基于虚实结合的“中药制药化学”多维开放性实验教学体系构建

李存玉，郑云枫，彭国平

基于虚实结合的“中药制药化学”多维开放性实验教学体系构建

李存玉，郑云枫，彭国平

（南京中医药大学 药学院，江苏 南京 210023）

随着虚拟仿真实验技术的发展，给传统实验教学方式带来了挑战。以提升学生实践创新能力为目标，通过“虚拟仿真—开放性实验平台”，构建基于“学生—网络—教师”“理论基础—虚拟仿真—创新实践”模式的多维“中药制药化学”虚实结合实验教学体系。通过虚拟仿真教学资源建设、主题实验设计、课程联合培养，调整了教学考核评价体系，建立了“以虚促实、虚实结合”的实验教学方式，提升了学生的学习兴趣，增强了实验教学质量，推动了实验教学改革和创新。

中药制药化学；虚实结合；开放性实验；教学体系

“中药制药化学”课程是沟通基础化学课程与生产实践课程之间的桥梁，针对中药化学成分的理化性质及其在加工、提取、分离、纯化、浓缩、干燥等过程中的作用特点，阐述中药制剂生产过程中成分相互作用及化学转变的规律与机理，通过“理论教学—实例解析—实验验证”的教学方式，培养学生的创新应用能力。但是，固定的实验主题、规定实验开放时间段、验证式实验报告的课程开设模式，限制了教学质量和学生的学习热情，难以实现“中药制药化学”课程的教学目标。基于“互联网+”的虚拟仿真技术可以沟通理论—实践之间的“虚—实”关系[1]，将理论教学与实验设计有机结合，提高实验开设效率和教学水平，也为传统实验教学向开放创新性实验教学过渡提供了契机[2-3]。本文以“中药制药化学”实验主题，围绕中药酚酸氧化反应原理，解决制药过程难题，借助虚拟仿真教学和开放性实验平台，围绕“方案设计、结果预期、过程评价、数据分析以及课程反馈”，探索、构建虚拟仿真与开放性实验虚实结合的教学体系。

1 以虚促实，拓展“中药制药化学”实验教学模式

在传统实验教学开展时，以绿原酸热稳定性实验为例，在课程理论讲解时，提出以绿原酸为主要药效成分的双黄连口服液、清热解毒颗粒，在制备过程中因溶液酸碱度变化以及精制过程中的热处理，引起绿原酸向隐绿原酸、新绿原酸以及绿原酸异构体转化（见图1），从而增加了制剂生产过程控制的难度。因此，需要明确酸碱度、温度与转化行为的相关性，才能较好地控制其制剂质量的均一性。学生在实验时的考察方案如表1所示，相较于验证性实验，该实验已增加了学生自主设计的部分。在实验实施过程中，学生会自主进行4种成分之间转化比例和考察因素的相关性分析，说明学生求知欲望强烈，但受实验开设硬件和软件的限制，无法开展延伸性的自主开放实验。经过随机问卷调查，超过80%的学生对结果可预知的实验项目，呈现出不感兴趣、学习积极性偏低的趋势。

图1 绿原酸转化机制

表1 绿原酸稳定性考察方案

组织开展由学生主导的创新性开放实验，可以充分激发学生自主学习能力及创新能力，并提高学习积极性[4]，通过以绿原酸转化实验为主题，引入虚拟仿真实验，通过虚实结合[5-6]拓展“中药制药化学”实验教学模式解决实验教学中存在问题的同时，对学生巩固和灵活应用知识具有积极推动作用，既激发学生学习热情，又可提高教学质量。

2 虚实结合，构建多维开放实验平台

借助“互联网+”的技术优势，将互联网与实验教学深入融合，以提高教学效率，从而实现学生实践创新能力的培养[7-8]。“互联网+”融合虚拟仿真数字化软件和开放性实验，学生通过个人计算机、手机等网络终端进行实验原理、基本操作、考核反馈等感官认知，为开放性实验的方案设计及工作开展奠定基础，从而解决目前开放性实验虚而不实的开设问题。根据中药制药过程中包含的提取、分离、精制等环节，结合现代制药技术，建设虚拟仿真软件数据库。进而，通过我校网络教学平台，开展“学生—网络—教师”“理论基础—虚拟仿真—开放实验”多维化的“中药制药化学”虚实结合教学体系的研究和建设工作。

2.1 虚拟仿真教学资源的建设

虚拟仿真教学资源的建设以计算机系统为载体，利用虚拟现实技术、网络技术和多媒体技术建立操作环境，将实验内容、实验材料和实验仪器等有机地结合，因此对于操作环境、仪器设备、操作人员要求较高。基于中药制药行业中的关键技术、检测方法，结合“中药制药化学”专业课程实验教学需求，建设包含提取、分离、精制、检测分析环节的虚拟仿真软件，包含“多效提取装置”“超临界萃取”“膜分离操作”“树脂分离”“高效液相色谱仪”以及“实验室安全规范”等，围绕实验原理、注意事项、仪器材料、虚拟仿真操作、考核与反馈环节，借助我校虚拟仿真软件网络教学平台（见图2），通过网页、客户端下载的方式推广应用。

该系统设置了学生、教师、管理员角色，开放不同使用权限。

（1）学生角色：学习基本实验原理、操作注意事项、虚拟仿真训练、虚拟仿真考核、结果提交与修改、师生在线沟通。

（2）教师角色：发布考核要求、审阅实验报告、查阅易错环节、师生在线沟通。

（3）管理员角色：主要进行系统数据收集与维护、系统角色管理、异常错误诊断与处理等。

图2 虚拟仿真教学软件网络平台

2.2 主题式开放性实验的实施

“中药制药化学”课程是由36理论课时、36实验课时组成，由主要章节的核心知识点进行实验方案设计，开展主题式实验。学生对于影响因素的考察、实验过程的控制以及实验报告的呈现方式具有自主权。在开设过程中，所开设内容已远超实验规定课时， 因此推进“理论教学+开放性实验”的教学模式势在必行。

在“氧化反应”理论知识点授课时，提出“围绕中药酚酸氧化反应原理，解决制药过程难题”的实验主题，由学生主导，通过学校网络教学平台、低值易耗品采购系统，完成实验方案实验耗材的预约采购。指导教师及相应的实验室管理人员、后勤保障人员，进行相应程序的审批。待审批通过后，学生自主组队，按照课余时间协同分工，开展相应实验并提交研究 报告。

在开放性实验实施过程中，其中一组（5人）以温度影响酚酸氧化为切入点。实验准备内容见表2，实验方案设计见图3。该小组学生通过文献查阅，发现“高温、强碱”条件均会影响金银花中酚酸类成分的稳定性，提出在“常温化、弱酸环境”的方案设计要点，选择“树脂—膜—冷冻干燥”的技术耦合模式，并与常规提取液精制方式进行对比考察。在完成虚拟仿真软件学习和考核的基础上，小组成员分工完成常规提取设备、玻璃器皿的领用、样品制备方法、检测条件优化等工作。实验过程中，采取“指导教师—研究生助教”的辅助教学模式，在保证实验规范操作、学生实验安全性的同时，引导学生自主思考问题、解决问题，不干涉实验方案。

表2 开放性实验准备内容

图3 酚酸稳定性考察方案设计

2.3 课程联合，实训拓展

如何将实验室研究向生产实践过渡，是提升学生由“理论—实践—应用”能力提升的关键，学院具有针对中药学专业的生产实训教学资源，按照剂型、工艺过程建设了具有洁净区域划分的生产实训实验室，可以实现由提取、浓缩、醇沉、回收、喷雾干燥的小试规模生产，同时具备颗粒剂、片剂、胶囊剂、口服液生产设备。在开放性实验的基础上，通过生产实训锻炼，增强感官认识和生产过程体会。同时与中药制药专业课程“制剂设备与车间工艺设计”进行联合教学设计[9]，针对中药制药过程中工艺环节优化方案，进行车间布局调整、设备选型等课程设计作业，从而串联交叉课程知识点，增强学生实践应用能力。

2.4 实验教学效果评价

以学生学习体验和能力提升评价为指标，评价虚拟仿真对“中药制药化学”开放性实验辅助教学效果。其中，学生学习体验采取调查问卷的方式，2015级中药制药专业的49位学生，收回有效问卷45份，97.8%的学生认为可以提升实验操作能力，91.1%的学生认为有助于自主实验的设计与实施，95.6%的学生认 为有助于理论知识的应用和贯通。意见反馈栏，高达77.8%的学生认为现有的虚拟仿真教学软件体验感不足，建议增加虚拟仿真内容以及参照网络游戏开发虚拟仿真教学软件。

能力提升评价采取实验总结以及见习单位反馈的方式进行综合评价，开放性实验总结包含实验汇报、结果分析、实验报告提交，从实验方案可行性、过程解决问题能力、数据分析与结论提炼等方面综合评价；见习单位反馈采取网络沟通、毕业见习中期检查以及毕业论文设计进行评价，目前该班级处于见习阶段，通过与见习单位沟通，反馈学生整体的实验操作能力和问题解决能力较往年有所提升。

3 化虚为实，促进“中药制药化学”课程教学改革

3.1 教学方式

基于开放性实验教学平台、虚拟仿真教学资源和网络在线开放课程，教学方式由线下的“理论讲授—实验验证”的传统课堂，逐步调整为课前线上预习、课中线下翻转课堂、课后线上虚拟仿真+开放性实验预约、课后线下开展实验总结汇报的“线上—线下—线上—线下”的翻转过程。教学方式的改变，不仅有利于激活学生的学习积极性，也有利于教师开展教学方法、教学设计、教学资源的建设，从而更为全面、客观地评价学生的实践创新能力。

3.2 考核体系

中药制药专业课程中包含3学分的创新性实践，在“中药制药化学”实验教学实践中，通过自主设计、实施并形成检测报告，或者对研究结果进行科研论文投稿、专利申请，通过中药制药专业负责人、创新性实践课程负责人进行成果认定，给予“小学分”抵扣奖励。

同时，增加学生自主创新能力在“中药制药化学”课程考核比重，由权重0.30调整至0.40，由原有的“30%平时成绩+50%考试成绩+20%实验成绩”的考核成绩组成方式，调整为“30%平时成绩+30%考试成绩+40%实验成绩”，从而充分调动学生自主思考和实践应用的积极性。同时，学院对于教学改革中取得明显效果的课程给予非课堂工作量奖励，并优先推荐申请各级教学改革课题、参加教学竞赛，促进教师在教学改革中的主观能动性。

4 讨论

在课程理论教学的支撑下，虚拟仿真教学更注重培养学生的基本操作能力，通过软件按照既定步骤开展操作训练，模拟实验结果均在正确可控范围内，不会出现因实验操作引起的异常实验现象，操作过程对仪器设备和操作者不会造成伤害，但是对于异常结果分析、解决问题的能力则无法锻炼。因此，虚实结合是培养学生综合能力的关键手段，通过合理化的实验教学设计，依托多维开放性实验教学平台，充分发挥虚拟仿真在实验教学中的技术优势，结合精心设计的实验教学模式，实现两者的优劣互补、相互促进，让学生掌握制药核心技术，让教师专注教学[10-12]。

[1] 李平，毛昌杰，徐进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013, 32(11): 5–8.

[2] 于洋，吴磊，梁化强.隧道掘进机虚拟仿真系统设计及实训模式研究[J].实验技术与管理，2018, 35(11): 141–143, 148.

[3] 陆晓梅，周靖平，李磊，等.虚拟仿真实验在《化妆品检验与安全性评价》开放性实验中的应用探索[J].中国卫生检验杂志，2018, 28(24): 3057–3059.

[4] 李存玉，郑云枫，潘林梅，等.组织开放实验提高学生实践能力[J].药学教育，2017, 33(2): 76–78.

[5] 赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017, 36(4): 90–93.

[6] 乔明曦，杨丽，方亮，等.可持续发展的药剂学虚拟仿真实验教学模式探讨[J].药学教育，2015, 31(2): 55–57.

[7] 张彪，魏万红，董召娣，等.基于“三维”空间下的“植物分类学实验”虚实结合教学体系构建[J].实验技术与管理，2018, 35(12): 187–190, 205.

[8] 王森，高东峰.在线开放虚拟仿真实验项目建设的思考[J].实验技术与管理，2018, 35(5): 121–124.

[9] 郑云枫，李存玉，彭国平.协同理念下中药制药专业实践教学体系的构建[J].药学教育，2016, 32(5): 48–51.

[10] 彭敬东，龚成斌，马学兵，等.虚拟仿真实验在化学教学中的作用：以西南大学化学化工虚拟仿真实验教学中心为例[J].西南师范大学学报（自然科学版），2017, 42(7): 193–196.

[11] 姚卫峰，包贝华，张丽，等.中药学类虚拟仿真实验教学体系的构建与实践[J].药学教育，2015, 31(6): 39–43.

[12] 胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015, 34(2): 140–144.

Construction of multi-dimensional open experimental teaching system for “Pharmaceutical chemistry of traditional chinese medicine” based on virtual-real combination

LI Cunyu, ZHENG Yunfeng, PENG Guoping

(College of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China)

With the development of the virtual simulation experiment technology, the traditional experimental teaching method has been challenged. With the goal of improving students’ practical and innovative ability, a multi-dimensional experimental teaching system with virtual-real combination for “Pharmaceutical chemistry of traditional Chinese medicine” based on the model of “Student-network-teacher” and “Theoretical basis-virtual simulation-innovative practice” is constructed through the “Virtual simulation open experimental platform”. Through the construction of virtual simulation teaching resources, the design of thematic experiments and the joint training of courses, the evaluation system of teaching assessment has been adjusted, and the experimental teaching mode of “Virtual-real combination” has been established, which improves students’ interest in learning, enhances the quality of experimental teaching and promotes the reform and innovation of experimental teaching.

pharmaceutical chemistry of traditional Chinese medicine; virtual-real combination; open experiment; teaching system

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0215-04

2019-01-23

江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015070）；南京中医药大学教师教学发展课题基金（NZYJSFZ2016-05）

李存玉（1985—），男，江苏徐州，博士，讲师，从事中药制药化学教学研究。

E-mail: licunyuok@163.com

彭国平（1963—），男，江苏金坛，博士，教授，从事中药制药专业课程教学及实验教学中心管理。

E-mail: guopingpeng@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.055