医学院校医用有机化学虚拟仿真教学实验的设计与应用

王海波 张俊娜 何 炜

空军军医大学药学院化学制药学教研室，陕西西安 710032

目前，在实验教学中融入虚拟仿真技术已得到迅猛发展，是国内外教育改革发展战略的重要方向。教育部近年来先后发布了《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》[1]《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》[2]文件，强化了对于虚拟仿真实验实训中心建设的必要性和重要性。虚拟仿真实验教学模式基于虚拟现实、人机交互、互联网等数字技术和数据资源，对一些不具备真实实验条件或难以完成的实验，依托于高度仿真的数字虚拟环境，构建虚拟仿真实验室、实验操作环节、实验对象等，模拟真实实验教学中的多种场景，可实现教师和学生在虚拟实验室中进行完整的实验教学流程，呈现出虚拟仿真实验的效率高、拓展性好、安全性高、易于开放和资源共享等优点，从而达到虚拟仿真实验对真实实验教学的有效补充和延伸，也为实践教学模式的改革提供了更多途径，更易于采用多种以学生为主体的多元化教学方法，易于强化学生学习的主动性和开拓性，培养学生的创新意识和科学思维，贯通课上与课下、理论与实践、教学与科研，更加适应当今时代大学生的学习习惯[3-4]。

医用有机化学是为医学院校本科专业开设的一门重要的公共基础课，与医学、药学、医学等内容密切相关，是培养学生医学素养必不可少的课程。其中，化学实验是学生运用理论知识、提高动手操作技能的重要环节，对于学生理解和领会化学与医学课程相关的内容，培养其科学的思维方法十分重要，对其后续学习生物化学、药理学、生理学、预防医学等医学专业课程起着基础框架的作用。因此，结合当前虚拟仿真技术的快速发展，本教学组构建了医用有机化学虚拟仿真实验教学平台，为“互联网+”背景下建立与医学、药学更加紧密融合的实验教学体系提供了支撑与保障。

1 实验项目建设背景

在传统的化学实验中，一些涉及高危、高压、低温或极端环境要求，不可及或不可逆的操作，导致高成本、高消耗的实验难以在本科生实验教学中顺利开展[5-6]。化学实验的教学内容多是验证性及综合性实验，一些与医药学或药学相关的大型或综合性化学实训项目无法开展。

近年来，国内一些医药类高校，如中国药科大学、成都中医药大学、江西中医药大学创建了国家级虚拟仿真实验实训中心，通过将传统实验实训和虚拟仿真实验有效结合，明显提高了学生的学习兴趣，学生在实验过程中操作的盲目性及操作失误概率显著降低，节约了实验成本和资源，弥补了传统化学实验教学中存在的诸多问题[7]。

学生对化学实验的学习动力不足、兴趣不浓，难以激发学生的兴趣，实验时照方抓药，对真正的原理理解不透。学生进行虚拟仿真实验时，如同进入了真实实验室，能够对使用的仪器、装置和操作方法有直观的了解，与理论知识点相衔接，对实验原理有更深入的理解和掌握。而且，学生对虚拟仿真实验的形式充满好奇，进入实验室后可感受到丰富的模块内容。操作界面友好，学生按引领依照步骤实施实验操作，观看展示的实验现象，其学习的主动性可有效激发，从而提升了实验教学的整体效果[8]。

学生在实验操作阶段可能存在产率低或得不到产物的问题，尤其是有机合成、天然产物提取等实验，需要大量的有机试剂，将造成一定的环境污染。此类实验若采用虚拟仿真实验实施，则可凸显虚拟仿真实验周期短、操作简便的优势，有效减少实验器材、药品的消耗，减少环境污染[9]。

受限于学生实验条件，一些大型先进的仪器设备无法应用到真实实验教学中，如有机合成实验，需要应用红外、核磁、质谱等仪器鉴定化合物结构，但由于实验场地、实验室条件及实验操作人数的限制，难以在本科生实验教学中应用。而依托于虚拟仿真实验，则可将此类实验引入本科教学中，设置难度较大的实验，整合有机化学中先进的仪器设备，更加利于开设化学与医学和药学密切结合的实验项目[10-11]。

本研究所述医用有机化学虚拟实验的构建思路及应用，是在获得的中华医学会教育课题[基于虚拟仿真实训平台构建“三协同”多元化医学院校化学实践教学新模式的研究（20B1228）]基础上，借助于空军军医大学信息化教学平台，把虚拟仿真实验技术融入到有机化学实验课教学中，采用化学实验课的多元化教学模式，真正体现出学生学习的自主性和思维的创新性，力求提高医用有机化学实验课教学的质量和效益。

2 医用有机化学虚拟仿真实验项目的建设内容

本研究所建设的医用有机化学虚拟仿真实验教学平台，采用的是易于开发、适用性较强且维护成本较低的“终端/服务器（B/S）”架构，通过学校局域网连接虚拟仿真实验室与各实验用户，实现不同实验用户共享同一虚拟仿真实验空间。应用这套虚拟仿真实验教学系统，学生能够自主化进行实验预习，阅读、学习实验背景及拓展资源，了解和掌握实验原理，再进行虚拟仿真实验操作及实验微课观摩，进一步加深对所学知识的理解。

2.1 虚拟仿真实验教学内容

医用有机化学虚拟仿真实验的教学内容是按照空军军医大学医学专业本科生的培养目标，依托现行的科研“早实践”和“本科生导师制”进行确定，注重化学与医学、药学的融合、教学与科研的融合、课内与课外的融合，将有机合成、药物化学、药效学等相关学科的特色综合于虚拟仿真实验教学内容当中。笔者所在化学制药学教研室的科研方向主要有不对称催化反应研究、药物活性分子的合成及药效学筛选等，教师按照对学生的培养目标，将科研课题分解为若干单元，从中选取与实验课内容密切相关的单元，设置为虚拟仿真实验项目，达到培养学生综合分析问题、创新思维的目标，也可使学生近距离的感受科研氛围，使医用有机化学实验的教学效果更加生动。

如教师将承担的国家级科研项目“辐射防护药物氮氧自由基的设计合成及药效学研究”建设成为了虚拟仿真实验。在该虚拟仿真实验中，首先向学生展示了实验项目的背景：随着现代高科技的发展，辐射作为一种广泛存在于自然界的“隐形污染源”，在民用领域严重威胁着人类健康，而氮氧自由基类化合物能够很好地降低因电离辐射导致的氧化损伤[12]。通过这样的背景介绍，使学生对药物的制备及应用产生了浓厚的探索兴趣，尤其是拓展了其医学和背景知识（图1）[13]。在实验操作部分，着重强调有机合成反应类型、机制；合成操作方法则涉及到有机合成的一系列基本操作，如搅拌、滴液、回流等；化合物的后处理方法涉及到萃取、分液、过滤、旋蒸、柱层析等操作；新化合物的结构鉴定采用1H NMR、13C NMR进行，这些操作与其在理论课中学习的知识点密切呼应。见表1。

表1 辐射防护药物的合成虚拟仿真实验中学生学习到的知识点

图1 虚拟仿真实验中与化学、医学相关的背景知识介绍

2.2 虚拟仿真实验系统的模块与功能

在医用有机化学虚拟仿真实验系统中，设有该学科的整体介绍、教学师资、特色创新、管理平台、条件保障、资源导航等模块内容，使用者可以管理员、教师或学生的身份登录系统。管理员主要是维护和增添平台的数据库，使用者可借助局域网计算机或手机等终端设备浏览器访问服务器，完成电子教材阅读、实验微课观摩、实验操作、练习与考核、实验报告提交等模块的学习。同时，虚拟仿真实验系统搭载了超星学习通网络课程，学生在实验学习过程中，可实时在线或留言与教师交流，分析处理实验中遇到的问题。教师则全方面掌握学生预习、实验操作、对问题的解决等学习情况，针对学生薄弱部分进行重点关注，实现“多层次、开放式”的虚拟仿真实践教学体系在医用有机化学教学中的应用（图2）。

图2 “多层次、开放式”的虚拟仿真实践教学体系

2.3 教学组织模式

在医用有机化学虚拟实验教学系统中，采用超星学习通作为网络学习媒介，建成了实验目录、实验原理、操作步骤、注意事项、数据处理方法等条目。本教学组还录制了配合虚拟仿真实验的实操微课视频，从实验原理、实验操作、注意事项等方面逐一进行现场讲解作为虚拟仿真实验的辅助。在具体的教学实施中主要以探究式教学法为主要模式依托虚拟仿真实验组织进行。

①选择探究的虚拟实验题目。教师向学生展示虚拟仿真实验主题，学生选择感兴趣的实验题目，教师提出需要解决的系列任务，学生根据任务有的放矢的查阅文献和资料，撰写并提交与实验主题相关的小综述，经过学生自主加工学习后，再组织学生到虚拟仿真实验室，学习与实验主题相关的背景知识和实验原理，为设计实验方案提供基础。②学生提出初步实验方案。教师在学习通中将选择同一实验主题的学生分至同一组，组织其自行设计初步实验方案，方案中需包含实验药品、实验仪器、操作步骤，尤其是提出一些方案中需要讨论和解决的问题。学生将实验方案和问题提交至学习通讨论区。③论证实验方案的可行性。学生和教师在学习通讨论区对实验方案进行集体讨论研究，并在课堂选择学生代表，以课件讲解的形式，汇报初步实验方案，指导教

师与学生进行共同论证，包括实验步骤、合成原料、注意事项等，这些问题需具有一定的普遍性。师生共同完善实验方案。④完成实验操作。学生在充分准备好预习与实验方案后，在教师的指导下，以使用者身份登录进入虚拟仿真实验室进行实验操作，实验期间需详实记录实验现象，如实记录实验数据。实验结束后对所记录的实验现象和数据进行整理和分析，撰写并提交实验报告。⑤进行实验反思。要求学生在提交实验报告时，同时进行实验的总结和反思，对比虚拟仿真实验和自己设计实验方案的异同点，写出造成方案差异的原因和由此引起的实验操作或结果的差别。对于完成情况较好的小组，教师可以让其分享实验设计的心得，大家交流讨论以及学习其好的做法，最后教师再进行点评。

3 医用有机化学虚拟仿真实验项目的应用调查

这种依托于虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术及科研课题分解单元所建设成的虚拟仿真实验项目，显示出“虚实结合”、教研互补、体现化学与医学和结合的特色，使学生一方面牢固掌握基础的有机化学知识，也使其在完成虚拟仿真实验的同时，感受到化学对医学、药学和发展的推动作用，对于医学和相关的有机化学原理的理解更加透彻。

通过调查问卷对空军军医大学药学院2020级医用有机化学的本科教学效果进行统计分析。见表2。结果显示，多数学生对于实验课的自学能力有了较大程度的提升，如实验动手操作能力、对化学实验课的兴趣、对理论课知识点的理解方面均有较明显的提升。大部分学生对于参与科学研究的兴趣有较明显的提高，如对严谨的科学作风、实事求是的科学态度有了一定感受，思考、分析、解决问题的能力有一定的提高，对创新意识和能力有进一步的认知。该调查统计数据表明，本研究采用的虚拟仿真实验项目取得了较好的教学效果。

表2 与科研结合的实验教学模式在《医用有机化学》教学中的学习效果调查问卷（325份有效调查问卷）

4 总结

培养创新型、综合素质的医学人才，已成为我国新时期人才培养的迫切需要[14]。医用有机化学虚拟仿真实验平台设置有多个实用的功能模块，与现实的实验操作训练优势互补，强化了化学与医学和药学的联系，利于调动医学生参加创新活动的积极性、主动性，显著提高了学生的实践能力、创新能力和科学素养，对于提升医用有机化学实验教学效果起到了积极的促进作用[15-16]。