可视化学习资源在药物化学课程中的应用与探讨

蒋超意 汤艳荣 杨文娟

[摘 要] 可视化是一种用视觉方式将信息表达出来的学习方法。可视化能够帮助人们对信息进行更有效的整理，并发现其中蕴含的结构关系，因此可视化是一种非常有效的学习方法。侧重点在于介绍如何帮助学生在药物化学课程中创建可视化资源，并且应用于具体的课程内容学习中从而达到锦上添花的效果。

[关 键 词] 可视化；学习资源；药物化学

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）03-0210-02

目前，动态的、直观的可视化技术正在改变着科学教育。这个技术可以将复杂系统的大规模不可观察的变化现象，如分子反应、气候变化、太阳系运动规律等进行视觉上的直观模拟[1]。可视化技术使学生能够研究动手活动无法轻易探索的现象。可视化的学习环境可以对动态和静态材料进行比较，也可以轻松实现将抽象知识进行可视化的替代[2]。

中职药物化学课程中，药物分子结构，药物分子间的相互作用，药物分子与生物大分子的相互作用等知识点是课程中的重点和难点[3]。这些知识点对于中职学生来说过于抽象，学生无法完全理解，这使他们在学习药物化学课程时产生畏难心理[4]。因此，利用可视化的技术可以促进学生更好地学习，并将学习过程转化为更加有趣的学习体验，从而帮助学生理解药物化学课程中的抽象知识点。

同时，对可视化是否有利于科学教学研究的分析发现，可视化学习方式有助于在不同教学环境下对不同年龄组的学生来阐明教学过程[5]。故而该方法也为研究教学和学习的研究人员，为课堂使用和完善教学材料的设计师以及制作具有动态效果的可视化教学從业者提供指导。

一、药物化学的课程概况

（一）课程性质

药物化学课程是将药物的化学类学科与生物医学类学科相连接的桥梁学科。该课程既讨论药物的化学结构特征、理化性质、稳定性、制备方法等化学问题，又阐释药物的作用靶点、体内过程、代谢反应等生物医学内容。

（二）课程特点

主要有以下三个特点：（1）涉及的药物名称很多而且化学结构各异。（2）内容抽象、繁杂，且较为松散、牵扯学科较多，但系统性不强，学生普遍掌握较差。（3）课程之间内容的规律性和联系性不明显，在具体教学中存在无法与基础知识衔接的问题。

（三）主要教学问题

主要有以下两个方面问题：（1）课程内容较多、课时较少。教师在授课时受到时间的挑战，缺乏时间去引导学生进行拓展性学习。（2）教学方式仍以课堂教学讲授方式为主。在教学时教师只注重把知识讲授给学生，让学生记住，而较少引导学生主动学习并构建自己的知识体系。

二、可视化学习方法的原理和特点

（一）可视化学习方法的原理

可视化的关键在于整理信息与想法间的结构关系，并用视觉语言直观表达出来。相比于文字，图像还是会带来一些更为独特的优势与特点。

（二）可视化学习方法的特点

与传统的学习方式相比，可视化方法具有以下特点：（1）分布式认知：可视化是分布式认知的一种，可视化降低了大脑中需要同时处理的信息量，减轻了思考的负担。（2）明确相互关系：可视化的作用在于图像比文字描述更能准确地表达出蕴藏的关系，这使作图成为衡量学习者是否理解到位的绝佳方法。（3）信息结构可视化：人类的视觉系统会非常自然地为空间排列赋予结构，人们可能随时发现一些意料之外的新规律。（4）易于学生解释：可视化的第四个优势是学习者从视觉上可以轻松地解读信息的结构关系，辅助学生理解。

三、可视化方法在药物化学课程中的应用

可视化学习方法对药物化学各章节的教学都是适用的，具体可应用于以下方面：（1）用于揭示药物化学课程内容的规律性，例如某个药物与同类药物之间的异同点，以便于理解和掌握。（2）用于组织教学，引导学生进行自主学习和发现学习。（3）作为帮助学生创建学习工具和评价学习效果的手段。

（一）应用可视化方式揭示课程的规律性

经过对教材的分析，发现在介绍某一特定药物时，基本上是围绕以下几个方面进行讨论：药物结构、名称、理化性质、来源或合成路线、代谢反应与产物、作用靶点、构效关系、结构改造与同类药物比较[6]。然而教材并没有明确按这几个方面进行分点阐述，且并不是每个药物都包含这几个方面，对不同药物阐述的顺序和详略点也不尽相同。因此，需要借助一些合理的可视化结构来尽可能多地整理这些零散的信息，让它们层次鲜明且逻辑顺畅。在这里我们采用可视化思维导图工具帮助学生对课程内容进行梳理和归纳，这对明确学习的目的是很有效的。

以中枢镇痛药吗啡为例进行说明。绘制可视化思维导图时，吗啡为核心概念，以上述几个方面为关节点，各关节点下的内容可进一步派生若干次级关节点。利用可视化思维导图对上述概念进行归纳，使吗啡所包含的主要知识点的逻辑关系基本清晰，再通过进一步阐释概念间可能存在的关系，然后用适当的符号和标注将各个概念有序连结起来，即得到反映吗啡课程内容规律性的可视化思维导图。

（二）应用可视化技术展示课程教学内容

药物化学课程中，药物与靶点选择性相互作用的知识点是该课程的一个难点。利用可视化的技术资源可以促进学生更好地学习，并将学习过程转化为更加有趣的学习体验，从而帮助学生理解药物与靶标之间的选择性相互作用。可视化的分子对接技术技术可以帮助学生有效识别药物分子和靶点的作用部位，提高学生对药物选择性作用的认识。

使用药物分子对接技术作为可视化学习策略，利用Pymol软件作为分子对接后的可视化工具。该软件能够对药物靶点选择性相互作用时的细微变化进行动态处理，学生能够直观感受这个过程发生时药物分子和靶点的变化情况，这个可视化过程可以有效帮助学生理解药物与靶标之间的选择性相互作用[7]。因此，利用可视化分子对接技术允许学生从三维空间去探索药物靶标复合体的互动轨迹，这为学生学习药物化学课程中后续的知识点打下了良好基础。

（三）应用可视化技术创建和评价教学过程

对药物化学课程学习来说，正确地传达化学分子的三维结构信息是至关重要的。因此，有效创建和评价药物分子模型对学生了解药物化学中教授的基本概念是非常重要的。塑料吸管便宜易得，并且可以回收重复利用，同时吸管的可塑性保证它能够扭曲、伸展、变形，从而表达我们所需要的分子结构，例如富勒烯结构、8电子轨道结构等。

使用塑料吸管建立可视化分子模型，除了增强手工技能的开发，也使学生关注分子特性，可用于促进学生对不同种类分子表示之间转化的理解。这些都能从学生学习结果调查问卷中体现出来，如100%的学生认为利用自己构建的可视化分子模型可以帮助自己理解有机物分子的空间结构，这也有助于学生从3D结构侧面了解药物有机物分子与药物靶标相结合的药理知识；98%的学生认为通过自主学习模型构建的方法，自己可以独立完成模型的构建过程，并且整个学习过程新穎别致，促进了学生进一步学习化学分子相关知识的兴趣。

总的来说，这些结果说明了可视化学习资源的应用对于复杂的科学学习，例如药物化学课程的学习提供了新的思路与设计指南。可视化能在学习的各个方面发挥作用：能提升学习者的参与度；能帮助学习者学习如何展示信息；能帮助学习者掌握科学领域的逻辑推理方法；是科学领域中对数据和模型进行交流讨论的主要方法，更是一种重要的学习策略。可视化的学习方法正如其他鼓励创新与探索的方法一样，可以提高成功的概率，能够帮助学生发现全新的信息结构，既能够促进学习理解，又能辅助他们更好地解决相关问题，并且增加学习兴趣从而提高学生的自主学习能力和学习效率。

参考文献：

[1]Mcelhaney，K.W.Evidence for effective uses of dynamic visualisations in science curriculum materials[J].Studies in Science Education，2015，51（1）：49-85.

[2]Ainsworth.S.DeFT：A conceptual framework for con-sidering learning with multiple representations.Learning& Instruction，2008.16（3）：183-198.

[3]蒋超，汤艳荣.一种牌类游戏在药物化学教学上的应用[J].广州化工，2018（8）.

[4]侯林艳.浅谈药物化学课程中教学方法的应用[J].职业，2018（7）.

[5]Mohamad Ali，A.Z.Effects of Teacher ControlledSegmented-Animation Presentation in Facilitating Learning[J].Journal of Educational Multimedia &Hypermedia，2010，19：367-378.

[6]蒋超意，赵超.移动应用软件ChemDraw在药物化学教学中的应用[J].卫生职业教育，2017，35（19）：51-53.

[7]蒋超意.3D分子模型软件在中职化学教学中的应用[J].卫生职业教育，2018（3）：42-44.

编辑 陈鲜艳