藥學虛擬仿真實驗教學平臺建設研究

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摘要：文章從開設虛擬仿真實驗教學的優勢，教學平臺的建設與應用、開放共享、教學成果、示范推廣等角度，介紹了藥學虛擬仿真實驗教學平臺的建設過程，闡述了藥學虛擬仿真實驗教學平臺的特色。該平臺突出了以培養藥學創新人才為目標的改革理念，促進了學生創新和實踐能力培養。

關鍵詞：藥學；虛擬仿真；實驗教學平臺

藥學是一門實踐性很強的學科，實驗教學是藥學人才培養中必不可少的環節，其主要任務是讓學生掌握必要的藥學實驗知識和實驗操作技能，為相應理論知識的掌握和藥學創新研究工作的開展打下基礎。根據教育部有關文件[1-3]，借鑒其他藥學類院校的建設經驗[4-5]，以培養藥學創新人才為目標，結合我校藥學實驗教學的實際需要，在前期建設基礎上，藥學實驗教學中心對原有各學科虛擬實驗教學資源進行了整合，打破了實驗教學內容的學科、課程限制，形成了基于藥學系統研究的整體教學體系，面向各學科學生提供了一個資源共享的平臺，2015年獲批為廣東省藥學虛擬仿真實驗教學示范中心。在三年多的建設期中，以培養綜合創新性藥學人才為目標，秉承“能實不虛、虛實結合”的建設理念，將藥學類基礎性、綜合創新性以及示范性虛擬仿真實驗教學項目有機結合，構建了藥學創新人才培養的虛擬仿真實驗教學平臺，并在實驗教學體系建設、人才培養、成果推廣等方面取得了明顯成效。

1藥學實驗教學的不足

近年來，各藥學類院校在專業實驗課程教學方式、教學內容、教學手段等多方面加大了改革力度，取得了很多教學改革成果。但在實驗教學過程中，由于多種客觀條件的限制，也為實驗教學帶來了諸多困難。（1）時間和空間的限制增大了系統完成實驗的難度。藥學相關實驗具有相當程度的連續性，尤其是血藥濃度測定、藥物合成、天然產物提取分離和結構鑒定、體內/外抗腫瘤活性測定、藥物-靶蛋白相互作用分析等綜合創新性實驗，需要較多的時間保證，使在單位時間連續完成實驗的難度增大。（2）實驗的安全性風險限制了部分實驗課的開設。受特殊條件限制，部分實驗內容的開展受到制約。因藥學類相關實驗廣泛涉及有毒試劑、易燃易爆試劑、細胞、細菌、病毒，增加了實驗操作過程中的安全性風險，如果操作不當將直接對人體產生不可估量的損傷，相應的實驗廢棄物回收與無害化處理也大大增加了教學成本，這些都限制了部分實驗內容的開展。（3）教學成本與設備條件限制了學生動手操作的機會。藥學類相關實驗所涉及的部分耗材，如SPF級實驗動物飼養，其條件嚴格且數量有限，部分細胞、細菌株極其珍貴，試劑、藥品的消耗也不容小覷，這些因素限制了課程的開設。對于一些綜合性實驗，受設備臺套數的限制，無法使每個學生都動手操作，學生實驗參與率大大降低。

2開設虛擬仿真實驗教學的優勢

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環節和實驗對象，在虛擬環境中開展實驗，以便在真實實驗條件不具備或難以完成的條件下，實現教學效果的教學方式。虛擬仿真實驗教學在教育教學領域得到越來越多的應用，是教育信息化的重要組成部分[6]。虛擬仿真實驗教學具有效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放和資源共享等特點[7]，藥學虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和藥學實驗教學中心建設的重要內容，是藥學專業與信息技術深度融合的產物。作為傳統真實實驗的有效補充和延伸，藥學虛擬仿真教學實驗有利于培養學生創新意識，發散學生科學思維，增加學生動手操作機會，節約教學成本，是進行實驗教學改革的手段；符合藥學教育規律和發展趨勢，能夠有效利用學生的課余時間，發揮學生的主觀能動性和開拓性，是學生自主學習的平臺，為高素質應用型藥學人才培養提供了保障。近年來，國內多個藥學類高校結合自身教學需要，利用虛擬現實技術開發了藥劑學[8]、分析化學[9]、中藥化學[10]、中藥制劑分析[11]等虛擬仿真實驗教學項目，建立了虛擬仿真實驗教學平臺，并在教學中得以應用。

3藥學虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

3.1平臺構建。本虛擬仿真實驗教學平臺突出以學生為中心的教學理念，加大了綜合創新性實驗在實驗教學中的比重，形成了藥學虛擬仿真實驗教學體系。首先，將藥物化學、藥理學、藥劑學、藥物分析學、生藥學等藥學類主干課程及中藥學、生物制藥學多年來積累的虛擬仿真實驗教學資源有效整合。其次，逐步將一些實驗項目虛擬化，同時建設一系列限于時間、空間以及硬件條件無法實操的虛擬仿真實驗教學項目。建成的虛擬仿真實驗教學平臺如圖1所示。目前，平臺已建立有機化學與藥物化學、藥理學與分子生物學、藥用植物學與生藥學、藥劑學、藥物設計類等基礎性實驗虛擬仿真項目21項，建立藥學創新綜合大實驗/新藥研發及生物活性測定類綜合創新性虛擬實驗項目8項，建立示范性虛擬仿真實驗教學平臺，包括“道地藥材廣地龍加工炮制的虛擬實驗教學項目”“重組SOD2蛋白中試規模制備的虛擬教學實驗項目”“珍稀藥材肉蓯蓉加工炮制的虛擬實驗教學項目”“珍稀藥材蘄蛇加工炮制的虛擬實驗教學項目”等4個實驗項目。此外，還構建了藥學實驗教學中心虛擬可視化系統，可真實呈現藥學各學科實驗室的基本概況，通過不同功能模塊支撐學生自主學習。整合后的平臺資源優化、功能集約、開放、高效，為學生的自主學習、自主實驗和創新活動創造了條件，有效補充了實驗教學資源，促進了學生學習興趣和實驗操作技能的提升。3.2應用與共享。在教學過程中，首先讓學生通過虛擬仿真實驗教學系統，對實驗的整體和關鍵步驟建立初步認識，經過思考、消化再進行真實實驗操作時，就會目的性更強、更有把握，能夠在很大程度上提高實驗教學效率。針對那些由于條件限制現階段不宜開展的實驗項目，虛擬仿真實驗教學系統具有一定的替代作用，有興趣的學生能夠通過此平臺進行學習和認識，為將來進一步的實踐和研究奠定基礎。虛擬仿真實驗與實際實驗相結合，可以提高實驗教學效率，又是真實實驗教學的補充，是提升教學效果的有效途徑。由于我校為僑校，學生為來自中國大陸、港澳臺及其他多個國家和地區的華僑華人子弟，我校虛擬仿真實驗平臺輻射的用戶群體非常豐富。該平臺除了對我校藥學、中藥學、生物制藥學等相關專業本科生實驗教學開放外，在相關專業的本科畢業專題實習、大學生創新工程項目設計和實施上也起到了積極作用。目前平臺注冊人數達到300余人，每月操作量平均為1400余人次。該虛擬仿真實驗教學平臺的所有教學資源，還采用分布式網絡支撐平臺構架，面向校內外開放共享，使平臺效益最大化。由于網絡平臺共享優勢，本平臺的虛擬仿真實驗教學項目受眾包括但不限于高等院校、醫院及科研機構，具有良好的同行影響力和社會價值。3.3教學成果與示范推廣。本平臺已建設應用的4項示范性虛擬仿真實驗教學項目中，“道地藥材廣地龍加工炮制的虛擬仿真實驗教學項目”和“重組SOD2蛋白中試規模制備的虛擬教學實驗項目”分別獲得2017、2018年度教育部國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目認定，已在教育部網站（）面向全國開放共享近兩年，我院也因此成為目前國內藥學類項目獲批數量最多的高校之一。其中，“道地藥材廣地龍加工炮制的虛擬實驗教學項目”截至2019年8月30日，累計瀏覽量4933人次，698人參與實驗體驗學習并評分，平均得分4.9（滿分5分）；“重組SOD2蛋白中試規模制備的虛擬教學實驗項目”截至2019年8月30日，累計瀏覽量5089人次，258人參與實驗體驗學習并評分，平均得分4.7（滿分5分）。

4特色與創新

4.1虛擬仿真實驗教學體系建設。秉承“虛實結合、協同創新”理念，將原有各學科虛擬實驗教學資源進行整合，打破了實驗教學內容的學科、課程限制，形成了基于藥學系統研究的整體教學體系，面向各學科學生提供了一個資源共享平臺。結合虛擬仿真項目優勢，開展具有實際應用價值但限于種種條件而無法在實驗室開展的實驗，支撐學生進行拓展學習，完善知識鏈系統。4.2信息化人才培養模式創新。虛擬仿真實驗教學具有良好的交互性、開放性和共享性，豐富了實驗內容，增加了學生動手虛擬操作的機會，節約了教學成本，是實驗教學改革的手段，是推進現代信息技術融入實驗教學、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措，符合藥學教育規律和發展趨勢，是高素質創新型藥學人才培養的新模式。4.3藥學創新人才培養。藥學虛擬仿真實驗教學平臺旨在培養符合社會需求的藥學創新人才，該平臺不但包括基礎實驗操作項目，也將本院卓越的科研成果虛擬化，形成了綜合創新性虛擬仿真實驗教學項目。該平臺將科研的理念、思維模式和具體的實驗操作相結合，提升本科生和研究生的科研能力，為培養綜合性藥學創新性人才發揮了積極作用。

5結語

虛擬仿真實驗教學作為一種新的實驗教學模式，有利于教育資源的共享與優化，有利于教育信息化的推進和教育質量的提高。將信息化技術應用于實驗教學，建立開放式、網絡化的虛擬仿真實驗教學系統，創建信息化人才培養模式，可有效彌補傳統實驗教學的不足。中心立足于藥學類學科特色，堅持利用自身學科優勢，搭建了以學生為主體的現代化實驗教學平臺，為藥學創新人才培養提供了豐富的教學資源。藥學是一門不斷發展和更新的學科，其實驗項目與操作是與時俱進的，今后中心將結合實驗教學的新發展，堅持“能實不虛、虛實結合”的虛擬仿真實驗教學理念，進一步完善藥學虛擬仿真實驗教學平臺、豐富教學資源、優化管理體系、加強師資隊伍建設，進一步提高平臺信息化共享水平和服務水平，注重人才創新能力和綜合素質的培養，使藥學虛擬仿真實驗教學中心更好地支撐我?！八帉W”雙一流學科建設。

作者:馬志國 徐俊 王峰 曹暉 丁克 李滿妹 譚秋彤 周光雄 單位:暨南大學