虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用研究

陈章宝　肖国君　邓君　罗红丽

摘 要：虚拟仿真实验教学是采用多媒体、数据库以及网络通讯等多种技术，构建一个逼真可视化的虚拟现实环境开展实验操作，达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，在实验项目认知操作预习、实验能力拓展训练、实验操作技能训练培养、药物工业化生产制备的仿真训练等学生创新能力的培养教学过程中发挥重要作用。

关键词： 虚拟仿真； 实验教学

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2015）10-0086-02

实验教学是理论教学的一种延续，是让学生对课堂上所学知识进行消化和吸收的过程。实验过程是一个学习、培养及探索的过程，通过实验，能有效地训练学生的实验技能，培养学生观察能力、实践能力、创新精神和创新能力[1]。对于药学实验教学中部分不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目等部分真实实验难以实现的实验操作，虚拟仿真实验教学则能有效利用信息技术模拟真实实验环境实现部分真实实验难以完成的教学功能。

虚拟仿真实验教学是综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术，通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[2]。虚拟仿真实验教学具有明显优势，并对传统实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生了颠覆性影响，学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作，可以加深对实验原理及操作步骤的理解，还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验，为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供保障。

西南大学药学实验教学中心秉持“实践创新，能力至上”的实验教学理念，在强化真实实验建设的前提下，针对部分高成本和高消耗、实验条件难以实现、所需投入和运行费用巨大等真实实验难以实现的部分实验操作，按照“能力培养，虚实结合、以虚补实、以实为主”的原则，开发构建了药物制备工程虚拟仿真实验模块、药理生理学虚拟仿真实验模块、体内药物分析虚拟仿真实验模块和药物分子虚拟筛选实验模块等共计103个虚拟仿真实验项目。

虚拟仿真实验教学能有效利用信息技术模拟真实实验环境实现部分真实实验难以完成的教学功能，中心将真实实验和虚拟仿真实验建设贯穿于实验教学始终，实现虚实结合，相互补充，以培养学生创新实践能力。

一、实验项目的认知、实验操作的预习

虚拟仿真实验的操作可实现学生对实验项目的认知、实验操作的预习，更好地理解掌握每一个实验项目的目的、实验原理和详细的实验操作步骤，以保证学生在开展真实实验的过程中能更好地注意操作的规范性，实验后可以通过操作虚拟实验项目进行复习巩固，从而强化实验教学效果，为实验能力的培养提供更好的平台。

中心教师采用图、文、声及活动影像4 种功能兼备的实验教学工具自主设计建设的分子生物学虚拟操作实验模块，将复杂抽象的PCR 扩增、克隆、Southern印迹杂交、酶切与连接、转化实验、质粒小量碱法提取实验等实验原理简化为直观可视的动画形式，学生可以按照提示将课堂上不好演示的实验过程模拟出来，使学生得到更多的模拟、重复的操作机会，弥补传统多媒体教学的不足，在教学中显示出极大的优越性，提高学生学习的兴趣，加深对知识的理解。

学生利用实验动物（小鼠或蛙）开展生理学、药理学、毒理学等实验操作，但常常由于实验操作不熟练，导致实验不能顺利完成或达不到预期实验效果，中心建设的药理生理学虚拟仿真实验模块，能让学生通过虚拟实验完成操作实训，提高真实实验效果。

发酵工程实验涉及菌种选育、培养基优化、发酵罐使用及发酵实验等内容，其中发酵过程优化与放大是发酵工程实验的核心内容，发酵工程虚拟仿真实验以聚苹果酸发酵生产工艺为原型，利用动态模型实时模拟真实工艺反应装置现象和过程，通过仿真工艺反应装置进行互动操作，产生和真实工艺处理一致的结果，每个学生通过操作本虚拟仿真模块能够充分理解聚苹果酸生产工艺流程，通过设置不同运行参数，观察工艺反应现象，进行开停车操作及排除各种设备故障或工艺扰动的操作，同时对于操作过程和结果进行客观的考核和评定。

二、实验操作技能的训练及培养

对一些操作难度大、仅凭教师做示范学生不易掌握操作方法的实验，虚拟实验操作具有很好的直观性、反复性训练的作用。如生理学实验中的减压神经放电（神经的分离和分辨是难点）、膈神经放电记录（找出膈神经是难点）、大脑皮层放电记录（其中的开颅手术不易操作和掌握）等实验都是电生理实验中的重点和难点，学生通过中心建立的生理学虚拟实验项目反复操作训练，极大地提高在真实实验中的实验操作能力，既能节约实验动物又能很好地掌握所需的实验操作技能。

大型分析仪器由于设备台套数、运行费用等限制了学生的操作使用，中心购买建设的大型分析仪器虚拟仿真操作软件采用计算机虚拟仿真技术开发的具备机理模型，以真实实验数据库作为支撑，仿真操作过程与真实仪器操作过程极其相似，仿真结果与真实系统结果非常接近，能够满足学生日常操作实训、常规考核以及技能大赛等各种需求，学生通过虚拟仿真操作训练，培养学生对大型分析仪器的结构、原理等有更深入的认知理解，提高操作仪器设备的能力。

三、实验能力的拓展训练

知识更新速度越来越快，学生需要学习掌握的知识与能力也越来越多，但由于受到课程学时的限制，特别是部分真实实验操作需要一定的实验条件，限制了学生的操作学习，虚拟实验项目可以设计涵盖范围非常广的实验内容和实验操作训练[3]。如生理学真实实验不可能开出所有系统、器官的实验内容，以及中心因课程学时的限制，药理学只开设了12个实验，人体解剖生理学只开设了6个实验，中心购买建设的药理生理学虚拟实验项目可弥补这一不足，该项目涵盖了19个虚拟实验项目，药理学涵盖了29个虚拟实验项目，学生可通过操作未开设的虚拟实验项目拓展知识与操作能力，还可通过到中心开放实验室根据虚拟实验项目设计真实实验并操作这些实验，实现真实与虚拟实验的结合，更加全面的、系统的掌握生理学实验和药理学实验技能和基本操作方法。

四、药物工业化生产制备的仿真训练

药物制剂虚拟仿真实验采用计算机虚拟仿真技术，涵盖GMP标准下的药物颗粒制剂生产、片剂生产、胶囊剂生产、水针剂生产以及卫生水系统、空调空压设备等，不仅具有3D形象生动、操作性强、使用便利等特点，而且对许多复杂设备、间歇性生产控制、GMP质量管理等进行了三维立体的场景仿真，具备一定的智能化反应能力。药物制备GMP实训仿真系统可以实现学生在学校就能反复操作训练，全面了解药物制备GMP车间的工艺布局、原料药物及不同制剂药物的生产要求、生产设备组成及洁净度要求等，让学生在进入医药企业开展生产实习前能熟练掌握药物制备GMP认证要求及生产操作训练，保证学生在生产实习时能快速适应、掌握药物制备的能力，更好地培养学生的实践能力。

五、培养学生的创新设计能力

药物开发过程中的药物人工筛选存在前期经费投入大及鉴定周期长等弊端，开设药物筛选学生实验基本上不可能，随着基因组学、蛋白组学、分子生物学和结构生物学的发展，各种疾病的发病机理和分子机制研究越来越透彻，对于疾病中的关键调控因子（如激酶）的研究也越来越透彻，用计算机模拟的方法设计或者筛选出具有潜在结合功能的药物，并辅以实验验证等方法，得到候选药物。中心建设的药物分子虚拟筛选模块转化成供学生操作实训的虚拟仿真平台，实现真实实验难以开展的药物筛选的操作实训，培养学生创新实践能力。

六、实验自测与考核评价

多数虚拟仿真实验模块均有仿真考试模块，学生可以开展虚拟仿真进行自我测试，提交答案后系统对学生作答进行自动评阅、正误判断、给出得分及正确率，教师还可以对系统评阅进行纠误，在说明理由后可以重新给分，系统给出学生的最终成绩，在实验教学中实现技能操作的仿真考核，便于教师直观、省时、高效率的观察到学生的实训效果[4]。

参考文献：

[1]苏旭霞，刘素楠，管立新.开展虚拟仿真实验促进实验教学改革[J].科技广场，2008（3）：252-254.

[2]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.

[3]门秀丽，赵利军，孔小燕等.虚拟仿真实验系统在病理生理学教学中的应用[J].基础医学教育，2013，15（2）：148-149.

[4]邵英杰.浅析虚拟仿真技术在护理技术教学中的应用[J].现代教育技术，2012，30（6）：36-37. （编辑：鲁利瑞）