基于虚拟实验的创新药物分析实验教学模式探讨

◆谭穗懿 段文军 刘利红 杨洁 慈薇

作者：谭穗懿，博士，南方医科大学药学院讲师，主要从事抗病毒药物药理研究；段文军、刘利红、杨洁、慈薇，南方医科大学药学院（510515）。

药物分析是药学专业的一门核心课程，其实践性、应用性、综合性很强。实验课是药物分析课程中必不可少的重要环节，对于提高学生的科学素质、培养学生的创新精神与实践能力具有不可替代的重要作用[1]。然而随着现代教育改革的实施，现代科学技术的迅猛发展，人们的教育观念、学习方式都发生深刻的变化。传统的药学分析实验课程受时间、空间、内容、手段等种种因素的限制，面临着严峻的挑战，因此，实验教学的教学内容、教学模式、教学方法亟待创新与完善。

虚拟实验技术是在网络技术、计算机技术、多媒体技术基础上发展产生的一项新的实验技术，它起源于20世纪末，是教育领域应用信息技术的一种创新[2]。虚拟实验主要是在虚拟实验室系统中操作的。虚拟实验室是通过虚拟现实技术实现的一种适于进行虚拟实验的实验系统。其可以是某一现实实验室的真实重现，也可以是虚拟构想出来的实验室。主要组成成分有相应的实验室环境、相关的实验仪器及设备、实验对象和实验信息资源等。通过计算机操作，学生就能够像在实验室中完成实验一样，而且所取得的学习效果并不会比在现实实验室中差。虚拟实验系统能够扩展学生的知识体系，培养学生的动手能力和创新能力，使得教学模式向多元化发展。虚拟实验进一步提升课堂实验教学囊括的新技术含量，实现实验及教学内容的先进化、系统化，从而可使教学质量得以大幅提高。

1 虚拟实验在药物分析实验教学中的应用

1.1 用于实验前的演练

实验预习是非常必要的。学生在没有充分预习并掌握相关实验理论知识和操作技能的前提下，就可能发生无法完成实验、操作错误、损坏实验仪器等现象[3]。对于滴定分析操作，学生可能会忽略一些操作细节，比如滴定管的排气、读数、滴定姿势等，带来对测定结果的影响。而对于利用仪器进行的分析实验，学生往往由于书本抽象生硬的文字说明，而打击预习热情。到了实验场地，由于对仪器的原理、操作等知识的不了解，学生囫囵吞枣或盲目跟从别人进行仪器操作，达不到实验教学的目标。

虚拟实验的直观真实性能大大提升学生的预习积极性，虚拟实验室给学生提供了直接观看实验或者进行操作的机会。这样学生就可以了解实验的目的、操作步骤及结果。在此基础上学生再进行实际操作，就可做到心中有数，更明确实验目的，对一些实验细节和注意事项也是有所准备，实验操作更顺利，实验效率得到提高。

1.2 课堂演示实验

演示实验对理论教学辅助作用良好，所以成为药物分析实验教学中较常用的一种教学手段。枯燥的理论、繁琐的操作步骤、生硬的仪器构造描述通过演示实验变得直观易懂，学生也在这个过程当中更好地掌握了实验的目的及操作要领，充分培养了学生在观察和综合分析上的能力。

例如，在讲授液相色谱法测定药物含量时，利用虚拟实验系统，可以先把液相色谱仪的进样器、色谱柱、检测器、数据输出系统等各部件呈现出来，让学生对仪器的构造有了整体认识，然后通过虚拟实验，把药物含量测定的实验过程与仪器操作展现出来，包括样品的制备、样品进样、样品在色谱柱中的分离、样品的检测和数据的输出。最后，展现出数据分析处理的过程与结果，包括介绍数据的一些参数，如理论板数、分离度、重复性、拖尾因子等，药物含量计算的过程，如内标法、外标法、自身对照法与面积归一化法等。这样学生可以直观地看到液相色谱法测定药物含量的整个操作过程及分析方法。

尤其对于液相色谱法、气相色谱法这些大型贵重仪器的分析方法，贯穿于药物分析各类药物的质量分析中，学生接触这类仪器相对较少，分析理论较复杂，是学习的难点和重点。如果学生一开始就没有把这些仪器测定的原理、操作搞清楚，就会影响到后面章节的学习，打击学生的学习积极性。利用虚拟实验室，使得课堂演示能够实现，教师只需操作电脑，把实验操作调出来即可，解决了一些大型仪器不可随便搬动，不易进行课堂演示等缺点，提高了课堂效率，使理论教学与实验教学有机地融为一体，生动演示模拟实验过程，而非纸上谈兵的空洞教学，加强学生的具体化认知，而且也提高实验操作的趣味性[4]。

1.3 用于实验课实验

在药物分析实验课中，很多高校都存在实验室少、实验仪器短缺和陈旧等问题，往往是2～3人一组做实验，导致学生独立完成实验机会少。高效毛细管电泳、高效液相色谱、气相色谱等一些大型贵重的仪器，学生更是接触得少之又少。这不利于学生继续深造和满足工作的需要，也在一定程度上制约了学生的实践和创新能力。另外，一般实验过程中学生根据教师的讲解与讲义上的操作方法按部就班地进行操作，这种“照方抓药”的模式抑制了学生学习的积极性与创造性。

利用虚拟实验室，第一个好处是在实验前省掉了准备工作，操作简单，可以在单位时间内完成更多实验任务。并且实验效果逼真，每个实验都有具体的实验要求与目的，学生按指导书的步骤来进行，在实验过程中记录数据、现象，完成报告，进行误差分析，可以实现“一人一机”的独立操作。

1.4 用于课外实验

课外实验为课内实验的有效补充。受药物分析实验课有限学时的制约，不一定所有的分析方法、分析仪器都能安排在课堂上进行实践教学，因此，一些有一定难度，需要学生参考课外资料才能完成的实验，或者由于耗时较长、试剂不容易购买、贵重仪器、操作过程有一定危险性等难以在普通实验室开展的实验，可以选作为课外实验，利用虚拟实验系统进行操作。这样拓展了课本内容，加深学生对理论知识的理解，拓展了学生知识面，优化实验效果。

1.5 用于设计性实验

设计性实验一般指给定实验目的、要求，由学生自行设计实验方案、选择实验仪器和试剂并完成的实验。在设计性实验中，以学生为主导的教学模式得到充分体现，这样使得学生更好地掌握实验原理及操作方法，更全面了解仪器设备的工作原理并正确地操作仪器，使得学生思考问题、分析问题和解决问题的能力得到加强。虚拟实验室的优点使学生开展设计性实验的可行性进一步提高。

2 虚拟实验在药物分析实验教学中发挥的积极作用

2.1 优化实验过程，激发学生学习兴趣

传统的教学方法是教师讲授内容步骤，学生完成实验。这样就不可避免地出现学生直接按照实验讲义“照方抓药”进行操作的现象。实验中缺乏演示，不能提高学生对实验的感官认识，不能激发学生对实验的热情。而虚拟实验良好的互动性，使枯燥无味的实验操作变得形象生动，便于记忆与掌握，将学生的眼、耳、手、脑等感官充分调动应用。

2.2 增加实验的成功率

虚拟实验室可反复操作的优点，使得学生可无限制地重复操作实验，这样学生在掌握正确操作方法之后，再进行真实的实验，就可大幅度提升实验的成功率，对于在现实操作中存在各种危险及有一定难度的实验，其操作性和成功率得到大大的提升。

2.3 成本低，效率高

药物分析实验教学中，由于实验课时数或实验仪器的资源有限，实验材料不够，只能使用多人同组的方式。本科实验大半都安排了滴定分析与紫外分析，对于液相、液质联用的贵重分析仪器，学生一般很少接触到。在虚拟实验里，“软件即仪器”，弥补了实验仪器的不充足。因实验经费不足，一些精密设备没有购买，无法展开实验，原材料、仪器损坏、元件丢失也导致实验费用增高，影响实验的进行。但是虚拟实验就很好地解决了这些问题，没有耗材上的投资，通过反复实验，学生可以在实验前初步了解实验原理和实验方法，熟悉实验操作步骤及注意事项，提高了实验成功率，同时也减轻了教师的工作量，减少了实验耗材[5]。在实验内容上也可以有很大的改进空间。可以在现有开展经典的药物质量分析的基础上，选用一些日常使用的药物进行分析，如“板蓝根”等，这样能使实验贴近生活，学生会对自己经常接触的药物产生兴趣，加深学生对实验内容的理解和掌握。虚拟实验技术还可以提供一些平时学生很少接触到的实验，比如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定中药中重金属的含量，LC-MS检测川楝子中的川楝素，特征谱图和指纹图谱技术用于中药质量控制等。

2.4 拓展学生知识广度

在虚拟实验室中，学生的实验时间、地点没有限制，而且在实验内容上，一部分学有余力的学生能够根据自己的需要拓展课程内容的广度和深度，开阔视野，在完成正常的教学安排实验后，可进行一些创造性、开发性的实验研究。

《中国药典》2010年版中现代医药的分析方法与技术方面均增加明显，因此，教学内容也应该跟上进度，把一些药物分析研究方面的热点及药典中的新内容添加到实验项目中，如增加高效液相色谱法、气相色谱法、核磁共振波谱法等新方法来分析实验内容。学生在这个过程中了解了学科前沿知识，拓宽了知识广度，创新意识和科研能力都因此被培养起来。

2.5 适用于不同层次的药物分析教学

虚拟实验教学可以本着以学生为主体，教师为主导的远程教育基本思想，为学生提供自主、交互的学习环境，学生可以在任何时间任何地方选择进入实验，让他们运用基本的理论知识亲自实践、自我评价，充分体现学生在远程实验教学中的主体作用。其强大数据库，让不同文化层次、阅历的学习者进行学习，因材施教不同文化背景的学生。

3 虚拟实验在药物分析实验教学中开展应注意的问题

虚拟实验虽然可以弥补真实实验的诸多不足，为学生、教师提供了良好的学习环境，但事物都具有两面性。虚拟实验在替代真实实验中虽然起到了很大作用，但不能完全替代。学生在虚拟实验中对基本技能训练的重视可能被淡化，导致掌握仪器操作方面不规范，面对突发事件时缺乏应对经验，实验教学失去其艺术性。

3.1 弱化了实验操作的作用

药物分析是以实验为基础的学科，只有亲力亲为去操作，才能真正掌握知识要领、领悟科学方法、发现科学真理，从而树立起科学的价值观。如果教学中把大量的实验用虚拟实验替代，学生就只知道操作键盘鼠标，而忽略了实验操作的精髓，导致学生可能认为实验是可有可无的，弱化了实验在培养学生实践性、创造性过程中的重要作用，学生的动手能力得不到锻炼与提高，违背了实验教学的初衷。

3.2 减少了师生之间的互动，忽略了教师的指导地位

虚拟实验实现的是人机的交流，但减少了师生之间的互动。由于进行虚拟实验的灵活性，实验内容和地点等都没有限制，所以学生能结合自己的实际情况随时随地展开实验。但是，由于教师的引导作用没有在这个过程中体现，学生操作时出现的问题无法及时反馈给教师，教师也无法实时掌握实验情况和发现教学问题，因此难以针对不同学生个体因材施教，师生情感交流减弱。

3.3 实验过程理想化，学生不能创新

由于虚拟实验只依靠计算机来进行操作，实验的过程都是安装预先设定好的程序运行，所以虚拟实验的结果都是一样的，一些小概率事件不会在结果中发生，实验结果看起来没有漏洞，有也只是计算机死机等程序错误出现。这样就不利于学生掌握真正的操作技能，忽视了科学的严谨性，学生发现问题、解决问题的实际能力减弱了，创新意识及创新思维也被抹杀，在实验过程中缺乏分析和思考，只是一味按照步骤来，没办法在实验中发现新问题，达不到实验教学的预期效果。由于实验中的仪器都是电脑中的“图画”，这样就减少了学生排除故障和对实验仪器常规检修的机会。而且虚拟实验是一人一机进行操作，无法培养学生的团队精神。

3.4 要加强教师综合素质

虚拟实验教学在药物分析实验课程中的应用还处在起步阶段。课件制作需要大量人力、物力、财力帮助，分工协作。同时知识和技术更新迅速，教师只有不断地学习，才能使自己保持竞争力。目前大多数药物分析教师还未能把虚拟实验教学真正应用于日常教学中，不能与专业的软件工程技术人员合作，设计出适用于各层次的药物分析实验教学的虚拟实验系统，因此无法体现虚拟实验室在药物分析实验教学中的作用。多媒体实验软件的制作需要药学教师加强计算机方面的技能，开发具有实际应用性的教学软件。

4 结语

在实验教学中，要合理适当地改变实验形式，对实验内容做一些调整，采用一些现代辅助技术来开展多样化教学，只有这样，才能在实验中激发学生学习的热情，从而提高药物分析的实验教学效果，在保证教师主导作用的同时，体现出学生的主体性。虚拟教学将运用新的技术不断克服其局限性，达到与传统教学的良好兼容。虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，将在药物分析实验教学中发挥其最大优势。

[1]刘瑞华,李琳,朱元元.药物分析实验教学的思考和建议[J].实验室科学,2011(2):60-63.

[2]叶步伟,马德俊.虚拟实验技术及其在远程教育当中的应用[J].继续教育研究,2011(6):79-82.

[3]方芳,马涛,张志涛,等.药物分析实验教学的探索与思考[J].基础医学教育,2012(2):122-124.

[4]刘爱东,王箐,田琳,任伟.虚拟实验在机能学实验教学中的应用与体会[J].西北医学教育,2012(1):88-90.

[5]马利华.虚拟现实技术在药学实验教学中的应用研究[J].实验教学,2010(12):99-100.