虚拟实验在生药学实验教学中的应用初探

石冬梅，李 鹏，李志军

(福建医科大学药学院，福建福州350108 1.天然药物学系；2.实验中心)

虚拟实验在生药学实验教学中的应用初探

石冬梅1，李 鹏1，李志军2

(福建医科大学药学院，福建福州350108 1.天然药物学系；2.实验中心)

针对生药学实验教学中存在缺乏实时指导、学习积极性差等主要问题，认为应充分发挥虚拟实验在一些重复性且高危和高消耗实验中的应用，提出虚拟实验教学应注意克服弱化实践操作能力的弊端，采取实践操作为主、重复且高消耗实验为辅的方法以提升教学质量。

生药学实验;虚拟实验;教学模式

实验教学是培养大学生具有实践能力和创新能力的重要途径。近年来，随着高校的扩招和学科知识的高速发展，大学实验教学由于设备的缺乏、仪器的更新滞后以及教师教学工作量的陡增使教学的质量呈现下滑的趋势。2012年3月教育部颁布《教育信息化十年规划(2011-2020)》，提出推动信息技术与高等教育深度融合。利用计算机及仿真软件模拟实验环境和过程已被国内多家高校引入医药学实验教学中，对开展高危、高成本的实验、提高实验教学质量及提升学生自主创新的能力具有重大的意义[1-3]。虚拟实验教学可以为学生呈现逼真的实验环境，也为教师开展学科前沿实验技术和探索新的实验教学提供良好的环境[4]。笔者将虚拟教学法引入生药学实验教学中，探索虚拟教学在生药实验中的具体应用。

一、生药学实验教学存在的主要问题

生药学实验是生药学课程的实践环节，其目的是培养学生鉴定药材和对药材进行品质评价的能力[5-6]。我院开设生药学实验32学时，教学内容主要为药材种质鉴定及中成药的鉴定。课堂教学反映学生学习积极性不高，教学效果不够理想等问题。

(一)教学标本缺失影响药材性状的观察

生药性状鉴定主要通过人体的感官如眼看、手摸、鼻闻、口尝等直观的方法对药材的形状、大小、色泽等特征进行辨别。药材标本是性状鉴定的主要研究对象。生药学实验要求熟练掌握的药材约200种，学生实验中经常折断完整药材以了解药材的断面、质地及气味等特征，导致标本破坏受损；同时药材标本在保存的过程中容易霉变和虫蛀，影响鉴别效果。为尽可能保证实验标本的有效使用，我们采取了多种措施，如及时添置标本、正确指导学生使用以降低标本的耗损、改善标本的存放条件等方法，但标本数量还是呈现逐年减少的趋势。药材标本的缺失影响生药性状鉴别的学习，教学效果大打折扣。

(二)教学缺乏实时指导

生药学实验课主要是学生观察和鉴别药材，教师采取巡视的方式帮助学生答疑解惑。教师可观察学生装片技术正确与否，但学生是否看懂药材显微鉴别特征，则无法当场确定。有些学生遇到问题会及时举手示意教师帮助，有些学生则根据讲义或他人之说主观判断鉴别特征，导致出现把黄柏切片中残留木质部类圆形的导管认作黏液细胞的现象。

生药学实验教学班学生数约为27人，课堂上教师经常处于忙碌状态，学生在等待老师指导的同时无所事事，实验学时利用率降低。因此，生药学实验的过程中迫切需要更加有效的实时指导，引导学生高效地完成教学任务。

(三)实验过程趣味性不足

显微镜是生药学实验中使用最多的仪器，每组实验需要观察的显微结构较多，长时间地使用显微镜学生容易眼睛疲劳，出现头晕眼花的现象，导致对实验操作产生排斥的心理。用显微镜寻找各药材的鉴别特征需要细心和耐心，实验过程中无法像有些学科那样可以观察到各种有趣的现象，因此，生药实验课堂教学氛围往往较为沉闷。如何激发学生学习的热情和积极性成为了生药学教师需要积极思考的问题。

二、虚拟实验教学引入生药实验教学的实践和应用

(一)虚拟实验教学的可行性调查

虚拟实验与传统的实验教学在形式上有较大的差别，为了解学生对虚拟实验教学法的认可和接受度，笔者在2015年9—10月对已上过生药学实验的同学进行了一次问卷调查，调查内容包括生药学实验存在的主要问题，对虚拟实验的了解程度以及虚拟实验教学在生药学实验中应用的可行性。结果显示，学生普遍反映生药学实验趣味性较差，显微镜使用舒适度不好；同时对虚拟实验表现出极大的兴趣，认可度高，生药学实验中实施虚拟实验教学法具有较高的可行性。

(二)虚拟实验教学的开展

将带教的两个班级分为试验组和对照组，试验组采用虚拟教学法，对照组按传统的授课方式教学，探索虚拟实验教学在“药材的识别”和“根茎类药材显微鉴别”两个实验的教学效果。(1)实验目的：药材的识别要求熟悉约160种常见药材，掌握48种重要药材的性状鉴别特征；根茎类药材的显微鉴别需熟悉药材粉末装片技术，掌握黄连和大黄的显微鉴别特征。(2)教学时数：药材的识别4学时；根茎类药材计划学时数为3学时。(3)教学过程：试验组观察虚拟药材图片、药材切片，虚拟粉末装片及虚拟镜检；对照组观察药材标本，制作粉末装片，用显微镜观察切片和粉末装片。

(三)教学效果评价

1.教学内容掌握程度。试验组和对照组各随机抽选10名同学，检测识别15种药材标本的正确率，并在根茎类药材的显微鉴别实验中测试黄连根茎横切面中皮层石细胞、中柱鞘纤维和髓部识别的准确率；药材粉末的鉴定主要考核大黄粉末的装片操作以及草酸钙簇晶、网纹导管及淀粉粒检识正确率。通过统计各次检测的正确率，比对试验组和对照组对实验教学内容的掌握程度。随堂检测的10位学生为随机抽取，试验组和对照组检测用15种药材一致，时间均限定为5分钟。检测结果显示，试验组识别正确率为80.0%，对照组识别正确率为68.0%(表1)。

表1 药材识别正确率(%)

根茎类药材的显微鉴别试验组黄连切片识别正确率为83.6%，对照组识别正确率为72.3%；镜检大黄的主要显微鉴别特征，试验组大黄的草酸钙簇晶、网纹导管等鉴别特征检出正确率为88.7%；对照组粉末特征检出正确率为84.9%，低于试验组。从药材的识别和根茎类药材显微鉴别两个实验效果比较可以看出，采用虚拟教学法的学生对实验内容的掌握度要高于常规教学的对照组，学生对药材的鉴别能力显著提升。

2.实验完成效率。根茎类药材的显微鉴别计划学时数为3学时，试验组同学在1学时内均完成相应的教学内容，比计划学时提早2学时完成；对照组大部分同学在2.5～3学时内完成，个别同学完成教学内容超过3学时。试验组同学在完成教学内容后还增加了川芎、莪术和天麻等其它根茎类药材的学习，3学时完成了5种药材的鉴定，不仅延伸了教学内容，而且对根茎类药材的显微鉴别方法掌握更加牢固，在随后的显微鉴别测试显示，试验组检出根茎类药材鉴别特征的熟练度要明显高于对照组。

3.实验的趣味性。生药学实验较为乏味无趣，尤其是药材的显微鉴别，对照组在实验开始时尚能够使用显微镜认真观察切片和装片，但随着实验时间的推移，逐渐出现视疲劳的现象，不时将视野移开显微镜，有同学产生眩晕感，表露出烦躁的情绪，对实验的开展产生较大的影响；通过电脑显示屏观察药材组织结构和粉末显微特征的试验组同学由于视野大、观察方便、姿势轻松，同学间会不时对着显示屏进行探讨，学习兴趣浓厚。在药材的识别中，试验组可以用鼠标随意拖动药材图片，多角度地观察药材性状，鼠标点击图片还能显示相关鉴别特征如皮孔、云锦纹、朱砂点等鉴别术语注释，这些对惯于使用电脑的学生均有较高的吸引力，学习兴趣得到提升。

4.实验指导的实时性。虚拟系统的图片均来源于实物拍摄，与现实药材、显微切片和粉末装片一致，用鼠标点击药材表面或切面显微构造即可显示点击部位的名称，遇到问题不需要等待老师指导，可以加速学习的进程。学生在使用虚拟系统中通过人机互动，反复练习，牢固掌握了实验的要点。虚拟实验能大为缩短教学时数，且药材鉴别的准确率也高于对照组，很大程度上得益于虚拟实验的实时指导。

虚拟实验的实时指导在实验过程中扮演着“教师”的角色，学生在实验中不受教师带教繁忙无暇顾及的局限，学习问题可以得到及时的指正。在虚拟系统进行根茎类药材显微鉴别实验过程中，学生没有了对鉴别特征无法识别等待教师的焦灼感，系统给予的反馈促进了学习的深入，学习的信心得到增强。

5.实践操作能力。药材性状鉴别讲究眼观、手摸、鼻闻和口尝，虚拟实验系统只能提供视觉上的药材表观特征，而药材的轻重、气味则无法感知。虚拟系统中描述药材沉香“气芳香”，学生在真正接触沉香药材后表示，沉香闻起来只是一种淡淡的香味，与想象中的香味有较大的差距。因此，采用虚拟教学存在学生实践能力被弱化的现象。

显微鉴别实验测试大黄粉末装片并镜检主要显微鉴别特征，试验组装片用时5～7分钟，装片中大多有气泡，装片透化程度不够，清晰度低，常见粉末堆积成团，装片质量较差；对照组粉末装片操作熟练，一般在3分钟内完成制片，透化清晰度高，整片质量也较好。比对结果显示，实践操作上，对照组要优于试验组(表2)。试验组借助虚拟软件用鼠标点击制片，学习了装片的程序和注意事项，但没有动手实践操作，看到的装片和真正意义上的动手制作装片还存在较大差异，导致试验组装片的质量和灵活性均不如对照组采用传统教学法的学生。

表2 粉末装片效果

综上所述，虚拟实验教学在生药学实践教学中对药材鉴定的实时指导具有显著的意义，大幅提高了实验学时的利用率，改变生药学实验的枯燥乏味，让实验变得生动、有趣，激发学生的学习兴趣，变“被动”学习为“主动”学习，提高学习效率，使学生对实验教学内容掌握程度有所提升。但是，在虚拟系统指导下的学习会使学生实践能力降低，学生通过图片认识的药材与实际存在差异，实验操作也无法得到锻炼(表3)。

表3 教学效果评价表

三、生药学实验教学的展望

(一)利用虚拟技术扩充实验内容，开展学科前沿高新技术实验

虚拟实验教学模式能够在实验中增加识别药材的种类，减少实验的重复性。比如花类药材的鉴别，实验时数3学时，每种药材均做性状、显微、理化鉴定等观察，一次课通常只能掌握5～7种药材。采用虚拟实验教学，可以选取一种花作为主要观察对象，注意其花冠、雄蕊、雌蕊等的性状特征以及花粉粒、花冠表皮细胞和花柱表皮细胞的显微鉴别点，其它花类药材则可以通过多媒体与之作比较，缩短花类药材的鉴别时间，在有限的实验课时增加药材的识别种类，在开展诸如花类药材质量标准的制订等相关实验时，可使实验内容更加广泛和深入。

利用分子遗传多样性差异来鉴定生药基源的DNA分子标记技术已成为生药鉴定的前沿技术。传统意义上的分子生物学实验耗时、费力、用于购买试剂和仪器的开销较大，课堂上许多必要的试剂、药品对人体有毒害，因此在本科生中开展DNA分子标记技术鉴定药材具有较大的难度[7]。利用虚拟实验系统可以向学生展示分子标记技术鉴定生药的基本原理，熟悉操作方法，让学生掌握新技术在生药鉴定中的应用。而且，虚拟实验系统具有良好的扩展性，便于及时更新实验软件系统，使生药学实验内容紧跟学科发展的方向，适应社会对新型药学人才的需求。

(二)克服虚拟实验的弊端，采用虚实结合的实验模式

虚拟环境的实验教学比传统的教学模式有着更加形象、逼真的优势，在虚拟实验系统中通过人机互动能够及时地纠正学生的各种错误，增强学生学习的信心，调动学生学习的积极性。虚拟实验教学法的实践显示，虚拟教学能有效提高教学效果，提高单位时间的学习效率。但虚拟实验会弱化学生的实践操作能力，不能完全替代传统的实验教学。虚拟实验的过程、实验现象都是软件设计者事先设定好的，现实实验条件稍有变化，实验结果就可能会有显著的差异；虚拟实验中的仪器和药品也是虚拟出来的，只需鼠标点击让仪器运转、药品添加就可以得到预期的实验效果，这与实践操作有着巨大的差异。虚拟实验的优势在某种程度上也可能造成学生在实践操作中形成不爱护仪器设备、缺乏安全防范等意识，不利于严谨科学研究态度的培养。因此，在实验教学过程中应坚持实际操作为主，虚拟实验为辅的原则，将传统实验教学与虚拟教学两者有机的结合起来，一些重复、高危和需要大量经费设备投入的高消耗实验采用虚拟实验教学，虚实结合优势互补，利用虚拟实验系统的灵活扩展性，将学科前沿的实验方法以最快的方式传授给学生，实现培养新型药学人才的目标。

[1]孙铭娟,王梁华,黄才国,等. 分子生物学虚拟实验教学软件的设计与应用探索[J].中国医学技术教育,2011,25(3):283-285.

[2]陈章宝,肖国君,邓 君,等.虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用研究[J].中国教育信息化,2015(10):86-87.

[3]张文英,袁 帅.物理化学虚拟实验教学法的应用[J].当代教育理论与实践,2012,4(6):108-109.

[4]刘向华,德 伟,刘志军,等.医学分子生物学虚拟实验的建立和应用优势[J].西北医学教育,2015,23(2):309-311.

[5]张 雅,王剑波,缪 珊,等.生药学实验教学改革的探讨[J].基础医学教育,2014,14(4):286-288.

[6]张来宾,吕洁丽.生药学实验教学内容和方法改革探讨[J].中国中医药现代远程教育,2015,13(8):85-86.

[7]孙铭娟,王梁华.分子生物学虚拟实验教学软件的设计与应用探索[J] .中国医学教育技术, 2011,25(3):283-285.

(编辑：马川建)

2015-12-28

福建医科大学教改课题(J15018)

石冬梅(1975-)，女，讲师，理学硕士。研究方向：生药学。

G642.0

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1009-4784(2016)04-0040-04