药理学虚拟实验室建设的必要性及应用前景分析

左代英, 夏明钰, 金鑫鑫, 纪雪飞, 温慧敏, 李 彦, 张怡轩

（沈阳药科大学 生命科学与生物制药学院，辽宁 沈阳，110016）

随着电子信息技术的不断发展，传统教育体系受到了一定的冲击，传统实验教学方式已逐渐显示出其不足之处，特别是针对药理学这门课程，很多实验受实验条件、实验经费、实验周期等因素的限制，使其在本科实验教学中顺利开展受到了一定的限制，这在一定程度上影响了创新型和复合型人才的培养。因此，推动虚拟仿真实验室建设，利用各种先进的信息化技术，弥补传统的教学方式的不足、进一步提高教学质量，已成为药理学实验教学发展的必然趋势[1]。虚拟仿真实验可以将先进的信息技术与药理学实验深度融合，使学生对药理学实验有更深入和全面的理解。目前，我校药理学虚拟实验室的建设正处于起步阶段，探讨其建设的必要性，并探索其有效的建设方案，将有利于更好地推动我校药理学实验教学的改革与创新。

1 我校药理学实验教学现状

我校药理学实验是面向全校各专业开设的实验课程，按照本科教学培养方案，基础药学基地班的药理学实验课学时为 64 学时，药学专业（包括药学英语、药学日语等）为 48 学时，其他专业为 32 学时。目前针对已开设的实验课程，药理学实验中心具有良好的实验设备和配套的教学体系，实验教学队伍经验丰富，学生动手操作能力经过一段时间的训练后普遍较好。然而，随着药理学相关实验技术和科学研究的快速发展，现有实验条件已不能完全满足我校创新型和复合型人才培养的需求。

2 传统药理学实验教学方式的不足

目前传统药理学实验虽然有其一定的优势，但也存在一些问题，主要包括：（1）一些耗时较长的实验无法在规定的学时内完成，如抗癌药物的药效学研究，实验所需时间较长，需要连续观察并记录主要数据指标的变化，对学习任务繁重的本科生来说难以实现，影响了学生的学习热情。（2）一些实验需要特殊的试剂，如毒麻药品受到国家管制，审批手续繁琐，有些试剂可能致癌、致畸或致突变，学生独立操作具有潜在的危险性，需要有专业的人员指导并在专业的场地进行才可以，在普通实验室开展难度较大；（3）某些贵重仪器如小动物活体成像系统、PCR仪等，由于数量有限或维护成本较高，难以实现每个学生亲自动手操作；（4）由于学生人数较多，很多药理实验需要消耗大量实验动物，不符合动物伦理学要求；（5）一些综合性实验手术操作难度大，需要反复练习才能较好地完成，学生不可能在短时间内熟练掌握；（6）一些综合性实验可能涉及病理生理学、生理学、药理学等跨学科复杂问题的分析与讨论，现实中难于实现。总之，上述问题的存在严重制约了药理学实验教学质量的进一步提高。基于以上原因，我们急需能够节约成本、激发学生学习兴趣并提高学生综合运用能力的解决方案，因此，建立药理学虚拟仿真实验室势在必行。

3 药理学虚拟仿真实验开设的必要性

目前，虚拟仿真技术在高等教育的各个学科已经逐渐开始应用[2-4]。构建药理学虚拟实验教学中心是现阶段我校药理学实验室建设的关键环节。虚拟仿真实验教学并非完全意义上的虚拟，通常是将虚拟实验、仿真实验和真实实验有机地结合起来，这种虚实结合的教学形式能更好地激发学生的学习主动性，有效提升实验教学质量[5]。在传统药理学实验的各种实验技术和实验经验的基础之上，虚拟仿真实验作为有益的补充是十分必要的。尤其是一些新技术在药理学上的应用，虚拟实验可以突破一些问题如实验经费、周期、安全性、伦理学等的限制，学生可以在有效的学习时间里接触更多更先进的实验内容，这将大大增强学生学习的主动性和积极性，有效提升学生的学习效率和质量[6]。

虚拟仿真实验还能促进药理学实验教学方法的改革，一定程度上解放带教老师，让老师们有更多的时间思考如何提升教学质量和教学效果。对于学生来说，可以通过不同虚拟实验情节的设置，完成以往需要大量实验动物、多种大型仪器设备及昂贵的实验试剂材料才能完成的实验项目，有效地突破了课堂及师资的限制，让学生有更大的发挥空间，更好地锻炼学生的逻辑思维能力和实验能力[7-8]。总之，有效推进药理学虚拟仿真实验教学，有利于针对不同学生的特点进行个性化的学习，是培养创新型人才的重要手段。

4 药理学虚拟仿真实验的建设探索

4.1 虚拟仿真实验室建设思路

在药理实验教学上利用精心设计的虚拟仿真软件，采用多媒体技术及网络平台，构建具有高度真实感的虚拟仿真实验教学平台，将会是传统实验教学的有益补充。我们以药理实验中心为单位，由中心主任、实验课程负责人和实验专职教师组建开发团队，以新药药效学研究为蓝本，提出开发虚拟实验项目的计划，完成脚本设计和校对、真实实验视频采集等工作，并利用中心已有的教学资源，结合药理学相关课题组的最新科研成果和实验手段，与软件制作公司合作开发具有我校特色的教学项目。重点建设适合我校教学需求的药理学实验模块，采用文字、Flash动画、视频相结合的方式介绍实验原理及实验方法，学生在明确实验目的和实验原理的前提下，进行交互式虚拟仿真实验操作，针对出现的错误能够及时校对并给予重复操作的机会，以便于学生能够真正掌握操作要领，达到融会贯通的目的。另外，要根据虚拟教学的外在表现形式及内在结构上的特殊性，打破专业划分、班级所属、实验室分类的现有局面，建立适用于不同专业和不同层次的虚拟实验项目。

4.2 建立药理学虚拟仿真实验门户网站，搭建完善的虚拟实验教学平台

开发适合于我校药理学教学实际的虚拟实验平台，建成有独立门户的药理学虚拟仿真实验教学中心网站，设置用户管理权限，拥有资源上传、课件学习、信息发布、信息统计、在线答疑、在线测验等多项功能。学生通过申请用户名和密码，可通过网络进行个性化学习。通过人机交互对话界面，引导学生不断深入思考，更有效地学习药理学实验的关键技术和重要知识点，及时发现问题，并有效地分析和解决问题，产生知识结构新的生长点。药理实验中心的虚拟仿真教学将逐渐应用于我校基础药学基地班、药学英语、药学日语、药学、药物制剂等各相关专业。根据不同专业学生的学习特点，有机地把虚拟实验项目整合入实验授课计划中，与传统实验项目虚实结合，将会使药理学实验教学质量得到更大的提升。

4.3 注重学生参与度，进一步提升学生综合应用和创新能力

药理学虚拟仿真实验教学项目的研发，除了以教师为主体外，学生们的参与也很重要。我们应该以学生为本，针对学生感兴趣的内容重点研发。因此，对学生学习兴趣点的调研，也是很重要的一项内容。抓住学生的兴趣点，和学生一起确定虚拟实验内容，并撰写实验脚本，能更好地满足学生的学习需求。在一个虚拟实验设计完成的测试阶段，也应不断征求学生意见，以促进更好地改进。另外，如何使学生对虚拟实验保持新鲜感并能够自主地反复学习，也是虚拟实验设计需要考虑的一项重要内容，这就要求所设计的虚拟实验项目必须有一定的难度和不同的交互点，并能够引人思考，这样学生每次进行虚拟实验时都有一定的新鲜感，激发学生深入学习的兴趣，进而强化各阶段知识点的相互衔接。另外，可以在虚拟实验项目中增加协同和合作方面的设计，使多名同学同时参与完成同一个实验，大家相互配合，更好地完成某个任务，增强学生们的团队合作意识和集体荣誉感。生动活泼、身临其境的操作环境和虚实结合的场景互动环节，将有利于更好地培养创新型和复合型人才。

4.4 虚拟仿真实验室的不断完善及评价体系建立

虚拟仿真实验室建成后，应自始至终进行教学效果跟踪，建立一套完整的评价体系，主要包含以下几个方面：①方案流程设计评价：每个综合设计实验，一般都有多个方案可供选择，这些方案从内在特性上都可完成实验目标，不存在对错之分，但存在优劣和先进与落后之分，在教学效果评价上应予以考虑，并给出结果提示。②仪器参数选取评分：仪器参数及工作参数的选取将决定实验的成败和实验效果，在平台建设中需要融入这些内容的设计，例如细胞培养实验，培养基、培养时间、培养条件等将决定细胞培养的效果，这些可由学生自主选择，只有最优方案才会获得最理想的结果。③交互环节评分：在实验过程中，对于一些关键技术要点和核心流程，应通过弹出对话框的方式考查学生的掌握程度，如离心机的离心速度选择、胰酶的消化时间选择等。④在线操作监督环节：学生进行在线实验操作时，通常由于不专注或预习不充分，完成实验要占用很多时间，既浪费了公共资源，又不利于学生学习效率的提高，因此，要开发实时监控或反馈系统，对学生从登录虚拟实验平台到退出实验的全过程进行监督，根据完成实验的时间及效果进行量化考核。

5 虚拟仿真实验实施过程中可能存在的问题及解决措施

虚拟实验在本科药理实验教学中的广泛应用将大大促进本科教学质量的提高。然而，如何使其更加符合我校的药理学教学特色，研发更适合的虚拟实验教学形式，还需要大量的工作。为了更好地开展工作，我们将多方咨询与调研，拓宽合作领域，逐步建成具有我校药理学教学特色的虚拟实验教学平台。

虚拟实验教学软件的制作需要建立在强大的专业背景和严密的逻辑思维基础之上，为了使虚拟实验内容更符合我校学生的培养模式和培养目标，虚拟实验教学内容从选题、脚本撰写、投入制作、校对测试等各个环节都要建立在严格的质量控制基础之上等，从设计到制作完成并投入运行需要实验中心工作人员、相关任课教师和制作公司三方的密切配合，投入大量的时间和精力，才能得以顺利实现。

在开发虚拟实验时，除了要充分征求任课教师的意见，更要充分考虑到学生作为应用主体，他们的兴趣点在哪里，哪些对他们是急需学习的，哪些对他们未来的就业和发展更有利，真正做到以学生为本。同时，我们也应清醒地意识到，虚拟实验是对传统实验的有益补充，但并不能完全替代传统实验模式，只有有效控制虚拟实验在实验教学中的比例，虚实结合，相辅相成，才能更好地发挥虚拟实验在本科教学中的作用。

虚拟实验室建成后，硬件的维护和软件的定期更新等可能都需要一定的经费开支，由于经费紧张，可能会导致后期维护困难。为了避免因此而影响教学效果，我们应该尽量争取更多的经费支持，并提前与公司协商，对后续的软件维护升级等给予优惠，尽量降低维护成本。

6 药理学虚拟仿真实验室建设的可行性及应用前景分析

6.1 虚拟仿真实验可解决实验设备短缺问题，拓展实验教学空间

药理实验教学是学生巩固和增长知识、培养科研能力的重要手段。然而， 实验设备昂贵、学生基数大等问题限制了教师的教学内容，也限制了学生的学习空间。从外在形式上看，虚拟实验教学通过形式多样的多媒体技术和虚拟技术展现教学内容，非常适合学生的个性化学习和因材施教。教师在教学内容上提供一种动态的、完全开放性的结构，从而使教学内容的统一性与灵活性得到完美结合。有利于学生的发散思维，在原有知识的基础之上，自主获取新的知识。

6.2 虚拟仿真实验可节约教育投资，提高教育教学效益

虚拟仿真实验虽然前期需要一定的投入，但从长远看还是可以节约很多的教育资源，它不像具体的药效学实验需要大量的实验动物、实验药品和试剂，所以对于较复杂和短时间难以完成的实验来说，虚拟实验为学生拓宽了学习渠道，更有效地整合实验教学资源，促进实验教学与科学前沿的研究成果的有效衔接，使学生获取更新更全面的药理学实验知识。

6.3 虚拟仿真实验教学资源具有安全性和灵活开放性

在虚拟实验室中，学生可自主设计并实行一些常规实验无法实现的内容，有效排除了一些试剂毒性对学生安全的影响。另外，虚拟实验开放形式灵活，可选择的项目较多，学生可以突破时间和空间的限制完成实验，同时学生还可以自选题目，自行组织实验项目，完成实验设计和自主实验教学，发挥学生的主观能动性和创造性，更好地锻炼学生的发散思维，激发学生的创新能力。

7 小结

药理学虚拟实验的开设是对传统教学形式的有益补充，对于培养学生的自主学习能力和创新能力具有重要的作用，不断开发新的虚拟实验并对其进行有效的维护和更新，将为药学复合型人才的培养提供更好的保障。