虚拟仿真技术在药物化学实验教学中的应用探索

李福荣，李炳龙，王 蕾，管西栋

（山东第一医科大学（山东省医学科学院）药学院，山东 泰安 271000）

新时代对高校人才培养提出了更高要求[1]。培养动手与创新能力强、科研素养高、专业技能扎实、职业道德良好的新型药学专业人才，满足科研机构和医药企业需求是药学类高校面临的新挑战[2-3]。药物化学是一门发现与发明新药、合成化学药物、阐明药物化学性质、研究药物分子与机体细胞（生物大分子）之间作用规律的综合性学科。实验是药物化学的重要组成部分，它将药学和化学知识有机结合起来，对培养学生动手能力、创新思维和科研素养具有重要作用，为以后学生在科研院所、医药企业工作奠定基础[4-5]。

创新能力、科研思维的培养过程实际上是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程[5-6]。本科实验教学包括预习实验、教师讲解、学生实验、提交实验报告几个环节。学生实验包括投料、实验跟踪、实验后处理几个步骤。由于时间关系，实验跟踪中TLC检测、液相检测等经常一带而过。从科研思维培养角度来看，本科实验的过程是不完整的，对产品结构确认—产品纯度分析（熔点测定、HPLC）—工艺优化—中试放大—车间生产—自主创新实验很少涉及。这一过程完整展现了药物研发、分析、生产过程，包括从实验室小试研发到中试放大、车间生产，最后到实验室研发。完整的培训有利于增强学生分析、解决问题能力，提高科研素养，提升学生创新能力、实践能力，更好地满足医药研发和生产企业对应用型人才的需求。

传统药物化学实验教学多采用几个经典实验，如葡萄糖酸锌、阿司匹林、扑热息痛、苯唑卡因等的合成[7-8]，这些实验操作简单、方法成熟，有助于加深学生对知识的理解，锻炼学生动手能力。其教学模式为教师讲授、示教，学生重复验证，缺乏积极性和主动性，不利于科研思维培养。人们在此基础上进行了许多有益探索，如把验证性实验改为自主设计实验等[9-10]，但是，受实验学时、实验设备等限制，药物化学实验教学只能进行从投料到后处理部分的操作，舍弃了产品结构确认、纯度分析等内容，学生分析问题、解决问题能力得不到锻炼，对于医药研发企业急需的工艺研究、中试放大等实验技能更是无法展开培训，很难满足医药企业人才需求。此外，思想道德教育与药物化学职业道德教育也没有结合起来。因此，改革药物化学实验教学，将新思想、新技术和新内容融入实验教学，有利于培养学生创新能力和科学素养，为今后药物化学教学改革提供新的方向。

虚拟仿真实验是现代信息技术与传统实验教学深度融合的产物，极大地拓展了学生的学习资源和空间，丰富了教学模式，弥补了实验教学的不足[11]。特别是情景式虚拟教学方法，使学生身临其境地进行实验操作，教学效果好于教师单纯说教。因此，在实验教学中引入虚拟仿真技术，弥补教学中设备、学时等的不足，线上和线下教学相结合，培养学生独立思考能力，分析问题、解决问题能力和创新能力，不仅有助于传统实验教学走出困境，也对促进药学相关专业实验教学改革有一定的积极作用。

1 传统药物化学实验教学存在的问题

1.1 教学模式单一

目前的药物化学实验项目一般为验证性实验，考虑到实验的安全性，所选项目多为经典药物的合成，操作简单。教师讲解实验步骤和注意事项，示范仪器使用方法，学生按照实验课本和教师的讲解在有限的时间内按部就班地完成实验任务，实验过程中缺乏思考，分析问题、解决问题能力得不到提升，创新思维和科研意识得不到培养。

1.2 学时有限，部分实验无法开展

药物化学实验一般为30～50学时，由于时间有限部分实验无法开展。教师讲解后，学生要完成仪器组装、称量样品、投料、后处理等一系列操作，导致时间非常紧张。实验过程中往往规定反应时间，到时间后，结束反应进行后处理，缺乏反应跟踪，不能动态监测反应过程，学生无法发现问题、解决问题。

1.3 实验设备有限，培训过程不完整

正常的科研流程中，得到产品后结构确认是非常重要的一环，也是药学专业学生的基本技能，常用仪器有核磁共振仪、高分辨质谱仪。由于这些仪器价格昂贵，使用成本高，因此相关实验无法普及。教师只在理论课上进行讲解，学生无法亲身实践，对产品结构分析缺乏认知，相关知识匮乏。

1.4 缺乏实践，与实际应用脱节

新时代对高校提出了新的要求。学校教学大纲的制定落后于行业发展，教学缺少到工厂实践的环节，导致人才培养质量难以满足药企需求。目前，实验教学多是比较成熟的实验的重复，学生对于如何得到成熟工艺缺少认知。另外，药品工业化生产需要在小试研究工艺成熟的情况下，于中试工厂或车间进行中试研究，掌握规模扩大过程中各化学反应条件的变化规律，解决实验室研究中不能发现的问题。而实验教学一直是实验室小试研究，学生缺乏相关技能，无法满足企业需求。

1.5 重视专业知识学习，忽略思政教育

近年来，高校学生在社交平台发布不当言论的情况屡有发生，暴露出高校在思政教育方面存在缺陷。高校思政教育效果不佳，教育内容抽象、方法单一，学生没兴趣、不愿学，参与度不高。将思政元素融入实验教学能够很好地解决这一问题。可以在学生学习专业课的同时开展思政教育，达到润物无声的效果。然而，目前的实验教学仍以专业技能教授为主，思政教育略显不足。

2 药物化学实验教学模式探讨

2.1 改革教学模式，虚实结合

改变传统的教师灌输式教学、学生机械性重复的教学模式，坚持“以学生为中心”教学理念，采用基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学，引入虚拟仿真技术，通过真人模拟、人机交互，激发学生实验兴趣，提高学生实验操作技能。虚拟仿真实验教学包括实验预习、实验演示、实验操作和实验考核等模块。实验预习模块类似实验教材，有实验目的、原理、操作步骤、注意事项等内容。实验演示模块为全过程规范操作的录像，便于学生快速了解实验内容。实验操作模块模拟具体实验操作，学生自主实验，在文字、声音和高亮提示帮助下，人机交互，模拟操作实验。

2.2 改革教学内容，线上线下相结合

改革教学内容，将实验项目精简合并，结合虚拟教学内容，进行完整的实验培训。实验中合成、跟踪、熔点测定、工艺研发部分，通过线下教学完成。教师提前布置实验任务，学生通过预习、查阅文献、看演示视频，掌握相关知识。教师上课时提问，然后讲解实验内容。实验跟踪部分，分组讨论，以TLC和液相色谱为主。工艺研发部分需要集体合作，将全班分成几个组，每组在不同条件下实验，最后汇报实验结果，全班进行讨论。

2.3 采用虚拟仿真技术模拟，克服设备缺陷

结构鉴定部分需要用到的大型仪器价格昂贵，而且还受到仪器数量和教学学时限制，导致相关实验无法开展。此类仪器操作自动化程度较高、内部器件大多被封闭，学生不能在短时间内熟练操作仪器、理解工作原理。构建虚拟仿真实验仪器教学环境，学生通过人机交互完成教学实验的各个环节（包括样品前处理、仪器参数的设置、测试过程的操作、数据处理、结构分析等），既能对这些大型仪器的工作原理及操作方法有一个基本了解，又能掌握化合物结构分析操作。

2.4 设计虚拟中试工艺，补齐工厂实践短板

实验室小试研究与中试放大、车间生产既相互联系又有很大区别。中试放大的目的是为扩大生产提供可靠的实验数据，并对工艺进行修正，对不适合工业化的部分进行优化，开发出适合生产的工艺，此过程需在中试车间进行。由于试验场地、设备和安全性等条件的限制，在实验教学中无法开展。采用虚拟仿真技术，根据生产过程，模拟中试车间操作流程，按照实际生产过程创建教学情景，其中工艺路线和单元反应操作方法的最终确定、设备材质和型号的选择、工艺流程和操作方法的确定、物料衡算等步骤和实际生产流程吻合，使学生对车间操作规程有基本的了解，掌握中试放大技巧，提高实践能力。

2.5 加强思政引导，培养学生家国情怀和科研素养

坚持把立德树人作为教育的根本任务，把思想政治工作贯穿教育教学全过程。在药物化学实验教学过程中，把教学和思政元素糅合在一起，做到润物细无声。利用实验教学培养学生严谨的科学作风、实事求是的科学态度，实验过程中，如实记录实验现象、实验数据，提倡科研诚信；工艺优化环节，培养团结协作精神，通过对工艺条件的讨论，增强学生环境保护和节约资源意识；中试放大过程中，要求学生如实记录实验现象、实验数据，培养学生严谨、求实的科研作风，爱岗敬业、诚实守信的职业精神。

3 结语

传统药物化学实验教学中科研思维培养过程是不完整的，学生分析问题、解决问题能力欠缺，无法满足新时代科研机构和医药企业对人才的需求。虚拟仿真技术由于自由度高、交互性强、趣味性好、仿真度高等特征被广泛应用于国内外诸多学科和专业的实验教学。药物化学实验教学引入虚拟仿真技术，虚实结合，可以有效弥补传统实验教学的不足，线上和线下相结合，在教学中融入思政元素，培养学生职业素养、创新能力、科研素养、实践能力，满足新时代人才培养需求。

笔者对药物化学实验教学进行改革，并在超星泛雅平台建成网络课程，实验课前组织学生观看演示视频，进行线上学习，结合实验内容，书写预习报告。我们发现学生对实验的理解比以前深刻，掌握实验操作的时间明显缩短，动手能力明显增强。目前，笔者正在积极进行虚拟仿真实验项目建设，探索虚拟实验应用于药物化学实验教学的新思路。