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    數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的探索

    2024-10-15 00:00:00陳輝李孟孫彥君張靖柯馮衛(wèi)生
    中國教育技術(shù)裝備 2024年17期

    摘 要 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是數(shù)字轉(zhuǎn)型背景下高等學(xué)校信息化課程體系建設(shè)的必然要求,對(duì)于創(chuàng)新型藥學(xué)類專業(yè)類人才的培養(yǎng)具有較大的優(yōu)勢(shì)。從實(shí)用、科研、經(jīng)濟(jì)效益、學(xué)生和教師使用的角度出發(fā),分析并總結(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用過程中的幾點(diǎn)建議,旨在為天然藥物化學(xué)等相關(guān)課程開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

    關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);天然藥物化學(xué);實(shí)驗(yàn)空間;教育數(shù)字化

    中圖分類號(hào):G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

    文章編號(hào):1671-489X(2024)17-00-03

    0 引言

    隨著以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的新時(shí)代信息技術(shù)迅速發(fā)展,知識(shí)創(chuàng)造、傳播及利用所依附的主體和場(chǎng)景都在發(fā)生著深刻的轉(zhuǎn)變,教育數(shù)字化也成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。2021年7月印發(fā)的《教育部等六部門關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》提出,全面挖掘信息數(shù)據(jù)的教學(xué)輔助功效,打造涵蓋數(shù)字資源、信息網(wǎng)絡(luò)、智慧校園、平臺(tái)安全、創(chuàng)新應(yīng)用等新型基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)體系,推進(jìn)數(shù)字化教育的廣泛實(shí)施與高質(zhì)量發(fā)展[2]。教育數(shù)字化是黨的二十大明確提出的重點(diǎn)任務(wù),由此確立了教育數(shù)字化工作的重大改革意義和實(shí)踐價(jià)值[3]。

    作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,天然藥物化學(xué)在高校藥學(xué)專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮著無可替代的作用,包含著極廣泛的研究內(nèi)容,如天然藥物的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型、有效成分鑒定、分離提取及合成技術(shù)等。化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是該課程教學(xué)的重要核心內(nèi)容,能夠幫助學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作鞏固藥學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、掌握必備實(shí)踐技能。目前多數(shù)高等學(xué)校的天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課存在課時(shí)少、實(shí)驗(yàn)用時(shí)長、過程煩瑣等缺點(diǎn),不少院校的天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方式依然采用“老師講,學(xué)生做”的傳統(tǒng)教學(xué)模式,雖然在一定程度上可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力,但很難激發(fā)學(xué)生的自主參與和自覺思考,導(dǎo)致他們難以快速掌握操作技巧和吃透實(shí)驗(yàn)原理,缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的深入思考[4]。加之一些先進(jìn)的提取分離、結(jié)構(gòu)鑒定新技術(shù),由于實(shí)驗(yàn)成本高,無法大量應(yīng)用,這會(huì)減少學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐機(jī)會(huì),從而降低他們的創(chuàng)新創(chuàng)造熱情。

    虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠通過對(duì)3D仿真等先進(jìn)技術(shù)手段的積極運(yùn)用實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的虛擬與混合,將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法動(dòng)手操作及難以具體展現(xiàn)的內(nèi)容通過計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行完美解決。因此比線下教學(xué)具有更大的實(shí)施優(yōu)勢(shì),實(shí)驗(yàn)成本投入低,實(shí)驗(yàn)操作的重復(fù)性和安全性好,且沒有時(shí)間和場(chǎng)地的限制等突出的優(yōu)點(diǎn)[5]。因此,在藥學(xué)專業(yè)教學(xué)中積極引入這種實(shí)驗(yàn)?zāi)J娇梢杂行浹a(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,可以有效促進(jìn)藥學(xué)類專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。2018年,在教育部的大力推動(dòng)下,國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)(又稱“實(shí)驗(yàn)空間”)正式打造成功,為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務(wù)。目前,實(shí)驗(yàn)空間共收錄國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程1 194門。2023年發(fā)布的《教育部辦公廳關(guān)于開展第三批國家級(jí)一流本科課程認(rèn)定工作的通知》提出,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程擬認(rèn)定數(shù)量約為500門[6]。這些虛擬仿真項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)空間共享,幫助眾多高校解決實(shí)驗(yàn)課程中不能做、不好做甚至不敢做的具體問題,從而使生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)活動(dòng)變得更加完整完善,讓學(xué)生直接接觸最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)J?、?duì)專業(yè)知識(shí)產(chǎn)生最深刻的理解。

    自教育部虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)以來,河南中醫(yī)藥大學(xué)積極響應(yīng)并根據(jù)項(xiàng)目具體要求構(gòu)建了多元化資源整合體系與仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)機(jī)制,在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方面,已經(jīng)有3個(gè)國家級(jí)、52個(gè)省部級(jí)項(xiàng)目獲得了批準(zhǔn)通過,其中有12項(xiàng)是為藥學(xué)虛擬仿真教學(xué)服務(wù)的。在這些項(xiàng)目中,“地黃內(nèi)生放線菌及代謝物分離鑒定”“黃連素及衍生物的制備方法虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“懷菊花黃酮類成分的分離及定性虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)”均涉及化學(xué)成分提取、分離、結(jié)構(gòu)鑒定等方法,適用于天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),目前已成功運(yùn)行并應(yīng)用到兩個(gè)學(xué)期的天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程中。通過對(duì)學(xué)生開展的相關(guān)問卷調(diào)查,結(jié)果顯示,學(xué)生廣泛認(rèn)可接受這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了很大的促進(jìn)作用。筆者基于虛擬仿真項(xiàng)目應(yīng)用于本科教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)提出幾點(diǎn)建議。

    1 具體措施

    1.1 從實(shí)用角度出發(fā),建設(shè)與本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)契合度高的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

    天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要教學(xué)內(nèi)容包括有效成分的提取、分離和結(jié)構(gòu)鑒定,涉及的具體實(shí)驗(yàn)操作不僅包括多種基本化學(xué)技能的具體操作,如溶液的配制、重結(jié)晶、薄層色譜、柱色譜法、化學(xué)反應(yīng),還包括各種儀器設(shè)備的使用,如旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、循環(huán)水泵、制備液相、核磁共振儀等儀器使用,涉及的儀器較多,操作復(fù)雜,部分實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴,無法普及到每一個(gè)學(xué)生。多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的周期較長,從藥材的提取、純化到化合物結(jié)構(gòu)鑒定,一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全部做完需要一天甚至兩天的時(shí)間才能完成,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏系統(tǒng)的了解。此外,由于總學(xué)時(shí)的限制,無法安排更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不利于學(xué)生專業(yè)知識(shí)的培養(yǎng)。因此,應(yīng)從實(shí)際使用角度出發(fā),積極推動(dòng)虛擬仿真與本專業(yè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的高度契合與有效融合,以提高天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的可操作性和實(shí)效性,從而彌補(bǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不足。前期建設(shè)中,學(xué)校開發(fā)的“地黃內(nèi)生放線菌及代謝物分離鑒定”和“黃連素及衍生物的制備方法虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目,應(yīng)用了天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的部分知識(shí)。2022年,筆者所在教研室開發(fā)的“懷菊花黃酮類成分的分離及定性虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)”是以“槐米中蘆丁的提取、鑒定及其水解產(chǎn)物的分析”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ),主要針對(duì)河南道地藥材懷菊花中的黃酮類化合物,增加了大孔樹脂富集總黃酮、紫外分光光度計(jì)測(cè)定總黃酮的含量、制備液相的分離、核磁共振波譜的測(cè)試和處理等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,與天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)密切相關(guān)。針對(duì)天然藥物化學(xué)中不同類型的化合物,設(shè)計(jì)了不同提取、分離方法的虛擬仿真項(xiàng)目,從而滿足了“兩性一度”的建設(shè)要求,拓寬了學(xué)生的知識(shí)深度和廣度。

    1.2 從科研反哺教學(xué)的角度開發(fā)適用于創(chuàng)新應(yīng)用型人才的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,我國在天然藥物化學(xué)領(lǐng)域的研究取得了一批具有國際影響力的重要原創(chuàng)成果,如青蒿素的發(fā)現(xiàn)。目前,國內(nèi)多個(gè)高校和課題組在自己擅長的天然產(chǎn)物研究領(lǐng)域均取得了豐碩的成果,每年有大量的新化合物被發(fā)現(xiàn)并被發(fā)表于各類學(xué)術(shù)期刊。因此,高??梢越Y(jié)合自身優(yōu)勢(shì),通過優(yōu)質(zhì)的教學(xué)科研活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)反哺,在進(jìn)行天然藥物教學(xué)中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí),積極引入相關(guān)科研領(lǐng)域中的最新成果和最新課題,以有效培養(yǎng)藥學(xué)核心素養(yǎng)和全面提升課程實(shí)施效果。目前,國內(nèi)一些高校已經(jīng)開展了相關(guān)的研究和探索,如郝新才等[7]

    發(fā)表的《結(jié)合天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)習(xí)課題設(shè)計(jì)與探索——以艾葉總黃酮的提取與活性研究為例》一文中,采用新型的提取方法,優(yōu)化了艾葉總黃酮的提取工藝,并將天然藥物化學(xué)與分析化學(xué)、藥理學(xué)等專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通,巧妙地實(shí)現(xiàn)了科研與教學(xué)的融合,達(dá)到了學(xué)以致用的效果。曾艷榮等[8]在《前沿科研成果融入天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)——以鉤藤中生物堿的提取分離和鑒定為例》一文中,以貴州道地藥材鉤藤為研究對(duì)象,對(duì)其生物堿類成分進(jìn)行提取、分離和結(jié)構(gòu)鑒定,使學(xué)生掌握生物堿類成分的提取、分離、檢識(shí)和結(jié)構(gòu)鑒定方法。另外,近年來筆者所在教研室團(tuán)隊(duì)在木脂素類化學(xué)、新穎生物堿、新穎倍半萜和二萜類化合物等重要天然產(chǎn)物方面也取得了一定的研究成果,在國際期刊發(fā)表研究論文多篇。通過將這些成果與天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究方法和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)出了現(xiàn)實(shí)與虛擬結(jié)合、質(zhì)量與效果雙提升的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),不僅可以讓學(xué)生掌握更多的天然藥物化學(xué)專業(yè)知識(shí),同時(shí)可以提升他們參與科研活動(dòng)的動(dòng)力熱情,增強(qiáng)他們科研創(chuàng)新的意識(shí)和能力。

    1.3 從經(jīng)濟(jì)效益角度增強(qiáng)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)的利用度

    國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)是全球第一個(gè)匯聚全部學(xué)科專業(yè)、對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行直接服務(wù)、遍布各類高等院校的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),其宗旨是拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,目標(biāo)是打造國家、省、校三級(jí)一體的聯(lián)動(dòng)共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,為廣大師生提供優(yōu)質(zhì)高效、脈絡(luò)分明的實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享服務(wù)資源,以增強(qiáng)試驗(yàn)資源的共享性并擴(kuò)大其覆蓋面[9]。平臺(tái)的建設(shè)運(yùn)行所消耗的財(cái)力物力極其巨大,單憑各高校自身的力量,難以完成如此規(guī)模巨大的項(xiàng)目建設(shè)。而平臺(tái)共享性使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不再是空中樓閣,各高校的共享使用既加大了相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源的利用率,又推動(dòng)其不斷全面吸納各高校優(yōu)勢(shì)專業(yè)的先進(jìn)資源和特色內(nèi)容,在節(jié)約資源的同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新優(yōu)化與豐富完善。所以,該共享平臺(tái)的建立是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。學(xué)校建設(shè)的這幾個(gè)項(xiàng)目將來均會(huì)與實(shí)驗(yàn)空間對(duì)接,各高校開發(fā)的與天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的虛擬仿真項(xiàng)目也可以對(duì)接到實(shí)驗(yàn)空間,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共建共享,增強(qiáng)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)的利用度。

    1.4 從學(xué)生使用角度加強(qiáng)學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的建設(shè)

    學(xué)生是應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該遵循“虛實(shí)結(jié)合,能實(shí)不虛”的核心原則,從現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)所不具備的客觀條件入手,精心打造與現(xiàn)實(shí)最為相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)效果提升。其具體實(shí)施過程涵蓋課程、平臺(tái)和機(jī)制建設(shè)等多個(gè)方面,其中,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是在對(duì)多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等的綜合運(yùn)用下,為學(xué)生提供全天候的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,可隨時(shí)根據(jù)自身的需求來開展實(shí)驗(yàn)[10]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè),不僅包括服務(wù)器、交換機(jī)、堡壘機(jī)、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)施,還包括教學(xué)系統(tǒng)、實(shí)訓(xùn)空間等系統(tǒng)和場(chǎng)地的建設(shè)。高??梢酝ㄟ^設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi),保證信息化技術(shù)在高等教育教學(xué)中的推廣應(yīng)用,購買相關(guān)配套的教學(xué)平臺(tái)和資源。當(dāng)下,學(xué)校已經(jīng)建成了國家級(jí)中藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真共享平臺(tái)及實(shí)訓(xùn)空間和河南省本科高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,收錄了學(xué)校目前建設(shè)的所有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及購買的90個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并通過校園網(wǎng)全覆蓋,為學(xué)校師生使用虛擬仿真教學(xué)營造了更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

    1.5 從教師應(yīng)用的角度培養(yǎng)一支現(xiàn)代化信息素養(yǎng)強(qiáng)大的教學(xué)團(tuán)隊(duì)

    建設(shè)一流的教師隊(duì)伍是現(xiàn)代信息化教學(xué)體系平臺(tái)構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)。虛擬仿真教學(xué),一方面為教師提供了多元化和靈活性的教學(xué)資源,另一方面對(duì)于授課教師的現(xiàn)代化信息技能要求較高。授課教師不僅自身需要對(duì)虛擬仿真軟件、平臺(tái)和后臺(tái)管理非常了解并熟練操作,同時(shí)還應(yīng)具備豐富的知識(shí)儲(chǔ)備,以推動(dòng)信息化技術(shù)平臺(tái)資源的不斷創(chuàng)新。另外,由于軟件開發(fā)公司無法提供實(shí)時(shí)的技術(shù)服務(wù),后續(xù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件和運(yùn)行平臺(tái)也需要教師進(jìn)行管理和維護(hù)。因此,培養(yǎng)一支現(xiàn)代信息化手段過硬的師資隊(duì)伍,為虛擬仿真教學(xué)的順利開展提供保障服務(wù)尤為重要。

    2 結(jié)束語

    總之,在學(xué)科融合的高校教育改革背景下,天然藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為藥學(xué)類專業(yè)教學(xué)改革的關(guān)鍵內(nèi)容,不受客觀條件的固有限制,具有良好交互性和操作可重復(fù)性,在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和素養(yǎng)等方面具有無可替代的實(shí)施優(yōu)勢(shì)。但這種實(shí)驗(yàn)?zāi)J奖仨毰c實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合發(fā)展而不能完全替代它,需要遵循虛擬仿真為輔、實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主、互相補(bǔ)充融合的實(shí)施原則,精心設(shè)計(jì)實(shí)施融合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以高效完成實(shí)體實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中由于客觀條件限制而不能進(jìn)行的部分,以獲得全面、高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,推動(dòng)學(xué)生不斷提高實(shí)驗(yàn)參與熱情、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新水平,獲得全面發(fā)展。

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    *項(xiàng)目來源:2023年河南省本科高校中藥化學(xué)課程思政樣板課程;2023年河南中醫(yī)藥大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):YJSJ2023-006);2023年研究生課程思政示范課程項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):HZYYJS2023SZ01);2022年河南中醫(yī)藥大學(xué)課程思政樣板課程項(xiàng)目“天然藥物化學(xué)”(項(xiàng)目編號(hào):KCSZ2022-08)。

    作者簡介:陳輝、孫彥君、馮衛(wèi)生,教授;李孟,通信作者,副教授;張靖柯,講師。

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