小规模限制性在线课程联合虚拟仿真实验技术在药物分析实验教学中的应用

余 喆 辛春艳 杨铁虹 乔友备 王超丽 唐 恬 吴 红

1.中国人民解放军空军军医大学药学院药物化学与药物分析学教研室，陕西西安 710032；2.中国人民解放军空军军医大学药学院，陕西西安 710032

药物分析是一门研究和发展药品全面质量控制的学科，它综合应用现代分析、分离技术，研究药品性质、制订药品标准、控制药品质量，具有实践性和应用性强的特点[1-2]。药物分析实验是对理论课程的有力补充，让学生在实践中巩固药物分析鉴别、检查、含量测定的原理与方法，熟悉药品检验程序，具有检验常用药物及制剂的能力[3-5]；能够从药物结构出发，正确选择分析方法，并进一步根据药品特点解决质量控制中的问题，形成初步的研究能力，为未来走上工作岗位，从事药物质量分析研究打下坚实的基础。其中，规范使用大型光谱及色谱仪器是对药学专业学生的基本要求，也是药物分析实验中的重点与难点。药物分析仪器大多精密、内部构造不易观察，且设备不足等问题限制了学生实践过程中的深入了解学习，分析过程耗时长与有限的课程时间的矛盾导致学生实践过程中不能得到充分的锻炼。因此，必须优化课时安排，创新教学模式方法。小规模限制性在线课程（small private online course，SPOC）这个概念由加州大学伯克利分校的阿曼德·福克斯教授于2013 年最早提出和使用[6]。它本质是基于慕课（massive open online courses，MOOC），拥有与MOOC 一样丰富的教育资源，但同时它只针对小部分学生，具有针对性、灵活性、实时性等特点[7]。中国人民解放军空军军医大学四年制药学专业招生数量不多，非常适合开展SPOC 混合教学。基于SPOC 教学模式，结合虚拟仿真实验，以严肃游戏的形式吸引学生参与课堂，弥补教学脱离实际的弊端，提高学生对仪器的认识和理解，并与线下实践教学相结合，做到“以虚补实、以虚验实”，对促进学生熟练掌握药物分析仪器使用具有重要意义[8-11]。

1 SPOC 混合教学模式

《中国教育现代化2035》[12]明确提出要加快信息化时代教育变革，利用互联网等现代技术加快推动人才培养模式改革。2023 年2 月，主题为“数字变革推动高等教育创新发展”的世界数字教育大会高等教育平行论坛在北京成功举办，为落实习近平主席在联合国大会上提出的全球发展倡议、在世界互联网大会上提出的全球数字发展道路。近年来，中国实施教育数字化战略行动，加快推动高等教育数字化转型，SPOC混合教学模式已越来越多地应用于教学活动中[13-15]。SPOC 教学是一种结合了课堂教学与MOOC 的混合学习模式，使用在线的课程（类似于MOOC）对少数真实在校注册的学生实施的课程教育。相较于传统的“1（平台）+N（学生）”MOOC 模式，“1（平台）+M（大学）+N（学生）”模式更受广大高校教师的青睐，学生所在大学的教师根据课程需求利用1 个MOOC 平台开展SPOC，实施线下翻转课堂教学[16]。其基本流程是，教师选择性地上传课程相关教学资源，学生通过视频学习打卡，完成阶段性测试，对高频错题进行小组讨论或留言；教师通过观看学习记录与讨论，了解该批次学生的重、难知识点，在线下课堂中更有偏重性地教学。总体上，教师可以根据自己的理解和学生的需求，自由设置和调控课程的进度、节奏和评分规则。

2 虚拟仿真实验教学简介

为贯彻落实“十四五”教育发展规划有关部署，自2015 年，教育部在全国内筛选批准100 个国家级的虚拟仿真实验教学中心，我国虚拟仿真实验教学提上议程[17-19]。经过多年建设，虚拟仿真教学已成为高校拓展实验教学内容、提升实验教学质量的重要手段，推进“虚拟仿真实验教学2.0”建设被明确列入《教育部高等教育司关于印发2022 年工作要点的通知》[20]，目前在国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台上已汇集3 000 多门优质课程。虚拟仿真教学最突出的优点是使学生能够在虚拟环境中模拟各种网络场景和网络设备配置，充分了解实验过程，观察实验现象，培养学习兴趣，实现教学互惠[21-23]。由于现代化程度高，目前药物分析仪器大多构造封闭，不利于学生掌握仪器工作原理，而液质联用仪这样的大型仪器，由于价格昂贵、成本高、实验耗时长，学生无法全程上手操作，一人操作多人围观的现象十分常见。因此，虚拟仿真实验的前期开展有助于加深学生对理论知识的理解和掌握，提高学生的兴趣及实际操作能力。笔者基于学校教学实际联合SPOC 教学模式与虚拟仿真技术对药物分析实验教学改革进行探索，使之成为新时代的“互联网+”教育教学。

3 SPOC 联合虚拟仿真技术在药物分析实验教学中的实践

《药物分析》是药学专业学生的核心专业课程，在大三下学期开设，距离专业基础课《分析化学》的学习已有1 年多的时间，尤其光谱和色谱分析法基本原理、方法内容抽象、晦涩难懂，学生接触大型精密分析仪器的机会少。因此，药物分析的实验教学要达到理想的课程教学目标，必须调动学生的积极性与主动性，基于学生的学习基础，进行合理的教学授课。笔者以“液质联用测定血液中兰索拉唑的浓度”为例，对SPOC 与虚拟仿真实验的联合应用进行探索。

在教学准备中，教师根据实验课的重、难点在线上平台提前发布课前小测验，了解学生掌握相关知识点的情况。大部分学生对分析化学的知识点遗忘较多，即使是本学期刚学的理论知识掌握得也不是很扎实，而分析仪器的操作方面，仅有少数课外科研对药物分析学科感兴趣的学生接触过部分分析仪器，液质联用仪这种大型精密仪器更是接触得少。见图1。

图1 学情分析

基于此，笔者在“以学生为中心”的教学理论指导下，发挥学生的主观能动性，教师发挥指导辅助作用，结合SPOC 与虚拟仿真实验最大限度地促进学生深刻理解掌握液质联用仪的原理及操作[24]。见图2。

图2 基于SPOC 的虚实结合混合教学模式

3.1 课前准备——知识点学习环节

实验课开课前，教师利用SPOC 线上平台，提前发布实验内容，利用多媒体数字化教学手段（图片、动画、视频、微课等）丰富学生的自学资源。学生进入SPOC 虚拟教室提前观看视频材料、阅读实验讲义、熟悉虚拟仿真软件的操作方法，完成课前测验。学生的线上学习时长、线上测验作为前测的重要依据，保证每一名学生通过预习熟悉液质联用的基本原理，了解虚拟仿真软件的操作流程和用途。从后台数据看，所有学生都提前完成了自学视频的学习与课前测验，从测试的结果看，大部分学生能通过自学基本掌握重要知识点。

3.2 由理入虚——仿真实训环节

首先，考查学生对重要知识点的了解情况，结合实验内容引导学生对相关知识点进行回顾。其次，教师带领学生进入“虚拟实验室”，选择“练习模式”，通过随讲随练的方式，使学生能够快速熟悉液质联用仪的构造，操作步骤和注意事项等。进入“练习模式”学生根据提醒按步骤完成实验。操作过程中教员设置选择题，考查学生正确操作步骤，并给出答案及解释。最后，根据液质报告填写实验结果，见图3。身临其境的虚拟仿真实验场景使学生以严肃游戏形式完成学习，掌握高效液质仪器的使用、定量检测样品的方法，理解液质检测样品的原理，从而形成更为系统化的知识体系。学生通过反复练习、不断改正错误操作，真正做到“心中有数”后，即可进入“考核模式”，“考核模式”中没有操作提醒，最后根据操作记录及实验结果综合打分。一方面，让教师了解学生理论知识水平和动手实验能力是否得到锻炼和提升；另一方面，使学生了解自身学习能力和掌握的知识要点情况。通过考核（＞95 分）的学生才可申请下一步线下实物教学，没通过的学生可反复观看教学视频、反复练习，再次考核通过后即可申请实物教学。

图3 虚拟仿真实验操作界面

3.3 线下教学——实物教学环节

完成线上虚拟仿真操作并通过考核的学生获准参与线下实物教学。将参与线下教学的学生分为6组，3～4 名为一组，分不同时间段前往液质分析实验室。线下教学分为三部分：首先，由学生介绍液质联用仪的原理及构造（图4）；其次，教师讲解液质联用仪操作中的重、难点步骤，以及定量检测样品的方法，由教师示范操作进样；最后，仍交由学生完成液质的进样分析，教师重点观察学生的操作规范情况及对安全隐患的防范情况，培养学生发现和解决问题的能力，并随时与学生进行交流指导。

图4 液质联用仪的虚拟仿真平台图和实物图

实验完成后，每位同学提交数据处理报告，最后的成绩得分包括：线上学习（10%）+线上考核成绩（20%）+线下操作考核（40%）+实验报告和数据处理（30%）。线上学习作为提前预习的一部分，占比达30%，强调学生上实验课前一定要把理论基础掌握好；线下操作是实验课的最终目的，希望每名学生掌握仪器的操作，因此线下操作占比最重；实验报告和数据处理占30%，是为了保证学生课后对实验进行总结反思，巩固所学知识。实验课结束后，增加师生反馈环节，每名学生需在SPOC 平台提交课后感受，及对线上、线下实验教学效果的评价，鼓励学生给出实质性的建议。据此，教师对实验中出现的问题及学生的意见不断改良授课内容和方式，以期实现“师有所教，生有所学”[25]。

在药物分析实验课程的讲授中，采用基于SPOC平台的线上、线下混合式教学模式结合虚拟仿真软件进行课程设计。课前根据学生学情线上推送视频资料，要求学生开课前完成课前预习；课中教师课堂授课，利用虚拟仿真软件极大地提高了学生的学习兴趣和效率，不仅可有效解决实际教学过程中存在的问题，也走出了因关键时间和场景因素限制造成的无法同时多人授课的窘境；线下实物操作演练，巩固课堂所学，强化学生主动探索的实践动手能力。这种“先理论，后虚拟，再实物”的线上、线下混合式教学方法，突破了传统实验教学的屏障，使学生按照从易到难、从理论到实践，循序渐进地学习体内药物分析的过程，切实提升学生的实践动手能力及思维创新能力。

利益冲突声明：本文所有作者均声明不存在利益冲突。