)計(jì)初步實(shí)驗(yàn)方案，方案中需包含實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器、操作步驟，尤其是提出一些方案中需要討論和解決的問題。學(xué)生將實(shí)驗(yàn)方案和問題提交至學(xué)習(xí)通討論區(qū)。③論證實(shí)驗(yàn)方案的可行性。學(xué)生和教師在學(xué)習(xí)通討論區(qū)對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行集體討論研究，并在課堂選擇學(xué)生代表，以課件講解的形式，匯報(bào)初步實(shí)驗(yàn)方案，指導(dǎo)教

師與學(xué)生進(jìn)行共同論證，包括實(shí)驗(yàn)步驟、合成原料、注意事項(xiàng)等，這些問題需具有一定的普遍性。師生共同完善實(shí)驗(yàn)方案。④完成實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生在充分準(zhǔn)備好預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)方案后，在教師的指導(dǎo)下，以使用者身份登錄進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)期間需詳實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對所記錄的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，撰寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。⑤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)反思。要求學(xué)生在提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和反思，對比虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的異同點(diǎn)，寫出造成方案差異的原因和由此引起的實(shí)驗(yàn)操作或結(jié)果的差別。對于完成情況較好的小組，教師可以讓其分享實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的心得，大家交流討論以及學(xué)習(xí)其好的做法，最后教師再進(jìn)行點(diǎn)評。

3 醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的應(yīng)用調(diào)查

這種依托于虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)及科研課題分解單元所建設(shè)成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，顯示出“虛實(shí)結(jié)合”、教研互補(bǔ)、體現(xiàn)化學(xué)與醫(yī)學(xué)和結(jié)合的特色，使學(xué)生一方面牢固掌握基礎(chǔ)的有機(jī)化學(xué)知識，也使其在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，感受到化學(xué)對醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和發(fā)展的推動作用，對于醫(yī)學(xué)和相關(guān)的有機(jī)化學(xué)原理的理解更加透徹。

通過調(diào)查問卷對空軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院2020級醫(yī)用有機(jī)化學(xué)的本科教學(xué)效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。見表2。結(jié)果顯示，多數(shù)學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)課的自學(xué)能力有了較大程度的提升，如實(shí)驗(yàn)動手操作能力、對化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的興趣、對理論課知識點(diǎn)的理解方面均有較明顯的提升。大部分學(xué)生對于參與科學(xué)研究的興趣有較明顯的提高，如對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度有了一定感受，思考、分析、解決問題的能力有一定的提高，對創(chuàng)新意識和能力有進(jìn)一步的認(rèn)知。該調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，本研究采用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了較好的教學(xué)效果。

表2 與科研結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在《醫(yī)用有機(jī)化學(xué)》教學(xué)中的學(xué)習(xí)效果調(diào)查問卷（325份有效調(diào)查問卷）

4 總結(jié)

培養(yǎng)創(chuàng)新型、綜合素質(zhì)的醫(yī)學(xué)人才，已成為我國新時(shí)期人才培養(yǎng)的迫切需要[14]。醫(yī)用有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置有多個(gè)實(shí)用的功能模塊，與現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練優(yōu)勢互補(bǔ)，強(qiáng)化了化學(xué)與醫(yī)學(xué)和藥學(xué)的聯(lián)系，利于調(diào)動醫(yī)學(xué)生參加創(chuàng)新活動的積極性、主動性，顯著提高了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，對于提升醫(yī)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果起到了積極的促進(jìn)作用[15-16]。