《基于虚拟实验平台的天然药物化学教学模式》
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摘 要：天然药物化学作为生物制药专业的主干课程之一,其实验教学是其中重要的组成部分.通过实验教学能加深学生对理论知识的理解,满足药学人才培养要求.我们探讨了在天然药物化学实验教学中,通过构建虚拟仿真教学平台,模拟和再现真实实验环境,运用虚实相结合的实验教学模式,以期能提高实验教学质量.实体实验教学和虚拟实验教学互为补充,丰富了教学内容,提高了教学效率,对培养高素质的药学人才具有积极的作用.
关键词：天然药物化学；虚拟仿真实验；实验教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0273-04
虚拟仿真技术是一种由计算机技术辅助形成的高技术模拟系统,它综合了传感技术、显示技术、计算机图形及仿真技术等最新技术成果[1,2].虚拟仿真技术作为信息技术,由于其职业性与情境性、典型性、过程性、交互性与智能型、趣味性等特征在实验教学中的应用也越来越广泛,涉及到多个专业和学科,国内外很多的高校、科研院所以及远程教育机构都积极地投入虚拟实验平台的构建[3].日前,教育部批准了三批共300个国家级虚拟仿真教学实验中心,涉及多个研究领域,如清华大学的数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心,浙江大学医学虚拟仿真实验教学中心以及中国药科大学的药学虚拟仿真实验教学中心等.[1,4]
天然药物化学是以天然药物中化学成分为主要对象,运用现代科学理论与手段对其进行提取、分离、鉴定的一门学科[5-8].随着国务院关于推进我国中医药事业发展的纲领性文件《中医药发展战略规划纲要（2016-2030年）》的提出,国家加快了中医药现代化的步伐,天然药物化学教学的重要性与日俱增[9].为适应这一发展的需要,许多高等院校制药学、药物制剂等专业在本科生阶段开设了天然药物化学课程,以培养越来越多的研究工作者投入天然药物研究.我校对四年制生物制药专业开设了天然药物化学课程,其中实验课程占了较大比例.由于天然药物化学的教学内容涉及到多个学科知识如药用植物学、药理学、生药学等的交叉,同时在技术上还包含了多种技能的相互渗透,兼有理论性与实践性的特点[5,9,10,11].实验课程也是锻炼提高学生动手能力、培养严谨的科学逻辑能力以及创新意识的重要途径[12,13].针对近年来不断蓬勃发展的天然药物化学领域涌现出的新技术、新方法,如何使学生在有限的学时内和实验条件下既掌握基础又接触前沿,是天然药物化学教学面临的重要问题.用虚拟仿真系统进行天然药物化学实验教学,是对生物制药专业课程教学的有力补充.
一、天然药物化学实验教学需要虚拟现实技术的支持
(一)传统教学手段的不足
目前,天然药物化学实验教学大多采用传统的化学类实验教学课程的授课方式,在教学手段方面存在有比较多的问题[14].而这些问题在一定程度上制约了实验教学在应用类专业课程教学中的应用与发展[15].
教学成本在传统实验教学中占有较大的比重,但由于资金和场地的限制,学校只能引进部分相关实验设备,这就造成了数量不足的实验仪器与满足大多数学生操作需求的矛盾.同时,大型仪器设备维护成本高,实验教学中容易发生损坏,加速了仪器设备的报废,使得教学成本增加[16].另一方面,天然药物化学实验教学过程中涉及的实验方法主要包括天然药物的提取分离、有效成分的结构鉴定等,这些过程中需要用到大量的天然原料、辅料及标准品,而且天然药物化学实验内容具有较强的连贯性,中间任何一个操作环节的失误都有可能造成整个实验的失败[17].因此,在实验教学操作过程中难免会产生大量不符合要求的失败品,对这些废品的处理大多采用丢弃或销毁的方式,从而导致大量教学资源的浪费[16].而在传统的药物化学实验教学过程中还存在一些安全隐患[18].其一是实验过程中需要运用到大量的化学试剂,普通的本科教学实验室安全设施及环境比较简陋,会对学生的身体健康存在不利的影响,而从事实验教学的人员长期工作于这种环境,对身体更易造成伤害.其二,实验过程中有时还需要用到大型实验设备涉及高压、高温等环境,这些操作都具有很大的安全隐患[19].
在实验教学的授课方式上,传统的教学方式普遍采用讲授法.首先,针对特定實验,会先分析实验原理,再讲解实验步骤,最后进行示范性操作,同时强调实验过程中需要注意的事项,整个过程占用了大量的实验课程时间,对学生的学习兴趣带来了消极的影响.另外,有部分学生课前不预习,课堂上学生自行练习时间有限,往往也不能保证实验的连贯性；而且学生在实验过程中,有时会因为种种原因而失败,受时间的限制,不可能重做,这就造成了部分学生实验课后不思考不总结,甚至相互抄袭实验报告的现象,进而对相关理论知识的认识和理解造成极大的影响.
(二)虚拟现实技术在天然药物化学教学中的优势
构建虚拟实验平台,其使用的教学手段要比传统教学中使用的文字、模型更形象、生动和完整[16].同时,它使得学习知识的过程变得多样化.一方面,虚拟仪器可以安全方便地让学生拆卸、组装；另一方面,教学人员也可以根据不同步骤逐次展示实验的原理和工作方式.在整个实验过程中,学生的亲身体验使得对相关知识的理解更为深刻,有利于学生消化和运用知识.再则,在这种主动交互的教学过程中,学生的能动性得到了有效提高,大大增加了学生学习的信心和动力,使他们更容易地投入到学习环境中去,同时还有利于培养学生自主探索的能力和创新能力,以及在实验过程中的交流与合作能力.
在教育成本方面,虚拟仿真实验既不消耗实验耗材,也不损坏实验设备,同时还避免使用大量危险化学试剂.整个教学过程节约了教学经费,又减少了对环境的污染.在虚拟实验环境中,学生还可以放心地去操作各种在现实实验条件下有危险的或危害人体健康的实验,避免了各种危险[20].
二、基于虚拟技术实施天然药物化学实验课程教学改革
(一)虚拟实验平台在天然药物化学实验教学程序设计中的运用
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