虚拟仿真技术在中药药理学实验教学中的应用

★ 罗晶 刘波 叶耀辉 王紫慧 黄小英（江西中医药大学 南昌 330004）

随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验室领域的应用价值，它除了可以辅助高校师生便捷地完成科研实验，在实践学习方面也具有较高的利用价值，对教师的科研教学和学生的学习操作起着关键作用［1-2］。中药药理学是在中药基本理论指导下，结合中医的临床治疗疗效，运用现代科学技术和方法，研究中药和机体相互作用及作用规律的学科，是一门实践性和应用性非常强的学科。因此，中药药理学的实验课是其至关重要的组成部分之一。通过中药药理实验课程可以提高学生的实践动手能力，可以直接观察到各种不同药物对各种不同动物表达出的不同生理反应，帮助学生更好地消化吸收理论教学的内容。

1 虚拟仿真实验项目的必要性

1.1 中药药理学及传统实验教学存在的不足 传统的中药药理学实验教学因为受到场地、技术、资金、安全等的限制，存在许多不足之处。（1）理论教学与实验教学不同步。由于受上课课时和选课时间空间的限制，学生上课所学理论知识与在实验室实际操作存在较大的时间空间差，导致理论教学和实验教学的内容不同步，学生不能及时通过实验课消化吸收理论课的内容，这就大大减弱了实验课带来的教学效果。（2）传统实验教学资金消耗巨大。传统的实验教学需要投入大量的资金去购买实验所需的设备仪器，其中不乏易损耗且开机成本高的仪器设备，后期也需要消耗资金去维修和更新仪器设备。此外，中药药理实验中需要动物、植物标本等一次性消耗且需求较大的原材料，又大大增加了实验资金的消耗。（3）药用资源匮乏。中药药理学实验中需要用到各种不同的中药资源，但是由于过度采摘和开发，很多中药资源越来越稀缺贵重，导致许多实验未能开展。（4）现有实验固定，难以创新传统教学实验的现有实验固定，受到安全、场地、技术等的限制，一些与毒、麻药品有关的、可能影响教师和学生健康的实验，或是因为实验成本大、所需仪器贵重而不能开设的实验，传统实验教学都不能进行，不能满足理论教学带给学生的所有实验内容的操作。传统实验教学的不足严重影响教学质量。

1.2 中药药理虚拟仿真实验的优势虚拟仿真实验是运用计算机、多媒体软件、人机交互、大数据和网络通信等技术，构建的模拟现实实验的虚拟实验平台。运用于中药药理学的实践教学中具有以下优势。（1）虚拟仿真实验提供生动、逼真的学习环境，有助于提高学生的学习兴趣。传统实验教学所能提供的设备因为受资金、安全等的影响，现有实验固定，学生长期面对同样的实验环境，同样的反复性验证性的实验，难免学习兴致不高。且面对贵重的设备仪器，学生做实验可能会放不开手脚。而虚拟仿真实验室能够扩大课题选择范围，涉及到多种仪器设备，还能自主创新设计实验，能够唤起学生的好奇心，增强学习兴趣，并且不用担心损坏仪器设备，大胆做实验，发散思维，进一步提高学习效率。（2）虚拟仿真实验大大减轻了学校对实验教学的资金投入。虚拟仿真实验室可以模拟逼真的实验仪器设备和实验场景，不需要购买大量贵重的实验设备，同时也减轻了后期设备维护更新的费用。此外，在中药药理实验中需要大量的实验动物标本和实验研究药物，使用虚拟技术，就可降低实验在耗材经费上的支出。（3）虚拟仿真实验解决了传统实验课存在的时间空间制约的问题。传统实验教学在开展中受到课时、选课时间、教室空间制约等的问题，理论教学与实验教学的内容会不同步，但是虚拟实验室只需在电脑上安装开发的软件即可模拟不同的实验，不受时间空间的影响，学生可以在电脑上进行实验操作，老师也可以随时进行检查评审。（4）虚拟仿真实验帮助学生自主学习。虚拟实验室解决传统实验课的时间空间问题可让学生在系统上自主学习，学习过程循坏可逆，学生可以根据自己的学习进度，课前可预习，课后可根据自己的学习情况针对薄弱难懂的环节反复练习，不用考虑实验成本消耗和实验场地限制的问题。

2 虚拟仿真实验在中药药理学中的应用

以江西中医药大学中药药理虚拟仿真实验为例。

2.1 实验教学项目技术架构（1）“线上模式”，采用B/S架构，用户通过网络链接进入仿真平台，进行学习与操作。如图1。（2）“线下模式”，采用 C/S构架，教师和学生可以通过客户端在局域网内连接上服务器端，获取权限，从而进行知识点学习，3D仿真等操作；教师可以通过“教师登录”，进行题库编辑，试卷编辑，组织学生进行考试，考试结果查询等操作；还可以通过“管理员登录”进行用户管理、科目管理、考试管理等操作。如图2。

图1 线上模式

图2 线下模式

相对于传统的教师先进行讲解和示范，学生再按照实验指导和示范进行操作的“遵循式”实验教学模式，这种构架虚拟仿真实验教学模式可以让教师直观、省时、高效率地观察到每一个学生的操作情况，教师只需在旁指点，既减轻了教师的授课压力，也能让学生自主创造性的做实验，促进学生思维发展［3-5］。

2.2 中药药理虚拟仿真实验过程介绍中药药理虚拟仿真实验项目主要分为六组中药材的实验模块，选取六种不同的药材，依据这六种中药药材的特性，分别作用于家兔或小白鼠身上，观察药材所起到的药理作用［6-7］。这六种中药的实验模块分别是延胡索和醋制延胡索镇痛作用的比较（热板法）、附子炮制前后致小鼠中毒表现的影响；鱼腥草对发热家兔的解热作用；生大黄、制大黄和大承气汤对小白鼠排便时间和数量的影响（炭末法）；复方党参对小白鼠记忆获得性障碍的影响；酸枣仁对小鼠的镇静作用。每个实验模块，都设置了知识库、考核和仿真训练。学生在对相关知识有了初步了解的基础上，才进行虚拟实验的开展。让学生不仅知其然，更要知其所以然。在开展实验之前让学生重新温习一下实验目的和实验原理，以便于实验更加顺利的进行。在虚拟仿真实验的具体操作中，学生在逼真的实验场景下，清楚地了解到实验的每一个具体步骤，也会有弹跳页面提示下一步操作，让学生清楚的记得每一项关键步骤。让学生学会运用所学理论知识指导实践，又通过清楚、完整的实验过程巩固理论知识。并且在老师组织安排下，可以进行理论知识和仿真实验考核，让老师能对学生的理论知识水平和动手实验能力有所了解，同时，学生也能清楚的认识到理论与实践的差异，在往后的学习上能够更加注重实践与理论的结合。本文中虚拟仿真实验注重理论教学和实践教学相结合，大大地增加了学生对理论知识的学习动力，同时培养了自主学习，乐于动手时间的能力。

中药药理实验教学的目的是让学生验证前人所得理论，促进理论知识和实践内容的紧密结合，掌握操作药理实验的基本方法、技能［8］。虚拟仿真实验可以让学生通过动物实验帮助他们更直观、有效率地学习和掌握中药药理作用。还可以反复进行实验操作，提高学生实际操作技能。采取的虚拟仿真技术手段，给学生降低了教学成本的同时，又实现了实验动物、器材和试剂的“零投入”和废弃物的“零排放”，既节约成本又绿色环保［9-10］。

2.3 传统教学的延申与拓展长期以来，中药药理学教学实验由于受到选课课时、实验成本、实验安全等因素的影响多以验证性实验项目为主，只是作为学生理解理论教学内容的辅助，学生缺少对实验的创造性能力的培训，只是被动听课、重复课本上简单固定的实验及操作流程，缺乏主动思考，研究思维及创造性思路难以得到开发，并且理论与实践脱节，更是降低了实验教学质量。实验教学面临各种各样的问题，已经不能满足新形势下的教学要求和社会、企业用人要求。教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中指出，虚拟仿真实验的教学工作必须坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”，本实验教学项目通过运用现代化信息技术，以虚拟仿真实验的模式开展教学，致力于提高高校学生创新精神和实践能力，共享节约优质实验教学的资源，同时建设信息化实验教学，满足中药学专业及相关专业的教学需求，培养学生的实验设计技能，实现培养创新型人才的目标［11-13］。虚拟仿真实验室在实验教学中的应用，是对传统实验教学的延申和拓展，弥补了传统实验教学的不足，节约资源成本，突破了空间界限，其先进的技术和教学模式，又促进了现代实验教学的改革，符合国家和现代社会要求的“科学”“资源共享”“持续发展”等的理念［14-15］。

3 结束语

随着计算机的广泛运用，现代化教学也逐渐进入教学领域，高校信息化实验室建设已然成为必然趋势，虚拟仿真实验在中药药理学中的应用，使实践教学过程安全、高效、多样。降低实验成本的同时，能满足更多学生进行实验的需求，帮助学生理解中药相关的的主治功能以及中药对人体的药理作用。总之，虚拟仿真实验为学生提供逼真灵活的实验环境，有利于提高教学效率，节约教学成本，为社会培养全能创新型人才。因此，虚拟仿真实验室不仅可以应用于中药药理学专业，也可以应用于其他需要实验教学的专业；不仅可以在高校中推广，也可在中小学教学中推广。