虚拟化模式在药学实验教学中的运用研究

●宋春香 任恒鑫 吴莉莉 张舒婷 孙长海

高校药学专业的实验教学，是培养药学专业学生理论联系实际的重要环节，也是造就高素质药学人才不可或缺的重要组成部分。近年来，多媒体和网络信息技术的快速发展，在高等教育实验教学领域也相应的产生了一些新型的实验教学方法和模式，其中开放式实验教学是重点探讨和研究的实验教学方式，而虚拟化仿真模式作为开放式实验教学的形式之一，在实验教学中越来越受到高校的青睐。虚拟仿真实验教学是一种新式的、新观念的实验教学手段，它是借助日臻完善的多媒体技术、蓬勃发展的仿真及虚拟技术在计算机上制作相应的实验模拟程序，使得传统实验各操作环节能部分或全部以仿真画面的方式呈现，虚拟实验的设计、制作以及可实施必须在建立完善的虚拟实验室基础上才能完成，而虚拟实验室这一说法是由美国的威廉·沃尔夫教授首先提出来的，它设计了一个计算机网络环境下的虚拟实验室环境，其设计与运用有助于实验教学创新和发展。在这个虚拟环境里，用户可以虚拟动手操作实验，这有助于提高实验操作能力、设计优化实验能力和增强创新意识。日前，教育部批准了三批共300 个国家级虚拟仿真教学实验中心，涉及多个研究领域。在高校虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识，经过虚拟实验的科学指导和学生的迅捷反馈，必将使实验教学更加符合培养人才的要求。建立虚拟仿真实验室是未来高校实验教学的发展方向，能提高实验教学的伸缩性和发展性。

把计算机虚拟仿真技术应用于药学实验教学中，使药学专业的主干课程（药剂学、药物分析学、药理学等）实验课程，更加生动形象，符合学生由抽象到具体，再由具体到抽象的认知过程，用虚拟现实场景把抽象的知识呈现出来，可以显著增强学生的学习兴趣，提高教学质量和教学的科技含量，在教学效果方面将有质的飞跃。

一、计算机虚拟仿真实验的特性

（一）虚拟仿真性

在虚拟仿真实验中，学习者感觉操作的设备就在眼前，触手可得，但实际上它们并不存在，是虚拟的、仿真的，是对实物的模拟再现。实验设备实现虚拟化，在很大程度上能减少实验设备的投入和空间的占用，从而节约实验耗材，改善实验条件，同时达到很好的教学效果，这样可以把节省的资源，投入到其他教学环节中，因此虚拟仿真实验为培养高质量的药学专业人才提供条件和技术支撑。

（二）实践操作性

虚拟实验教学，在学生学习环节发挥着重要作用，具体体现在对新知识的认知与掌握、对原有知识结构的完善、对动手实践能力的提高等方面。虚拟仿真实验中的仪器、设备均是按照其原型进行设计，实验程序的设定和操作规则也与传统实验教学相同，无论是虚拟的还是现实的实验教学，都是在理论教学指导下开展实施。因此虚拟实验和现实实验的组成要素是一致的，学生利用虚拟实验虽然不能获得直接经验，但是能提高他们对相关领域的认知，并通过虚拟实验来改进实践活动中的操作或规范操作，同时虚拟实验也给学生们提供重要的实践环节。

（三）灵活多样性

在现实教学中，教师通过在实验室演示或学生自己动手来完成实验教学，而在虚拟实验中，教师的实验教学主要通过计算机软件来实现的，在一定程度上也可以弥补因为一些不可抗拒的原因导致的现实实验课程没法开展的缺陷。另外，考虑到学生客观存在的水平差异性，所提供的虚拟实验应该满足各个层次学习者的要求。当虚拟实验能满足针对性实验要求，并能同时满足不同层次学生的需求时，虚拟实验的优势才能得以充分地体现，才更有吸引力，更彰显其生命力。

在虚拟实验教学过程中，学生可以很方便地改变实验条件，并观察改变条件后所产生的实验现象，这有利于学生获得丰富的感性认识，较好地掌握实验原理及步骤，并大大激发他们的学习热情，有助于学生根据自己改变的实验条件来假设分析实验数据。灵活的实验过程使得学生能快速地融入到实验过程的学习中，不仅能得出实验结果，而且能体验设计实验的乐趣，从而增强学生提出问题、分析问题、解决问题的兴趣。

二、虚拟实验教学模式在药学尤其是药物分析实验教学方面的应用优势

（一）虚拟仿真实验有教学成本低、污染少的优势

在药学实验教学中，特别是药物分析实验教学，许多大型昂贵的实验器材，比如高效液相色谱仪、气相色谱仪、液质联用、气质联用等仪器，由于受各种条件的限制而无法普及应用，还有些因各种原因无法开设的实验等，可以利用虚拟仿真技术，在计算机上建立虚拟实验室，学生们便可以身临其境的操作虚拟仪器，操作结果可以及时反馈给学生，这种实验既不产生“三废”，也不消耗器材，还不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至实验操作熟练并得出满意结果。改变了传统演示实验的教学方式和手段，有效地协调并解决了实验条件与实验效果之间的矛盾。

药学专业各学科试验中不可避免地要消耗大量的药品和水资源，实验过程中还会产生“三废”，既污染环境又影响实验效果，既不利于学生实验能力的培养，也不利于环境保护。而虚拟实验教学可以避免这些现象的发生，既能满足教学要求，又能提高办学效益，减少实验耗损。

（二）实验过程有形象直观，便于知识的传授与理解的优势

虚拟实验室可以模拟出实验的各个环节，甚至将微观的环节也能呈现出来，多媒体动画等方式可以把不明显的实验现象逼真地表现出来，很直观地展现在学生眼前，有助于教师新知识的讲授，有利于学生对新知识的消化和理解，不仅达到实验教学的预期效果，还能进一步提高教学质量。

（三）传统实验室不能很好完成的实验，虚拟实验室有替代的优势

教师通过虚拟实验室来辅助完成课堂实验演示：比如较复杂的实验（体内药物分析）、具有危险性的实验（毒品分析）、具有极端破坏性实验（氧瓶燃烧法处理有机氟化药物）、反应周期过长的实验（药物合成）、控制反应过程较困难的实验（磺胺醋酰钠的制备），通过虚拟实验室，这些实验就可以安全地进行，并直观地展示出来。

（四）有增强课堂趣味性，提高学生学习兴趣的优势

虚拟实验通过音频、视频、图像、动画等多媒体技术、虚拟仿真技术、信息技术等构建了一种高度模拟现实的仿真实验教学模式，使学生们有身临其境般的体验，不仅实现了实时互动的实验教学，而且能最大限度地激发学生学习的主观能动性，有助于发展学生的扩散思维，具有别具匠心的实验教学作用。

（五）药学实验室实验教学平台的设计内容

构建药学虚拟实验室教学平台，是虚拟仿真实验是否能达到预期教学效果的基础，平台建设内容包括：文字材料、实验视频、虚拟实验三方面，下面以药物分析实验——葡萄糖一般杂质检查实验为例进行阐述。

1. 文字材料。本文所构建的虚拟实验平台的文字材料与现实实验的内容相一致，具体有：实验教学方案的设计，包括实验目的、实验原理、实验方法及步骤；实验仪器（比色管）使用方法、注意事项及思考题。

2.实验视频。视频内容主要是教师的讲解与示范，指出基本操作的注意事项（比色管的配对使用、比色及比浊方法、结论的正确叙述等），同时提供给学生正确的实验操作过程，使学生对于葡萄糖一般杂质检查实验的基本操作有感性的认识，为模拟实验的开展奠定基础。

3.虚拟实验。虚拟仿真实验以多媒体动画为主，包括葡萄糖供试品溶液配制的虚拟实验、比色管使用操作和葡萄糖中氯化物、硫化物等一般杂质检查实验的实验步骤，通过动画的形式演示比色管正确使用的基本操作过程及要点，进一步规范学生的实验操作技能，提高学生的实验动手能力，经过虚拟仿真实验的多次反复的训练，学生能进一步加深对实验原理的深刻认识，强化理论联系实际的动手能力。由此可见，虚拟实验不仅是现实实验的有力补充，同时更加能强化学生们自主学习能力，增强学生学习药物分析课程的兴趣，为培养专业的药品检验人员提供平台。

（六）药物分析实验课程虚拟化的评价

学生通过分析虚拟实验的训练，可以描述自己参与虚拟实验的感觉和反应，以此来判断基本原理、基本操作等掌握的情况，分析问题和解决问题的能力是否提高，从而能意识到自己在本次实验中存在的问题和不足，并能积极寻求新的解决问题的方法，教师根据学生的知识掌握、能力提升等方面，综合分析学生是否通过实验达到基本的教学目标，比如葡萄糖一般杂质检查的原理、实验的基本步骤、比色管的操作及注意事项等等，检验教学目标的合理性、实验知识建构的完整性、实验技能的准确性等。

三、虚拟实验教学流程

虚拟实验教学流程如下图所示，重点强调的是学生的“学”或者说自学能力，而不是老师的“教”，学生可以通过虚拟仿真软件主动学习，有助于培养分析问题、解决问题的能力、利用学生掌握信息资源能力，表面上看教师讲课的工作量减轻了，但引导学生学习、回答学生咨询、控制教学质量、反馈处理等工作和责任相应增加，实际上，老师的工作量不减反增。总之，与真实实验课堂一样，需要教师和学生共同配合才能达到较好的教学效果。

虚拟实验教学的流程

总之，随着互联网和虚拟现实技术的快速发展，线上理论教学已经摩拳擦掌，虚拟实验教学也必将日益得到广泛关注和发展，虚拟环境的实验教学比现实的实验教学有着明显的优势，主要体现在方便灵活、形象逼真、实时交互的仿真实验环境，既能发挥学生学习的主观能动性，又能在较短时间内让知识信息大量呈现在学生面前，可以大幅度的提高教学效率，使教学相长。实验教学中虚拟仿真技术的巧妙应用，为教师改进教学方法，完善教学手段提供了很好的前提条件，同时因为虚拟仿真实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，又有着很好的安全性和可重复操作性，可以培养学生在操作过程中敢于动手实践的能力。因此虚拟药学实验的开设，可以锻炼学生综合实验的操作技能，纠正学生实验操作的规范性，培养其分析问题和解决问题的综合能力，进而提高教学质量，深化教学改革，为培养高素质、能力强的药学专业创新应用型人才提供支持。