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摘要：天然藥物化學(xué)作為生物制藥專業(yè)的主干課程之一，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其中重要的組成部分。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，滿足藥學(xué)人才培養(yǎng)要求。我們探討了在天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，模擬和再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，運(yùn)用虛實(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以期能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)的藥學(xué)人才具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：天然藥物化學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助形成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它綜合了傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形及仿真技術(shù)等最新技術(shù)成果[1，2]。虛擬仿真技術(shù)作為信息技術(shù)，由于其職業(yè)性與情境性、典型性、過程性、交互性與智能型、趣味性等特征在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛，涉及到多個(gè)專業(yè)和學(xué)科，國(guó)內(nèi)外很多的高校、科研院所以及遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)都積極地投入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建[3]。日前，教育部批準(zhǔn)了三批共300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，涉及多個(gè)研究領(lǐng)域，如清華大學(xué)的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及中國(guó)藥科大學(xué)的藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。[1，4]天然藥物化學(xué)是以天然藥物中化學(xué)成分為主要對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)理論與手段對(duì)其進(jìn)行提取、分離、鑒定的一門學(xué)科[5-8]。隨著國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)我國(guó)中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016-2030年）》的提出，國(guó)家加快了中醫(yī)藥現(xiàn)代化的步伐，天然藥物化學(xué)教學(xué)的重要性與日俱增[9]。為適應(yīng)這一發(fā)展的需要，許多高等院校制藥學(xué)、藥物制劑等專業(yè)在本科生階段開設(shè)了天然藥物化學(xué)課程，以培養(yǎng)越來越多的研究工作者投入天然藥物研究。我校對(duì)四年制生物制藥專業(yè)開設(shè)了天然藥物化學(xué)課程，其中實(shí)驗(yàn)課程占了較大比例。由于天然藥物化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容涉及到多個(gè)學(xué)科知識(shí)如藥用植物學(xué)、藥理學(xué)、生藥學(xué)等的交叉，同時(shí)在技術(shù)上還包含了多種技能的相互滲透，兼有理論性與實(shí)踐性的特點(diǎn)[5，9，10，11]。實(shí)驗(yàn)課程也是鍛煉提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)邏輯能力以及創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑[12，13]。針對(duì)近年來不斷蓬勃發(fā)展的天然藥物化學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出的新技術(shù)、新方法，如何使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)和實(shí)驗(yàn)條件下既掌握基礎(chǔ)又接觸前沿，是天然藥物化學(xué)教學(xué)面臨的重要問題。用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是對(duì)生物制藥專業(yè)課程教學(xué)的有力補(bǔ)充。

一、天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持

（一）傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足

目前，天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用傳統(tǒng)的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的授課方式，在教學(xué)手段方面存在有比較多的問題[14]。而這些問題在一定程度上制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在應(yīng)用類專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展[15]。教學(xué)成本在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有較大的比重，但由于資金和場(chǎng)地的限制，學(xué)校只能引進(jìn)部分相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這就造成了數(shù)量不足的實(shí)驗(yàn)儀器與滿足大多數(shù)學(xué)生操作需求的矛盾。同時(shí)，大型儀器設(shè)備維護(hù)成本高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中容易發(fā)生損壞，加速了儀器設(shè)備的報(bào)廢，使得教學(xué)成本增加[16]。另一方面，天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中涉及的實(shí)驗(yàn)方法主要包括天然藥物的提取分離、有效成分的結(jié)構(gòu)鑒定等，這些過程中需要用到大量的天然原料、輔料及標(biāo)準(zhǔn)品，而且天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有較強(qiáng)的連貫性，中間任何一個(gè)操作環(huán)節(jié)的失誤都有可能造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗[17]。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作過程中難免會(huì)產(chǎn)生大量不符合要求的失敗品，對(duì)這些廢品的處理大多采用丟棄或銷毀的方式，從而導(dǎo)致大量教學(xué)資源的浪費(fèi)[16]。而在傳統(tǒng)的藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中還存在一些安全隱患[18]。其一是實(shí)驗(yàn)過程中需要運(yùn)用到大量的化學(xué)試劑，普通的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)施及環(huán)境比較簡(jiǎn)陋，會(huì)對(duì)學(xué)生的身體健康存在不利的影響，而從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人員長(zhǎng)期工作于這種環(huán)境，對(duì)身體更易造成傷害。其二，實(shí)驗(yàn)過程中有時(shí)還需要用到大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備涉及高壓、高溫等環(huán)境，這些操作都具有很大的安全隱患[19]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的授課方式上，傳統(tǒng)的教學(xué)方式普遍采用講授法。首先，針對(duì)特定實(shí)驗(yàn)，會(huì)先分析實(shí)驗(yàn)原理，再講解實(shí)驗(yàn)步驟，最后進(jìn)行示范性操作，同時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中需要注意的事項(xiàng)，整個(gè)過程占用了大量的實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣帶來了消極的影響。另外，有部分學(xué)生課前不預(yù)習(xí)，課堂上學(xué)生自行練習(xí)時(shí)間有限，往往也不能保證實(shí)驗(yàn)的連貫性；而且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，有時(shí)會(huì)因?yàn)榉N種原因而失敗，受時(shí)間的限制，不可能重做，這就造成了部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)課后不思考不總結(jié)，甚至相互抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解造成極大的影響。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在天然藥物化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其使用的教學(xué)手段要比傳統(tǒng)教學(xué)中使用的文字、模型更形象、生動(dòng)和完整[16]。同時(shí)，它使得學(xué)習(xí)知識(shí)的過程變得多樣化。一方面，虛擬儀器可以安全方便地讓學(xué)生拆卸、組裝；另一方面，教學(xué)人員也可以根據(jù)不同步驟逐次展示實(shí)驗(yàn)的原理和工作方式。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的親身體驗(yàn)使得對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解更為深刻，有利于學(xué)生消化和運(yùn)用知識(shí)。再則，在這種主動(dòng)交互的教學(xué)過程中，學(xué)生的能動(dòng)性得到了有效提高，大大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的信心和動(dòng)力，使他們更容易地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，同時(shí)還有利于培養(yǎng)學(xué)生自主探索的能力和創(chuàng)新能力，以及在實(shí)驗(yàn)過程中的交流與合作能力。在教育成本方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)既不消耗實(shí)驗(yàn)耗材，也不損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)還避免使用大量危險(xiǎn)化學(xué)試劑。整個(gè)教學(xué)過程節(jié)約了教學(xué)經(jīng)費(fèi)，又減少了對(duì)環(huán)境的污染。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生還可以放心地去操作各種在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下有危險(xiǎn)的或危害人體健康的實(shí)驗(yàn)，避免了各種危險(xiǎn)[20]。

二、基于虛擬技術(shù)實(shí)施天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)程序設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

由于藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容具有邏輯性強(qiáng)、連貫性強(qiáng)的特殊性，天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的程序設(shè)計(jì)需要突出制藥專業(yè)的特點(diǎn)，特別強(qiáng)調(diào)遵循教學(xué)內(nèi)容的邏輯性和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律[21]。首先，突出制藥專業(yè)的特點(diǎn)，就是要盡可能多地創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，讓學(xué)生更多地參與到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中去，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)動(dòng)手能力。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注重引導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思維能力的培養(yǎng)，在教學(xué)過程設(shè)計(jì)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性的嘗試。同時(shí)，應(yīng)合理運(yùn)用“因材施教”的原則，即根據(jù)本學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際情況，結(jié)合不同的教學(xué)內(nèi)容，選擇不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，來設(shè)計(jì)不同的教學(xué)程序[15]。隨著生物學(xué)、高分子合成分離技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)在藥物化學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，天然藥物化學(xué)對(duì)多種學(xué)科研究方法的應(yīng)用程度也不斷加深[22]，例如超臨界流體萃取技術(shù)、智能多維純化系統(tǒng)AKTAx-press、多角度激光光散射儀與凝膠滲透色譜聯(lián)用技術(shù)等是非常有應(yīng)用前景的提取、純化技術(shù)。但是由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)及實(shí)驗(yàn)條件等原因的限制，不可能逐一開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，這時(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)這部分的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解和操作，則更有利于開拓學(xué)生視野，加深對(duì)前沿技術(shù)的了解。

（二）虛擬平臺(tái)下的天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

1.豐富的教學(xué)材料。向?qū)W生介紹天然藥物化學(xué)學(xué)科研究成果的研究背景及歷史，有助于學(xué)生頭腦中形成完整的科研思路，建立學(xué)生對(duì)于天然藥物化學(xué)研究的總體認(rèn)識(shí)。同時(shí)，可以結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)，將科學(xué)研究實(shí)例生動(dòng)地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行展現(xiàn)，了解本學(xué)科研究領(lǐng)域優(yōu)秀成果的發(fā)現(xiàn)過程，從而引導(dǎo)學(xué)生的探究興趣，激發(fā)內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力。例如以獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的屠呦呦研究團(tuán)隊(duì)為實(shí)例，介紹科研人員如何通過大量的調(diào)查研究，從歷史醫(yī)著文獻(xiàn)《肘后備急方》中尋找到有價(jià)值的研究線索，然后以提取、分離等手段從青蒿中分離出抗瘧成分青蒿素的研究過程，從而延伸到天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中如何確定天然藥物有效部位的方法、如何設(shè)計(jì)合理的技術(shù)流程進(jìn)行效成分的分離和研究。同時(shí)，結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行演示，使學(xué)生熟悉從天然藥物中尋找、開發(fā)新藥的過程，引發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科研意識(shí)。2.基于虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)操作。由于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)生都是首次接觸，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這就需要一定時(shí)間的練習(xí)來降低錯(cuò)誤率。可以采用以下幾種形式：第一是單個(gè)環(huán)節(jié)的練習(xí)。天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)一般具有連貫性，其中包含有多個(gè)環(huán)節(jié)。因此，可以在虛擬仿真操作練習(xí)中針對(duì)某一重要環(huán)節(jié)進(jìn)行練習(xí)，使學(xué)生能夠更熟練地掌握該環(huán)節(jié)的知識(shí)點(diǎn)和操作要點(diǎn)。該操作練習(xí)的優(yōu)點(diǎn)是能突出重點(diǎn)、有明確的目標(biāo)導(dǎo)向，有利于熟練掌握運(yùn)用重要的知識(shí)點(diǎn)。如“大黃中蒽醌類成分的提取、分離和鑒定”虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生先對(duì)其中的“柱層析分離”進(jìn)行操作練習(xí)，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以體驗(yàn)不同pH值、溶劑配比的三維模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，讓學(xué)生對(duì)摸索實(shí)驗(yàn)條件的重要性有著更直觀的認(rèn)識(shí)。第二是多流程練習(xí)，即把多個(gè)知識(shí)點(diǎn)和多個(gè)流程串聯(lián)在一起，利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行練習(xí)。不僅有利于學(xué)生對(duì)整體實(shí)驗(yàn)流程的掌握，也有利于提高學(xué)生綜合運(yùn)用多個(gè)知識(shí)點(diǎn)甚至交叉學(xué)科知識(shí)來解決問題的能力。如利用虛擬仿真平臺(tái)對(duì)“氧化苦參堿的提取分離和鑒定”虛擬實(shí)驗(yàn)中，我們可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)模塊來確定實(shí)驗(yàn)最佳方案，同時(shí)可以使用“HPLC組件及系統(tǒng)”虛擬模塊進(jìn)行樣品分析和數(shù)據(jù)采集，來了解高壓液相色譜等分析儀器在使用中需要注意的要點(diǎn)，結(jié)合基于虛擬平臺(tái)的實(shí)際操作加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，鍛煉和提高實(shí)驗(yàn)基本操作的能力。這種方法不僅可以綜合檢驗(yàn)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)操作的能力，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的重要途徑之一。第三是比較練習(xí)。這種方法可以通過對(duì)比的方式強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系與區(qū)別。如不同提取方式對(duì)提取效率的影響，各自的優(yōu)缺點(diǎn)等，更有利于知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用。

（三）改革考核制度、重視綜合能力的考察

針對(duì)天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，應(yīng)該注重理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，重點(diǎn)針對(duì)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目己薣14]。因此，在考核方式上，要把重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫、實(shí)驗(yàn)理論的運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)操作能力的正確規(guī)范上。采用平時(shí)成績(jī)（20%）、實(shí)驗(yàn)操作技能（25%）、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（25%）及最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%）的模式，這種考核制度，不僅能夠綜合反映學(xué)生的治學(xué)態(tài)度、理論知識(shí)的掌握程度以及實(shí)驗(yàn)技能的運(yùn)用能力，也符合天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重實(shí)際操作能力培養(yǎng)的特點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，發(fā)展了自主探索的能力。

三、結(jié)論和展望

通過天然藥物化學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，既可以充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在一定程度上解決當(dāng)前藥物類化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的一些困難和問題，也能通過形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，共同完成目前天然藥物化學(xué)的實(shí)驗(yàn)要求。

作者:何秋伶 徐濤 盛清 梁宗鎖 王森 單位:浙江理工大學(xué)