药学虚实结合实验教学模式的探讨

徐婷婷，常笛，刘茁，王达，刘超，乔明曦，杨丽

沈阳药科大学药学院 (沈阳 110016)

药学是一门涵盖药物化学、药物制剂、药物分析、药理学和制药工程等学科的综合性应用学科，而实验教学对于药学专业学生培养来说是不可或缺的一部分[1]。然而，某些实验由于场地、条件或成本等因素限制尚不能开展实体实验，极大地限制了学生实践与创新能力的培养，使实验教学所发挥的作用不能达到预期。新时代背景下，基于Web技术虚拟实验室的开发，为这一难题的解决带来了契机，现已成为我国众多高校实验教学改革的重要发展方向之一[2-3]。以药学学科为例，笔者探讨虚拟实验室在本科实验教学中的应用，进而阐述虚实结合的教学新模式之必要及其设计，以期为虚拟实验室在各学科实验教学中的应用提供参考。

1 虚拟实验室在药学实验教学中的必要性

早在1989年，虚拟实验室的概念被William Wolf教授所提出，其描述的是一种计算机网络化的虚拟实验室的环境[4]。目前，国内很多高校都已经建立了虚拟实验室，2016年，教育部批准清华大学自动化系统虚拟仿真实验教学中心等100个实验教学中心为国家级虚拟仿真实验教学中心[5]。2019年，教育部公布共计298个项目入选2018年度国家虚拟仿真实验教学项目[6]。由此可见，教学信息化必将成为实验教学改革的新趋势和新潮流[7- 8]。构建虚拟实验室的必要性表现在以下几方面。

首先，虚拟实验室克服了硬件、软件、环境等因素限制。在药品生产质量管理规范(GMP)实训中，各种药物制剂的生产均需要在符合一定洁净程度的GMP车间内进行，高校的实验教学中心很难具备合适的硬件设施，同时也没有必要建设造价和运行费用较大的硬件设施[8-9]。虚拟仿真GMP实训实验，即模拟药品实际生产的真实硬件、软件、环境和过程等，开展仿真GMP实训，既节约了实验经费，同时也克服了外界的限制因素，实现了时空开放式教学。

其次，虚拟实验室克服了成本昂贵、伦理学、环保等因素限制。在本科药学实验教学中，常常由于试剂、试药、产物存在环境污染等问题，实体实验不易开展；或是由于使用的仪器尤其是大型仪器，售价昂贵，且需要较大空间和严苛的实验室条件，较难满足学生的实验教学要求；或是由于在实验中使用的大型实验动物，比如猿猴、比格犬、小型猪等，其不仅价格相对较贵，而且还存在实验动物伦理问题，不宜因实验教学目的而残杀动物。而虚拟实验室的出现克服了传统实验教学中伦理学问题、成本昂贵、环保等因素限制。

此外，虚拟实验室还克服了课堂及地点等因素限制。传统本科实验教学通常采用集中选课、上课的教学模式，这在很大程度上限制了学生所进行实验的时间，并且通常是教师演示，学生进行重复的过程，在有限课时内，同一实验无法在教师指导下重复进行[10]。与此同时，很容易出现由于中途操作失误导致实验整体失败，学生也没有足够时间重复实验，进而导致其余实验操作没有机会练习，以致于缺少对这个实验的整体感受。在网络虚拟实验室，学生具有更强的自主性，可以随心随时随地选择想要做的实验项目，摆脱了资源和课时的限制，大大地延伸了实验教学时间，增强了学生学习的主观能动性[10]。

2 虚实结合的实验教学新模式

尽管虚拟实验室解决了实体药学实验教学存在的限制因素，能够大大地拓宽实验教学内容，增强学生自主学习的能力，然而虚拟实验室在实际运用的过程中逐渐显露了一些不足[11]：首先，虚拟实验是基于实体实验的已知经验规律所设计出来的，缺少真实情景的操作，容易使学生有不踏实的虚拟感。其次，人工设计出的虚拟实验可能不足以涵盖学生在实体实验当中可能出现的各种情况，使学生缺失了如何应对突发性事件，排除故障以及解决其他异常情况的应变能力和机会。最重要的是，虽然虚拟实验打破了传统场地的限制，学生可随时随地去登录学习，但教师言传身教的作用被大大地弱化了，不利于学生对实践经验的吸收和总结。因此，虚实结合的教学新模式为药学课程的实验教学改革提供突破口。

“虚实结合”把学生对实体实验的操作过程与借助计算机软件对实验过程的模拟结合起来，能促使学生分别将真实与虚拟情境中的所学融会贯通，在“虚”与“实”的经验交互中，实现意义建构。另外，“虚实结合”把现代科技引入传统实验教学之中，实现传统实验情境下无法开展的实验。这种“虚”与“实”的结合，有利于学生整体知识结构体系的形成、创新意识与解决问题能力的提升。与此同时，该技术把传统实验教学要素与虚拟实验深度融合，可以真正地树立学生为中心的主体地位，打造智能学习环境，实施智能化的精准教育。

相对理论教学而言，实验教学所特有的直观性、启发性、实践性以及探索性对于提高学生的思维能力，动手能力以及创新能力有着不可或缺的作用。将虚拟实验引入药学实验教学的建设中，构建虚实结合的药学实验教学模式，打造贯穿现实药品研究开发与生产整个过程的高度仿真药学虚拟实验环境和实验对象，可帮助学生掌握新药研究与药品实际产业化生产的全过程，降低实践教学成本和风险，节约实验教学时间，拓展实践教学的广度和深度。

3 虚实结合实验教学模式的构建

3.1 建设目标

实验教学可检验学生理论学习的掌握情况，教师进行知识再传授，是培养学生解决问题的能力以及创新能力的重要途径。因此虚实结合的实验教学模式的建设须以提高人才培养质量为出发点，以提高学生的创新能力以及实践能力为核心，与新时代的大学生特点、“互联网+”背景下的教育体系和人才培养要求相匹配。

3.2 设计思路

“能实不虚，以虚补实，以虚促实”是构建虚实结合的实验教学模式的核心设计思想，其一方面实现了现实教学条件下无法完成的实验教学功能，另一方面加强了实验教学内容的深化以及拓展。

3.2.1 坚持从教学需求出发

以实验教学需求为出发点，紧密围绕教学大纲和课程体系，是虚实结合的实验教学模式构建的根本。实验教学的根本目的在于培养学生实践动手能力和创新意识，在实验的选择以及设计上，设计者应优先选择综合性、探索性实验，而不是简单的演示性实验[12]。对于实体实验中不具备实验条件的或者难以达到教学效果的实验，应当优先建设虚拟实验。例如GMP实训实验，高校的实验教学中心很难具备合适的硬件设施，仅仅依靠理论教学很难达到教学效果；对于实体实验就可以达到教学要求的实验，则不应考虑虚拟实验建设。例如乳剂的制备，混悬液的制备，这种依托实体实验学生可以完全掌握的实验就无需再建设虚拟实验，否则会造成资源的浪费；而对于那些没有学科特点以及特色的公共课程，则可以采取共享应用的方式。

3.2.2 坚持体系建设

对于虚实结合的实验教学模式来说，必须要坚持成体系建设[13]，使其具有一定的短期以及长远的规划，对实验教学项目的开展必须有计划、有目的地进行。高校应在结合学科特点的同时，以提高教学质量为目标，以学生为中心，推进个性化、智能化的“多层次、一体化、虚实结合、科教协同”的实验教学体系的应用。例如，华侨大学旅游实验中心所建设的“三横四纵”虚拟仿真实验教学内容体系，其从“卓越旅游管理人才”培养方案出发，将虚拟仿真教学内容的建设分为三个层次。首先以一些基础相关学科虚拟仿真实验为基础，强化学生的专业技能；其次以景区、会展、酒店等各大旅游企业为虚拟仿真对象，建设成针对旅游运营整体过程的仿真实验，最后依据学科优势，进行旅游安全、在线旅游创业、旅游创新大赛等创新创业训练[14]。除此之外，对于进行虚拟建设的实验部分应当与实体教学形成互补关系，相互匹配，并且也需要有配套的教案、操作以及引导等。对于与虚拟实验项目相配套的管理、人事、经费等保障机制也应随之建设起来。例如，在组织制度方面，实施院、校两级管理。中心主任和副主任由学校选聘，实行主管校长领导下的中心主任负责制，采取全员竞聘、择优上岗、定期考核的管理机制。中心集实验课教学组织、教学研究、教学管理和实验室管理一体化，对实验教学安排、实验教学人员、实验设备、虚拟仿真教学资源实行各专业实验室的分级管理，实现教学资源的有效统筹规划。

3.2.3 重视质量评价

根据教育部相关文件精神，建设虚拟仿真实验教学中心的目标在于实现“信息化教学资源建设”，其核心是“优质教学资源共享”[15-16]。但我国目前现有的虚拟实验教学资源的建设普遍存在内容简单、重复性高的特点，且大多数项目都缺少互动性、设计性，多为播放式或者单线操作，完全脱离了原本建设的初衷。因此相关部门应当对项目进行质量评价，只有通过后的项目才能上线，这样才能建设出高质量项目。目前的质量评价方式大多为定性评价，通常由专家针对该项目的可实施性、教学效果等进行评语描述，存在无法对结果进行量化的问题，导致无法同时对多个虚拟仿真项目的质量评价结果进行排名。有研究学者指出可采用专家打分法或层次分析法对评价指标体系进行赋权研究[15]，然而专家打分法存在着参与专家人数多、打分周期长等问题；层次分析法存在一致性检验、计算过程复杂繁琐、推广受限等问题。因而构建实用性强的质量评价体系对虚拟仿真实验项目建设质量的评价十分关键。

3.2.4 注重科研成果转化

“教不研则枯，研不教则殆”。倘若教学与科研相互脱离，那么必然成了纸上谈兵，或者是无本之木。因而在实验教学中，高校应注重“产学研”一体化，特别是对有药学学科特色和实用性强的科研成果的转化，逐步形成“教学-科研-转化”三者相互促进的良性循环，有助于学生创新精神和综合能力的提升。教学团队采用虚拟实验教学的形式将教师的科研成果转化为教学资源。这是一个很好的解决途径，可以传递最前沿的知识信息，服务于人才培养和本科教学，提高了实验教学的深度和广度，解决了传统教学中存在的知识滞后的问题，突破了实体实验中可能会存在的引入先进技术或者大型设备的条件限制，摆脱制备高成本实验试剂的束缚。另一方面还能够进一步缩短学生与科研之间的距离感，拓展学生知识视野，提高学生的创新思维能力。此外，基于科研成果的优质教学资源，还可构建校企共建共享的药学虚拟仿真实验教学的新模式和新途径，所建设的虚拟实验平台不但成为企业岗前培训的虚拟实训平台，还成为企业研发创新药物的实用平台，为企业创新药物的研发提供服务，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑平台，增强虚拟实验中心的示范辐射作用。

4 结语

在“互联网+”的时代背景下，实验教学必须要紧跟高等教育深化改革的步伐，而虚拟仿真无疑是一种新的教育生产力，是推进“智能+教育”的创新一招。虚实结合的实验教学模式作为传统实验教学与虚拟实验有机结合的产物，能够实现传统实验情境下无法开展的实验，有效拓展实践教学的广度和深度，是助力高等教育创新发展的有力抓手，必然会为药学专业的可持续发展注入新的活力。