科学可视化应用于药物分析实验教学——以葡萄糖的鉴别为例

陈睿婷，郑艳洁，林小燕，王彦霖，许玉娜，赵博文，陈伟

福建医科大学药学院，福州 350122

“可视化”一词源于英文的“visualization”，其作为专业术语，始于1987年美国国家自然基金会召开的首届“科学计算之中的可视化”研讨会。可视化是将数据、信息和知识，转变为形象化的视觉表达形式，通过人对可视模式的敏锐识别，实现快速解读的过程[1]。科学可视化则是将科学知识和视觉艺术相结合，通过图像、视频等方式，进行具象化演绎的过程[2]。信息时代的来临，极大地推动了科学可视化的发展和传播。梁琰等人组成的“美丽科学”团队，建立了美丽化学网站，将化学之美通过数字技术和媒体传递给大众[3]。中国科学技术大学成立的“火花学院”，利用信息化技术，形象生动地展示了中学课本上的知识点，是科学可视化应用到教育行业的成功案例[4]。由视频博主真∙凤舞九天打造的《疯狂化学》《色彩重铸》等系列科普短视频，在各网络平台上广受好评[5]。视频博主Initial_Pharmacy发布了一系列药剂静态崩解的视频，为药学知识的普及和传播做出了良好的示范[6]。科学可视化具有直观易懂的特性，将其应用于教学，可使教学过程变得更为轻松有趣[7–10]。

药物分析实验课程是药学的专业必修课，近年来，许多高校教师致力于这门课程教学模式的改革，一些诸如线上线下混合式教学、翻转课堂、以问题为导向的教学方法(problem-based learning，PBL)、虚拟仿真等有别于传统课堂的教学方式，均取得了较好的教学效果[11–13]。将可视化教学引入药物分析实验，一些较为抽象难以讲解的原理、操作和现象，都可以通过影像来直观地展示，使教学变得更加形象清晰且丰富多彩，让学生在感受到科学的美丽和神奇的同时，对课程产生兴趣，潜移默化中培养学生独立思考和创新思维的能力。

药物分析实验是一门专业性比较强的课程，目前在网络上，相关的高质量视频资源仍然比较缺乏，且很难找到和本校设立的实验项目较为契合的视频。因此，选择自己拍摄制作教学视频就成为了必然。在视频拍摄制作过程中，我们融入了科学可视化技术，使之更加赏心悦目，应用于课堂教学时，获得师生的广泛好评。相关的录课视频，陆续发布在bilibili网站[14]，依托互联网，建立起线上教学平台，实现了更大范围的资源共享和学术交流，为药物分析的实验教学和知识传播添砖加瓦。

1 可视化教学设计

药物分析实验作为药学的一门重要的专业必修课程，其教学目的，绝不只是将药典中的操作过程和现象数据重现。其更深层次的目标在于让学生掌握药物分析的原理和方法，了解学科的前沿及发展趋势，继而对药物分析领域有整体上的把握。这就要求在教学过程中，教师对学生进行积极引导。可视化教学方式的引入，可通过形象直观的图像和视频，让学生觉得轻松有趣的同时，增强其洞察力，进而引发更深层次的思考。

葡萄糖在生物学中具有重要的地位，它是活细胞的能量来源和新陈代谢的中间产物。葡萄糖口服后能迅速吸收并被组织利用，通常用于快速能量补充。很多高校的药物分析实验课程，会选择将葡萄糖的分析作为实验项目之一。

本文以葡萄糖的鉴别为例，来讲述可视化教学设计和视频制作流程，相关的教学视频已发布于bilibili网站[15]。药物分析实验的教学设计可分为实验原理、实验过程和实验现象三部分，以下分别进行详细讲述。

1.1 实验原理可视化

葡萄糖的鉴别实验方法，参考2020版《中华人民共和国药典》[16]。葡萄糖的鉴别项(1)的描述如下：

取本品约0.2 g，加水5 mL溶解后，缓缓滴入微温的碱性酒石酸铜试液中，即生成红色的氧化亚铜沉淀。

葡萄糖的鉴别项(1)，采用的是化学鉴别法，是典型的氧化还原反应。二价的Cu2+为氧化剂，葡萄糖为还原剂，在碱性条件下，葡萄糖可将蓝色的酒石酸铜(+2价)还原为红色Cu2O沉淀(+1价)。在这个反应中，酒石酸的主要作用是和Cu2+配位，生成稳定的水溶的配合物，避免Cu2+在强碱性条件下生成Cu(OH)2沉淀。Cu(OH)2沉淀的生成会使得氧化还原反应的速率变慢，且会影响反应过程中的颜色观测。

因葡萄糖鉴别反应过程中伴随着明显的颜色变化，故而能通过颜色观测来判断反应的进程。其反应方程式如下：

C6H12O6+2Cu2++4OH-=C6H12O7+Cu2O↓+2H2O

实验原理的讲解对于实验教学来说非常重要，我们对于学生的要求是要做到知其然，更要知其所以然，最好能举一反三。葡萄糖鉴别部分的原理讲解课件设计要素如图1所示，主要包含三部分，供试品、分子构型和预期现象。

图1 葡萄糖鉴别原理的课件设计要素

供试品通过实物图片展示，让学生对分析对象有直观的印象，葡萄糖粉剂的图片及其包装规格如图1A所示。

葡萄糖的分子构型如图1B所示，天然葡萄糖均属于D构型，有直链式结构D-(+)-葡萄糖，以及两种互为手性异构体的呋喃环结构α-D-(+)-葡萄糖和β-D-(+)-葡萄糖。葡萄糖固体的分子结构和其析出条件有关，在常温条件下，通常以α-D-(+)-葡萄糖带一个结晶水的形式析出晶体，在50–115 °C之间析出无水α-D-(+)-葡萄糖，115 °C以上则析出β-D-(+)-葡萄糖。本实验采用的葡萄糖粉剂，为带有一个结晶水的α-D-(+)-葡萄糖。

在葡萄糖水溶液中，其链式结构和环状结构可通过半缩醛反应相互转换，链式结构中具有醛基，醛基为还原性基团，这便是葡萄糖呈现还原性的原因。它与Cu2+反应后，醛基被氧化为羧基，生成葡萄糖酸，同时Cu2+被还原为Cu2O。

在进行分子结构式的讲解时，为了突出重点，关键的变化的基团，可用不同颜色标记。比如α和β构型的差异，就在于紫色标记的H和OH的位置的互换，形成了一对手性异构体。葡萄糖被氧化为葡萄糖酸，醛基变为羧基，这二者用紫红色字体标记，化学反应发生的基团位置就一目了然。Cu2+和Cu2O的字体则分别用代表它们本身颜色的蓝色和红色标记，可以让人联想到反应过程中的颜色变化趋势。

预期现象则通过反应前后的溶液颜色展示(图1C)，由于反应物Cu2+(澄清蓝色)和产物Cu2O(红色沉淀)的颜色和状态截然不同，鉴别反应过程将会观测到明显的变色现象。

在原理讲解中，与单纯的文字和反应方程式相比，采用色彩明丽的图片和形象的分子结构式，让学生感觉赏心悦目的同时，对于鉴别反应的原理会更容易形成清晰的图像，从而对葡萄糖的分子构型、化学性质和反应过程理解得更为深入。

1.2 实验过程可视化

要清晰地讲述一个实验的操作过程，最为便利的莫过于拍摄实验的操作视频。采用操作视频进行教学，相对于传统的教师现场示范来说，具有如下几个优点：

(1)可重复播放。虽然在视频的拍摄制作过程中需要花费很多的时间和精力，但是在多个平行班教学的情况下非常便利，可避免多次重复的现场示范。

(2)过程时长可控。有些操作步骤，如加热、过滤等，需时很长，又不能直接跳过，并不适宜现场示范。但是在教学视频中，可以通过剪辑或者倍速缩短时长，更好地把握快慢节奏，避免学生在单调枯燥的等待中注意力转移。

(3)对细节的特写。在实验中，有一些动作幅度较小的操作或者尺寸较小的物体，如果现场示范的话，由于学生距离远近或者视角遮挡等原因，可能难以看清；但是在拍摄教学视频时，我们可以采用微距镜头进行特写，使细节清晰可见。

1.2.1 反应温度优化

葡萄糖的化学鉴别，依据药典的描述，是将浓度大约为4%的葡萄糖溶液，滴入微温(40–50 °C)的碱性酒石酸铜试液中。然而在实际操作中会发现，40–50 °C对于葡萄糖鉴别反应来说，温度太低，很难短时间内反应完全，生成红色沉淀。温度是影响氧化还原反应速率的关键因素，因此在葡萄糖的鉴别中，需要适当地提高反应温度。这也是我们在进行药物分析实验时需要注意的，药典会提供总体的分析方案，但是在具体实验条件上，则需要操作者进行条件优化。

考虑到拍摄的便利性，我们对控温方法进行调整，将葡萄糖溶液和碱性酒石酸铜试液同时置于水浴中，加热至指定初始温度，然后取出立即混合反应，进行拍摄。因为反应时试管处于室温环境，反应过程难免会伴随着溶液温度的下降。为了更好地观测溶液的混匀和反应情况，我们将有颜色的碱性酒石酸铜试液加入到无色的葡萄糖水溶液中。分别向初始温度为50、70、90 °C的5 mL的葡萄糖溶液中，同时快速加入1 mL与对应的葡萄糖溶液同温度的碱性酒石酸铜试液，以二者混匀瞬间作为计时零点，用视频记录反应进程。将反应时间为0、10、25、60、150 s的图像进行截图，如图2所示，可以看到，初始温度越高，则反应速率越快。

图2 不同初始温度下葡萄糖和酒石酸铜试液反应进程

通过视频影像，得到不同初始温度下，开始变色时间和反应完全时间，如表1所示。50 °C的样品，150 s内未反应完全，这也佐证了如果直接采用药典方法，因其初始温度低于50 °C，是很难短时间内观测到红色沉淀生成的。而90 °C样品温度过高，反应太快，不易观测到反应过程中更细微的颜色变化，考虑到拍摄的视觉效果，70 °C是一个比较适宜的反应温度。

表1 不同初始温度下的反应变色情况

1.2.2 实验过程拍摄

实验过程采用叙事式的拍摄手法。依据实验步骤拟定分镜头，分别进行拍摄，再通过后期剪辑串起来，像讲述一个完整的故事一样，娓娓道来。葡萄糖的鉴别，可以分为葡萄糖水溶液配制和碱性酒石酸铜溶液配制两条支线。其操作过程中关键步骤的视频截图，配上相应的文字说明，连接形成实验操作的流程图，如图3所示，则葡萄糖的鉴别的操作过程一目了然。

图3 葡萄糖鉴别的操作过程流程图

在拍摄的过程中，相机和镜头的选择是非常重要的，它会影响到整体画面的质感和风格。本实验采用全画幅单反相机搭配微距镜头，镜头参数为：放大倍率1:1，焦距100 mm，最大光圈F2.8。微距镜头通常具有较大的放大倍率，可用于拍摄小尺寸的物体，更有利于展示实验操作中细微之处。这枚微距镜头同时具有较长的焦距和较大的光圈，可获得浅景深，有利于虚化背景，使得画面主体突出。布景时，注意背景和主体的颜色对比、明暗关系和距离远近，可在背景中适当摆放一些玻璃器皿和试剂，避免单一呆板，增加画面美感。背景音乐的选择要恰当，不喧宾夺主，与画面的节奏相协调，教师可以通过配音和字幕，适时提醒实验操作中的要点，并以规范的操作示范，对学生的实验习惯产生潜移默化的影响。

1.3 实验现象可视化

实验现象的拍摄，不是简单地记录，而是要通过拍摄者的审美及艺术的加工而成。这其中创意是最为珍贵的，怎样把实验现象拍得美且有趣，富有吸引力，是现象可视化中最关键的环节。这就要求拍摄者不但要有扎实的专业背景，也要有娴熟的拍摄技巧，如此方能从一个科学摄影师的角度，去预期和发现实验中的美，并采用合适的摄影方法，将之展现出来。

1.3.1 实验的主题和创意

在葡萄糖鉴别的实验中，葡萄糖可还原蓝色酒石酸铜，使之生成红色的氧化亚铜沉淀，而蓝色和红色，恰巧位于可见光谱的两端。在反应过程中，随着酒石酸铜和氧化亚铜的含量变化，溶液颜色会呈现出彩虹色的渐变。因此对于葡萄糖的鉴别实验，我们将之命名为《彩虹糖》，在拍摄的时候，也始终紧扣着“如何用葡萄糖来生成一条彩虹”这个主题，去设计和拍摄了两个很有趣的场景，时间彩虹和空间彩虹。

1.3.2 时间彩虹

时间彩虹，体现的是葡萄糖鉴别反应中，在时间维度上的彩虹色渐变过程。如图4所示，在70 °C的初始温度下，用视频完整记录反应过程中的颜色变化，将不同反应时间的图像截图，随着反应的进行，溶液颜色依次为蓝色、青色、绿色，黄绿色、黄色、橙色、红色的彩虹渐变色调，生成了一条时间维度的彩虹。

图4 时间彩虹的生成

由于反应全程需时较长，且过程中颜色变化快慢不均，呈现先快后慢的趋势，这与反应过程中，后期反应温度和反应物浓度均有下降有关。这对于肉眼观测显然是不利的，后期很容易因为颜色变化缓慢，引起视觉疲劳。但是在视频的后期处理时，可通过调节时间轴的倍率，在10 s内，较为均匀快速地展示整个变色过程。

时间速率的调整，对于拍摄化学反应来说，是一种非常有用的拍摄手法。一些反应速率极慢或极快的化学反应，可以通过延时摄影或高速摄影，对时间维度进行压缩或延长，时间速率的改变，可以使得我们看到肉眼无法观测到的奇妙过程。

1.3.3 空间彩虹

对于肉眼观测来说，时间彩虹略微欠缺观赏性。那么怎样将之转变为更具有视觉冲击力的空间彩虹呢？为此我们设计了这样的一个场景。取7份装有5 mL 70 °C的葡萄糖溶液的试管，将其横向排列在试管架上，从左向右依次加入1 mL 70 °C的碱性酒石酸铜试液，当第一根试管开始变色时，则立即向第二根试管加入试液，以此类推。通过加入试液的时间差，可使试管中的溶液，在同一时刻处于不同的反应进程，呈现出不同的颜色，从而生成一条空间维度上的彩虹。图5显示了空间彩虹的生成过程。从图5A到图5G，依次为第1–7次加入碱性酒石酸铜试液时的即时图像，当试液加入到最后一根试管中时，我们看到了一条空间彩虹(图5G)。

图5 空间彩虹的生成

2 实验视频的制作流程

要制作一个高质量的实验视频，需经历多个步骤，以及多轮次的改进和完善，其主要流程如图6所示。可分为7个主要步骤。

图6 实验视频制作流程

2.1 设计规划

在进行拍摄之前，需根据主题和创意，对拍摄内容进行设计规划，预设需要拍摄的场景。以葡萄糖鉴别为例，视频的内容，可分为4个部分，温度优化、实验流程、时间彩虹和空间彩虹。

2.2 脚本编写

脚本的编写，需要根据拍摄内容和预设场景，初步拟定拍摄器材，器材参数，布景光照等条件。预先规划好需要拍摄的分镜头，计划好每个分镜头的操作内容、操作要点，拍摄要点等。图7是葡萄糖鉴别实验流程的脚本示例，整个视频分为6个分镜头。

图7 葡萄糖鉴别实验流程脚本示例

2.3 示教拍摄

示教和拍摄同步进行，示教时要注意操作的规范优雅，避免动作的僵化刻板。按照脚本进行拍摄，并在拍摄过程中，根据实际拍摄效果，实时对器材参数、光线和布景进行调整。

2.4 后期处理

后期处理主要采用Adobe Premiere和爱拍两个软件。需经历调色、剪辑、配音、配乐和字幕等步骤。调色注意色彩柔和通透，光线明暗对比适宜。剪辑的关键是要注意节奏感，详略得当，要避免镜头冗长引起的视觉疲劳。配音的讲稿书写务必严谨，语言准确凝练，录音时要注重音质和语音标准。配乐要和画面协调同步，且不影响配音的清晰度。字幕注意校对，避免错别字。

2.5 发布应用

教学视频主要用于课堂教学和网络共享。课堂教学主要是利用视频来对实验的过程及要点进行讲解示教，展示实验过程中的现象，以此培养学生的实验操作能力和洞察力，并鼓励学生进行思考和创新。同时录制含有实验视频的录课，并上传至bilibili网站，通过互联网实现资源共享。图8为bilibili网站中的《药物分析实验》合集[14]，目前已有相关视频21个，部分视频如砷盐的检查、氯化物的检查、阿司匹林含量测定和青蒿素含量测定，均获得较高的播放量。

图8 bilibili网站发布的药物分析实验视频合集

2.6 反馈收集

教学视频应用于课堂教学后，其教学效果和学生反馈意见对我们视频的进一步改进非常重要。通过课堂观察以及课后的师生交流可知，同学们对于实验视频普遍较为认可，这一点也体现在他们实验过程的创意、课堂的整体气氛和实验报告的撰写中。如在葡萄糖的鉴别实验中，他们自己开发出许多有趣便利的控温方式，从最常规的水浴加热、烘箱控温，到开水和冷水不同比例混合控温等。也会更加愿意和教师分享自己的实验过程，展示他们的实验结果和异常现象，并逐渐养成了用手机拍照，随时记录实验现象的良好习惯。在撰写实验报告时，会将相关的实验图片加入到报告中，图文并茂，并针对过程和现象，进行更为具体的个性化讨论。课后也会针对教学视频和教师讨论交流，提出一些有趣的建议。教学视频分享至网络平台后，在弹幕、留言和私信里，也经常会有网友针对实验进行交流讨论，形成了学习气氛良好的线上教学平台。

2.7 视频改进

教学视频的制作，并不是一劳永逸的事情。药典五年一版，其间可能会伴随着分析方法的变更，且视频中可能会有谬误或不够完美的地方，需收集教师授课过程中发现的问题，及学生或者网上视频观看者的反馈意见，对视频进行修订和完善。通常每一个教学周期，我们都会对课件和视频进行调整更新，在预实验时补拍或重拍一些素材，或重新进行剪辑，使之更契合我们的课程。如葡萄糖的鉴别的视频和录课，也是经过多次调整修改而成，最新版本视频[15]较旧版本视频[17]，在实验的创意设计和画面美化上，都有了较大的进步。视频的制作、应用和改进，以及网络教学平台的维护运行，都是需要长期耐心的工作。

3 教学反思

信息化时代的来临，极大地改变了传统的教学方式，多元化和个性化是大势所趋。教学方式从来不是一成不变的，随着时代发展，大量的先进科学技术逐步纳入大学教学体系。教学观念从以教师为中心，开始逐步向以学生为中心转变。教与学是个相辅相成的过程，而兴趣是最好的老师。怎样让课堂变得生动有趣，吸引学生的注意力，调动其主观能动性，继而由被动上实验课转变为积极主动地做实验，这是我们教学改革所关注的重点。

人类对于美的追求都是相似的，当画面赏心悦目的时候，会更自然地被吸引，并给予更多的关注。可视化教学的引入，营造了轻松有趣的学习氛围，以学生的兴趣为导向，在课堂上能形成一种张弛有度的节奏感，增强了师生间的互动，实现教学模式的扩展。

教学方式的变革，对高校教师自身素质提出了更高的要求。可视化教学的实行，要求教师具备科学审美、摄影技能、后期剪辑等各项能力，要学会运用镜头语言来正确地表达想要讲述的知识。这给高校教师带来了新的挑战，需要不断学习新的技能，适应新的角色，与时俱进，从而真正地实现教学相长。

4 结语

近年来我们将科学可视化引入药物分析实验的教学，拍摄了大量的教学视频，并在多轮次的教学中不断完善补充。通过师生间的沟通交流获知，大部分学生对于教学视频是认同且喜欢的，普遍认为教学视频拍得美且有趣。教学视频中所传递出来的对于科学态度和科学审美的引导，也反映到了他们的实验过程和实验报告中，这无疑增加了我们对于可视化教学的信心。在接下来的教学工作中，我们将会对原有的教学视频在创意、拍摄手法和后期处理上进一步优化改进，精益求精，并继续拍摄新的视频。这些教学视频将会在网络平台上持续更新，通过互联网，分享给更多的药学相关专业的老师和学生，为药物分析实验教学的改进，提供新的思路和素材，为药物分析知识的普及工作抛砖引玉。