远程药物分析虚拟实验教学探索

马 丽，姚彤炜，余露山，吴永江，汪建元

（1.浙江大学 药学院，浙江 杭州 310058；2.浙江大学 远程教育学院，浙江 杭州 310058）

实验是获得感性知识和材料的基本途径，也是形成、发展和检验自然科学的基础［1］。“药物分析”是药学研究领域中的“眼睛”科学，是药学专业教学计划中设置的一门主要专业课程。其实验技术是药学各分支学科，如药物化学、药剂学和临床药理学等学科的实验手段和技术方法［2－3］，在药物分析课程教学中占有重要地位。远程教育过程中，由于学生分散，地理分布广，难以统一组织实验教学，这已经成为制约远程教育教学质量的一个重要因素［4］。因此，为弥补远程教学的这一缺陷，同时也为更好地激发学生的学习兴趣，提高学生学习主动性，针对药物分析课程内容，我们建立了网上虚拟实验室，设计了3组不同层次的实验，探索适合远程学生实验教学的解决方案。

1 虚拟实验室的设计与建设目标

1.1 实验教学相关资料

按照真实药物分析课程实验教学要求，编写实验教学大纲、实验室安全卫生制度、实验课目的要求、药物分析实验中常用专业术语与规定、常用标准溶液的配制与标定、药品质量标准分析方法验证，以及实验教材。

1.2 教学内容与方法

实验内容分为验证性实验和设计性实验。选择典型的药物分析实验内容作为验证性实验，包括容量分析基本操作、药物的鉴别试验、药物的一般杂质检查、气相色谱法测定药物中有机溶剂残留量、有关物质的色谱检查、氧瓶燃烧法测定含碘药物的含量、阿司匹林含量测定、对乙酰氨基酚片的含量测定、维生素C制剂的含量测定、有机含氮物质的含氮量测定等。设计性实验包括药物的鉴别、区别试验，药物的特殊杂质检查设计、药物的含量测定设计等。

采用示教、虚拟实验仿真操作、理论设计3种教学方法，结合实验作业，完成网上虚拟实验教学。

1.3 目标要求

拍摄制作6～7个实验示教视频，5～6个仿真实验，不同难度的4～5个设计性实验。强调药物分析实验规范化操作的重要性，熟悉常规药物分析实验内容和操作方法，培养创新思维能力，使学生进入虚拟实验室通过观看真实的实验视频演示，强化理论与实践的联系。在理论知识指导下完成相关的仿真实验操作，在此基础上进行设计性实验练习。使学习遵循由浅入深（观看→动手操作→自行设计实验方案），由感性到理性，又由理性回到实践的认知规律。

2 示教视频剧本编写

实验示教视频的应用不仅摆脱了传统的时间、空间和人数上的限制，解决了教学资源不足的问题，同时实现了资源共享，使远程的学生能够直观、立体、动态地掌握典型实验案例［5－6］。通过示教视频全方位地培养学生除了掌握理论知识外，发现问题、处理问题的能力，激发学生学习兴趣。

示教视频实验内容有容量分析基本操作、氯化物比浊检查、炽灼残渣与重金属检查、砷盐检查、氧瓶燃烧法、凯氏定氮测定等。后期剪辑制作时进行同步配音和字幕显示，将实验原理、基本操作要领、注意事项等穿插在实验演示过程中，并编写相应的作业题，学生在观看视频后完成有关作业内容。

2.1 基本操作实验

基本操作实验包含分析天平、容量仪器、滴定管使用操作及注意事项。根据课程特点，以上3种仪器是药物定量分析工作最常用的仪器，其使用的准确与否对分析结果有重大影响，因此录制这些基础训练内容，以提高学生对这些仪器的正确使用与日常维护能力。

2.2 一般杂质检查

一般杂质检查是药物分析教学的重要内容之一。在示教视频实验教学中，我们选择了代表性的一般杂质，例如氯化物、重金属、砷盐的检查作为主要教学内容进行介绍。

（1）氯化物检查。以葡萄糖为例：介绍比色管的选择、洗涤和使用；不同量器的正确选用与操作；比浊测定方法。通过观看该实验，使学生掌握比色管的使用操作、比浊测定方法、氯化物检查原理与实验注意事项、一般杂质限度试验的概念及杂质限量计算方法。

（2）重金属与炽灼残渣检查。中国药典收载3种重金属检查方法，其中第一、二种方法适合于大多数药物的分析，2种方法的检查原理相同，只是前处理方法不同。在实际样品分析中，很多药物均采用取炽灼残渣检查后的残留物进行重金属检查。在示教视频中，我们结合炽灼残渣和重金属检查设计了示教实验，介绍了炽灼残渣检查方法与操作要领、第二法重金属检查原理与操作方法、标准铅溶液取用量的计算和标准铅对照溶液的制备、比色操作及注意事项等。

（3）砷盐检查。中国药典收载2种方法，第一法为古蔡氏法，第二法为二乙基二硫代氨基甲酸银法（Ag－DDC法）［7］。2种方法在实验装置、比色方法、显色试剂等方面存在差异。第二法的实验装置易损坏，试剂配制后需要稳定2周方可使用，但其可以定量测定，灵敏度和稳定性均略高于第一法。作为常规的药物中砷盐检查以及学生实验教学，多采用古蔡氏法，而Ag－DDC法在新药砷盐检查方法和限度确定中更具优势。为使学生充分了解2种方法的测定原理、实验装置、结果判别的异同点，设计安排了2种测定方法的实验视频。

2.3 氧瓶燃烧法

氧瓶燃烧法是一种有机破坏方法，主要用于分子中含有卤素或硫等元素的有机药物的分析，通过氧瓶燃烧法破坏后，使有机结合的卤素或硫等转换成无机的元素，再采用适宜的方法测定卤素或硫等元素，从而对含这些元素的药物进行鉴别、检查或含量测定。随着高效液相色谱法在药物含量测定中的普及应用，目前氧瓶燃烧法主要用于某些含卤素药物的鉴别和有效性实验。同时在学生实验教学中也因实验安全性、燃烧瓶装置费用等原因，较少开设这类实验。为使学生熟悉氧瓶燃烧法这一有效的样品前处理方法，我们设计了氧瓶燃烧破坏－碘量法测定有机含碘药物的示教视频，将测定原理、仪器装置、化学计量关系与含量计算等融于其中。

2.4 凯氏定氮法测定含氮药物

本法目前在化学药物的分析中实际应用已不多，主要在生物药物分析中、食品分析中有应用，而且也有自动化仪器出售。但采用经典的测定方法，可以将该方法的原理、每一步操作意义、注意问题等全面细致地告诉学生。通过视频教学，可以更直观地使学生对该方法的优缺点有一个全面的认识。该方法既是有机破坏的方法，同时又是一种含量测定方法，但其测定的是一类物质（含氮物质）的总量，这对于结构不确定、多组分的复杂样品，如蛋白质、生物碱类等物质的测定是一种可以选择的定量方法，但同时也可以发现该法的专属性差，难以区别混在其中的非法添加物。

2.5 气相色谱法测定有机残留溶剂

药物中残留溶剂的测定一般采用气相色谱法，我们设计了一个现场实验教学情境，有教师讲课与提问、学生回答问题，以及学生进行分析天平称量、测定溶液配制、气相色谱仪操作等过程。学生通过观看视频犹如亲临其境。

3 虚拟实验内容与动画制作要求

虚拟实验是以计算机为基础的虚拟现实技术的应用研究，建立在一个虚拟的实验环境之上。虚拟实验注重的是实验操作交互性和实验结果仿真性，与传统实验相比具有特有的优点：

（1）仿真性。能够如实地体现实验过程的每一个步骤。

（2）可控性。学生能够自行进行实验操作、参数设置并对实验数据进行分析。

（3）灵活性。学生可以根据自己的需求及时间，随机安排实验［8－9］。

3.1 虚拟实验内容设计

（1）鉴别实验。分为一般鉴别实验和专属鉴别实验，以苯巴比妥为例。苯巴比妥的结构特征是存在互变异构现象，有环丙二酰脲的内酰胺（酮式）和内酰亚胺（烯醇式）结构共存，通过银盐和铜盐反应，说明母核丙二酰脲结构的一般反应。通过与硫酸和亚硝酸钠反应，说明取代基苯环的专属反应。

（2）杂质检查。分为一般杂质检查和特殊杂质检查。一般杂质检查以葡萄糖分析为例，选择了有代表性的氯化物、铁盐、重金属检查，通过对照品与供试品之间的比浊、比色说明药物中这些杂质含量是否符合药典规定。其中重金属检查，选择了中国药典第一法进行测定，与示教视频的第二法区别开来，更有利于学生对2种方法的同时掌握。特殊杂质检查以盐酸丁卡因中有关物质的检查为例，设计了简便、实用的薄层色谱（TLC）实验，通过供试品溶液杂质斑点的颜色不得深于对照品对丁氨基苯甲酸主斑点颜色来判定盐酸丁卡因有关物质是否符合药典规定。

（3）含量测定。包括酸碱滴定法、碘量法和紫外光谱法，分别测定阿司匹林原料、维生素C注射液和对乙酰氨基酚片的含量。通过阿司匹林原料的酸碱滴定法实验，熟悉常用酸碱指示剂的变色原理和选择原则；通过维生素C注射液的碘量法实验，掌握常用辅料对制剂含量测定的影响和排除方法；通过对乙酰氨基酚片的紫外光谱法测定，掌握片剂的取样量、标示量的计算和紫外分光光度计的操作。

3.2 动画制作要求

每个实验项下包括实验指导书（讲义）、目的要求、仪器药品、实验方法、思考题。学生点击进入网上虚拟实验室，从实验目录中选择实验内容，阅读实验指导书，点击进入下一步，了解实验相关信息，按照提示点击实验方法，选择其中一个实验内容，进入实验操作。首先选择所需仪器、试药，然后进入仿真实验操作。实验过程中系统用画外音提示操作错误或下一步操作。在不知道怎么操作的情况下，也可连续按“下一步”，观看实验演示过程。

根据以上要求编写动画制作脚本，拍摄实验仪器实物照片供动画制作模拟。用flash软件制作实验动画，通过多次演示、修改，接近于真实实验过程，达到仿真目的。

4 虚拟实验教学方案的实施

4.1 分层次实验教学

药物分析实验教学由浅入深，设计了3个层次的实验环节，以达到基本技能训练和培养学生创新能力的教学目的。

第一环节是让学生观看实验视频，通过同步配音和字幕显示，将实验原理、基本操作要领、注意事项等穿插在实验演示过程中。学生可以观看教师亲自演示的实验视频，同时有电子版教材可供学生阅读，并有相应的作业题。学生在观看视频后需完成有关作业内容。通过以上示教实验，让远程学生体验药物分析实验氛围，加深对理论知识的理解，为第二环节实验打下基础。

第二环节是让学生进行网上虚拟实验，对照电子版实验教材中的实验内容，选择所需仪器、试药，准备好电子版实验报告纸，进入仿真实验操作。实验过程中，系统用画外音或屏幕文字提示操作错误或下一步操作，要求及时在电子版报告纸上记录实验结果和现象。完成整个实验后，在电子版报告纸上写出实验报告。该环节让网络学生最大限度地接近真实实验环境进行实验操作。

第三环节是进行设计性实验活动，通过前2个环节的学习，学生对药物分析实验有了一定基础后，要求学生有所创新和提高。课程设置了不同难度的设计性实验内容，学生根据设计性实验题目要求，结合理论课学习内容，查阅有关资料自行设计实验方法，包括方法原理、所需试药与主要仪器、操作过程、结果计算或判断。

4.2 实验作业与考核

实验作业每学期布置2～3次。第1次为示教实验，学生通过观看网上实验视频回答相应问题，并上传至学习平台；第2次为虚拟实验操作，学生通过虚拟操作实验记录实验数据，完成虚拟实验后的实验报告，在线提交，并完成实验作业上传至学习平台；第3次为设计性实验，学生通过课程复习、文献查阅设计实验方案，并上传至学习平台，由辅导教师批改。以上实验取2次成绩记入平时成绩。

5 成果应用与辐射

计算机应用技术、多媒体技术和网络技术在远程教育中的应用，促进了现代远程教育的快速发展，使得当前远程学生能够更直观、更生动地掌握实验技能［10］。虚拟实验室建成以来，我们一直将其作为远程药物分析课程教学的重要组成内容加以实施，受到学生的普遍欢迎，效果良好。真实的实验视频和形象生动的动画实验，增加了学习的趣味性，促进了学生对理论知识的理解，提高了学生的学习积极性。通过3个环节的训练，学生由观摩→体验性学习→亲自动手实验→自行设计实验，全方位地得到了锻炼和提高。同时学生可在同一难度的多个实验中自由选择规定量的实验个数或学时，在达到教学目的的前提下体现个性化教学，以适合不同工作背景的学生学习。实验成绩作为平时成绩的一部分，从而促进学生完成实验教学学习任务。

该研究成果在远程精品课程网上供国内各院校共享，受到国内同行好评。仿真实验不仅对远程学生的学习有很大的促进作用，对全日制本科生也很有帮助。学生通过虚拟网上观摩练习，再进行实际操作，更利于实验技能的提高。事实上这些教学视频就是教师上课时的课堂讲解加示范操作，对于新教师指导实验课也起到了很好的指导和参考作用。实验视频经适当修改已作为《药物分析实验教程》的配套光盘由浙江大学出版社出版，应用于国内部分医药院校的实验教学。

（References）

［1］彭波，张福义，刘志.基于Internet的远程实验教学系统［J］.实验技术与管理，2007，24（9）：97－101.

［2］姚彤炜，余露山，蒋惠娣.自主性实验实践活动培养学生综合能力［J］.医学教育探索，2007，6（10）：892－894.

［3］马丽，余露山，姚彤炜.以能力培养为导向的药物分析综合设计性实验的设置与实践［J］.教育教学论坛，2012（42）：75－78.

［4］杨建良.基于Web的远程教育网络在线虚拟实验室的设计［J］.实验室研究与探索，2011，30（3）：87－90.

［5］耿建民.基于课堂教学的多媒体课件设计研究［J］.中国电化教育，2011（6）：85－88.

［6］郭瑞华，李慧琴，郝喜红，等.多媒体技术在课堂教学中的实践与体会［J］.长春理工大学学报，2011，6（1）：182－183.

［7］国家药典委员会.中华人民共和国药典第二部［M］.北京：中国医药科技出版社，2010.

［8］赵俊兰.基于网络技术虚拟实验的研究［J］.实验技术与管理，2011，28（3）：220－227.

［9］梁亦龙，卢利平，范欢，等.虚拟实验在生物化学实验教学中的运用［J］.实验室科学，2012，15（2）：45－47.

［10］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.