石冬梅，李 鵬，李志軍

(福建醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，福建福州350108 1.天然藥物學(xué)系；2.實驗中心)

虛擬實驗在生藥學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用初探

石冬梅1，李 鵬1，李志軍2

(福建醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，福建福州350108 1.天然藥物學(xué)系；2.實驗中心)

針對生藥學(xué)實驗教學(xué)中存在缺乏實時指導(dǎo)、學(xué)習(xí)積極性差等主要問題，認(rèn)為應(yīng)充分發(fā)揮虛擬實驗在一些重復(fù)性且高危和高消耗實驗中的應(yīng)用，提出虛擬實驗教學(xué)應(yīng)注意克服弱化實踐操作能力的弊端，采取實踐操作為主、重復(fù)且高消耗實驗為輔的方法以提升教學(xué)質(zhì)量。

生藥學(xué)實驗;虛擬實驗;教學(xué)模式

實驗教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生具有實踐能力和創(chuàng)新能力的重要途徑。近年來，隨著高校的擴招和學(xué)科知識的高速發(fā)展，大學(xué)實驗教學(xué)由于設(shè)備的缺乏、儀器的更新滯后以及教師教學(xué)工作量的陡增使教學(xué)的質(zhì)量呈現(xiàn)下滑的趨勢。2012年3月教育部頒布《教育信息化十年規(guī)劃(2011-2020)》，提出推動信息技術(shù)與高等教育深度融合。利用計算機及仿真軟件模擬實驗環(huán)境和過程已被國內(nèi)多家高校引入醫(yī)藥學(xué)實驗教學(xué)中，對開展高危、高成本的實驗、提高實驗教學(xué)質(zhì)量及提升學(xué)生自主創(chuàng)新的能力具有重大的意義[1-3]。虛擬實驗教學(xué)可以為學(xué)生呈現(xiàn)逼真的實驗環(huán)境，也為教師開展學(xué)科前沿實驗技術(shù)和探索新的實驗教學(xué)提供良好的環(huán)境[4]。筆者將虛擬教學(xué)法引入生藥學(xué)實驗教學(xué)中，探索虛擬教學(xué)在生藥實驗中的具體應(yīng)用。

一、生藥學(xué)實驗教學(xué)存在的主要問題

生藥學(xué)實驗是生藥學(xué)課程的實踐環(huán)節(jié)，其目的是培養(yǎng)學(xué)生鑒定藥材和對藥材進(jìn)行品質(zhì)評價的能力[5-6]。我院開設(shè)生藥學(xué)實驗32學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容主要為藥材種質(zhì)鑒定及中成藥的鑒定。課堂教學(xué)反映學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果不夠理想等問題。

(一)教學(xué)標(biāo)本缺失影響藥材性狀的觀察

生藥性狀鑒定主要通過人體的感官如眼看、手摸、鼻聞、口嘗等直觀的方法對藥材的形狀、大小、色澤等特征進(jìn)行辨別。藥材標(biāo)本是性狀鑒定的主要研究對象。生藥學(xué)實驗要求熟練掌握的藥材約200種，學(xué)生實驗中經(jīng)常折斷完整藥材以了解藥材的斷面、質(zhì)地及氣味等特征，導(dǎo)致標(biāo)本破壞受損；同時藥材標(biāo)本在保存的過程中容易霉變和蟲蛀，影響鑒別效果。為盡可能保證實驗標(biāo)本的有效使用，我們采取了多種措施，如及時添置標(biāo)本、正確指導(dǎo)學(xué)生使用以降低標(biāo)本的耗損、改善標(biāo)本的存放條件等方法，但標(biāo)本數(shù)量還是呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。藥材標(biāo)本的缺失影響生藥性狀鑒別的學(xué)習(xí)，教學(xué)效果大打折扣。

(二)教學(xué)缺乏實時指導(dǎo)

生藥學(xué)實驗課主要是學(xué)生觀察和鑒別藥材，教師采取巡視的方式幫助學(xué)生答疑解惑。教師可觀察學(xué)生裝片技術(shù)正確與否，但學(xué)生是否看懂藥材顯微鑒別特征，則無法當(dāng)場確定。有些學(xué)生遇到問題會及時舉手示意教師幫助，有些學(xué)生則根據(jù)講義或他人之說主觀判斷鑒別特征，導(dǎo)致出現(xiàn)把黃柏切片中殘留木質(zhì)部類圓形的導(dǎo)管認(rèn)作黏液細(xì)胞的現(xiàn)象。

生藥學(xué)實驗教學(xué)班學(xué)生數(shù)約為27人，課堂上教師經(jīng)常處于忙碌狀態(tài)，學(xué)生在等待老師指導(dǎo)的同時無所事事，實驗學(xué)時利用率降低。因此，生藥學(xué)實驗的過程中迫切需要更加有效的實時指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生高效地完成教學(xué)任務(wù)。

(三)實驗過程趣味性不足

顯微鏡是生藥學(xué)實驗中使用最多的儀器，每組實驗需要觀察的顯微結(jié)構(gòu)較多，長時間地使用顯微鏡學(xué)生容易眼睛疲勞，出現(xiàn)頭暈眼花的現(xiàn)象，導(dǎo)致對實驗操作產(chǎn)生排斥的心理。用顯微鏡尋找各藥材的鑒別特征需要細(xì)心和耐心，實驗過程中無法像有些學(xué)科那樣可以觀察到各種有趣的現(xiàn)象，因此，生藥實驗課堂教學(xué)氛圍往往較為沉悶。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性成為了生藥學(xué)教師需要積極思考的問題。

二、虛擬實驗教學(xué)引入生藥實驗教學(xué)的實踐和應(yīng)用

(一)虛擬實驗教學(xué)的可行性調(diào)查

虛擬實驗與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)在形式上有較大的差別，為了解學(xué)生對虛擬實驗教學(xué)法的認(rèn)可和接受度，筆者在2015年9—10月對已上過生藥學(xué)實驗的同學(xué)進(jìn)行了一次問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括生藥學(xué)實驗存在的主要問題，對虛擬實驗的了解程度以及虛擬實驗教學(xué)在生藥學(xué)實驗中應(yīng)用的可行性。結(jié)果顯示，學(xué)生普遍反映生藥學(xué)實驗趣味性較差，顯微鏡使用舒適度不好；同時對虛擬實驗表現(xiàn)出極大的興趣，認(rèn)可度高，生藥學(xué)實驗中實施虛擬實驗教學(xué)法具有較高的可行性。

(二)虛擬實驗教學(xué)的開展

將帶教的兩個班級分為試驗組和對照組，試驗組采用虛擬教學(xué)法，對照組按傳統(tǒng)的授課方式教學(xué)，探索虛擬實驗教學(xué)在“藥材的識別”和“根莖類藥材顯微鑒別”兩個實驗的教學(xué)效果。(1)實驗?zāi)康模核幉牡淖R別要求熟悉約160種常見藥材，掌握48種重要藥材的性狀鑒別特征；根莖類藥材的顯微鑒別需熟悉藥材粉末裝片技術(shù)，掌握黃連和大黃的顯微鑒別特征。(2)教學(xué)時數(shù)：藥材的識別4學(xué)時；根莖類藥材計劃學(xué)時數(shù)為3學(xué)時。(3)教學(xué)過程：試驗組觀察虛擬藥材圖片、藥材切片，虛擬粉末裝片及虛擬鏡檢；對照組觀察藥材標(biāo)本，制作粉末裝片，用顯微鏡觀察切片和粉末裝片。

(三)教學(xué)效果評價

1.教學(xué)內(nèi)容掌握程度。試驗組和對照組各隨機抽選10名同學(xué)，檢測識別15種藥材標(biāo)本的正確率，并在根莖類藥材的顯微鑒別實驗中測試黃連根莖橫切面中皮層石細(xì)胞、中柱鞘纖維和髓部識別的準(zhǔn)確率；藥材粉末的鑒定主要考核大黃粉末的裝片操作以及草酸鈣簇晶、網(wǎng)紋導(dǎo)管及淀粉粒檢識正確率。通過統(tǒng)計各次檢測的正確率，比對試驗組和對照組對實驗教學(xué)內(nèi)容的掌握程度。隨堂檢測的10位學(xué)生為隨機抽取，試驗組和對照組檢測用15種藥材一致，時間均限定為5分鐘。檢測結(jié)果顯示，試驗組識別正確率為80.0%，對照組識別正確率為68.0%(表1)。

表1 藥材識別正確率(%)

根莖類藥材的顯微鑒別試驗組黃連切片識別正確率為83.6%，對照組識別正確率為72.3%；鏡檢大黃的主要顯微鑒別特征，試驗組大黃的草酸鈣簇晶、網(wǎng)紋導(dǎo)管等鑒別特征檢出正確率為88.7%；對照組粉末特征檢出正確率為84.9%，低于試驗組。從藥材的識別和根莖類藥材顯微鑒別兩個實驗效果比較可以看出，采用虛擬教學(xué)法的學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握度要高于常規(guī)教學(xué)的對照組，學(xué)生對藥材的鑒別能力顯著提升。

2.實驗完成效率。根莖類藥材的顯微鑒別計劃學(xué)時數(shù)為3學(xué)時，試驗組同學(xué)在1學(xué)時內(nèi)均完成相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，比計劃學(xué)時提早2學(xué)時完成；對照組大部分同學(xué)在2.5～3學(xué)時內(nèi)完成，個別同學(xué)完成教學(xué)內(nèi)容超過3學(xué)時。試驗組同學(xué)在完成教學(xué)內(nèi)容后還增加了川芎、莪術(shù)和天麻等其它根莖類藥材的學(xué)習(xí)，3學(xué)時完成了5種藥材的鑒定，不僅延伸了教學(xué)內(nèi)容，而且對根莖類藥材的顯微鑒別方法掌握更加牢固，在隨后的顯微鑒別測試顯示，試驗組檢出根莖類藥材鑒別特征的熟練度要明顯高于對照組。

3.實驗的趣味性。生藥學(xué)實驗較為乏味無趣，尤其是藥材的顯微鑒別，對照組在實驗開始時尚能夠使用顯微鏡認(rèn)真觀察切片和裝片，但隨著實驗時間的推移，逐漸出現(xiàn)視疲勞的現(xiàn)象，不時將視野移開顯微鏡，有同學(xué)產(chǎn)生眩暈感，表露出煩躁的情緒，對實驗的開展產(chǎn)生較大的影響；通過電腦顯示屏觀察藥材組織結(jié)構(gòu)和粉末顯微特征的試驗組同學(xué)由于視野大、觀察方便、姿勢輕松，同學(xué)間會不時對著顯示屏進(jìn)行探討，學(xué)習(xí)興趣濃厚。在藥材的識別中，試驗組可以用鼠標(biāo)隨意拖動藥材圖片，多角度地觀察藥材性狀，鼠標(biāo)點擊圖片還能顯示相關(guān)鑒別特征如皮孔、云錦紋、朱砂點等鑒別術(shù)語注釋，這些對慣于使用電腦的學(xué)生均有較高的吸引力，學(xué)習(xí)興趣得到提升。

4.實驗指導(dǎo)的實時性。虛擬系統(tǒng)的圖片均來源于實物拍攝，與現(xiàn)實藥材、顯微切片和粉末裝片一致，用鼠標(biāo)點擊藥材表面或切面顯微構(gòu)造即可顯示點擊部位的名稱，遇到問題不需要等待老師指導(dǎo)，可以加速學(xué)習(xí)的進(jìn)程。學(xué)生在使用虛擬系統(tǒng)中通過人機互動，反復(fù)練習(xí)，牢固掌握了實驗的要點。虛擬實驗?zāi)艽鬄榭s短教學(xué)時數(shù)，且藥材鑒別的準(zhǔn)確率也高于對照組，很大程度上得益于虛擬實驗的實時指導(dǎo)。

虛擬實驗的實時指導(dǎo)在實驗過程中扮演著“教師”的角色，學(xué)生在實驗中不受教師帶教繁忙無暇顧及的局限，學(xué)習(xí)問題可以得到及時的指正。在虛擬系統(tǒng)進(jìn)行根莖類藥材顯微鑒別實驗過程中，學(xué)生沒有了對鑒別特征無法識別等待教師的焦灼感，系統(tǒng)給予的反饋促進(jìn)了學(xué)習(xí)的深入，學(xué)習(xí)的信心得到增強。

5.實踐操作能力。藥材性狀鑒別講究眼觀、手摸、鼻聞和口嘗，虛擬實驗系統(tǒng)只能提供視覺上的藥材表觀特征，而藥材的輕重、氣味則無法感知。虛擬系統(tǒng)中描述藥材沉香“氣芳香”，學(xué)生在真正接觸沉香藥材后表示，沉香聞起來只是一種淡淡的香味，與想象中的香味有較大的差距。因此，采用虛擬教學(xué)存在學(xué)生實踐能力被弱化的現(xiàn)象。

顯微鑒別實驗測試大黃粉末裝片并鏡檢主要顯微鑒別特征，試驗組裝片用時5～7分鐘，裝片中大多有氣泡，裝片透化程度不夠，清晰度低，常見粉末堆積成團(tuán)，裝片質(zhì)量較差；對照組粉末裝片操作熟練，一般在3分鐘內(nèi)完成制片，透化清晰度高，整片質(zhì)量也較好。比對結(jié)果顯示，實踐操作上，對照組要優(yōu)于試驗組(表2)。試驗組借助虛擬軟件用鼠標(biāo)點擊制片，學(xué)習(xí)了裝片的程序和注意事項，但沒有動手實踐操作，看到的裝片和真正意義上的動手制作裝片還存在較大差異，導(dǎo)致試驗組裝片的質(zhì)量和靈活性均不如對照組采用傳統(tǒng)教學(xué)法的學(xué)生。

表2 粉末裝片效果

綜上所述，虛擬實驗教學(xué)在生藥學(xué)實踐教學(xué)中對藥材鑒定的實時指導(dǎo)具有顯著的意義，大幅提高了實驗學(xué)時的利用率，改變生藥學(xué)實驗的枯燥乏味，讓實驗變得生動、有趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變“被動”學(xué)習(xí)為“主動”學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生對實驗教學(xué)內(nèi)容掌握程度有所提升。但是，在虛擬系統(tǒng)指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)會使學(xué)生實踐能力降低，學(xué)生通過圖片認(rèn)識的藥材與實際存在差異，實驗操作也無法得到鍛煉(表3)。

表3 教學(xué)效果評價表

三、生藥學(xué)實驗教學(xué)的展望

(一)利用虛擬技術(shù)擴充實驗內(nèi)容，開展學(xué)科前沿高新技術(shù)實驗

虛擬實驗教學(xué)模式能夠在實驗中增加識別藥材的種類，減少實驗的重復(fù)性。比如花類藥材的鑒別，實驗時數(shù)3學(xué)時，每種藥材均做性狀、顯微、理化鑒定等觀察，一次課通常只能掌握5～7種藥材。采用虛擬實驗教學(xué)，可以選取一種花作為主要觀察對象，注意其花冠、雄蕊、雌蕊等的性狀特征以及花粉粒、花冠表皮細(xì)胞和花柱表皮細(xì)胞的顯微鑒別點，其它花類藥材則可以通過多媒體與之作比較，縮短花類藥材的鑒別時間，在有限的實驗課時增加藥材的識別種類，在開展諸如花類藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制訂等相關(guān)實驗時，可使實驗內(nèi)容更加廣泛和深入。

利用分子遺傳多樣性差異來鑒定生藥基源的DNA分子標(biāo)記技術(shù)已成為生藥鑒定的前沿技術(shù)。傳統(tǒng)意義上的分子生物學(xué)實驗耗時、費力、用于購買試劑和儀器的開銷較大，課堂上許多必要的試劑、藥品對人體有毒害，因此在本科生中開展DNA分子標(biāo)記技術(shù)鑒定藥材具有較大的難度[7]。利用虛擬實驗系統(tǒng)可以向?qū)W生展示分子標(biāo)記技術(shù)鑒定生藥的基本原理，熟悉操作方法，讓學(xué)生掌握新技術(shù)在生藥鑒定中的應(yīng)用。而且，虛擬實驗系統(tǒng)具有良好的擴展性，便于及時更新實驗軟件系統(tǒng)，使生藥學(xué)實驗內(nèi)容緊跟學(xué)科發(fā)展的方向，適應(yīng)社會對新型藥學(xué)人才的需求。

(二)克服虛擬實驗的弊端，采用虛實結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ?/p>

虛擬環(huán)境的實驗教學(xué)比傳統(tǒng)的教學(xué)模式有著更加形象、逼真的優(yōu)勢，在虛擬實驗系統(tǒng)中通過人機互動能夠及時地糾正學(xué)生的各種錯誤，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。虛擬實驗教學(xué)法的實踐顯示，虛擬教學(xué)能有效提高教學(xué)效果，提高單位時間的學(xué)習(xí)效率。但虛擬實驗會弱化學(xué)生的實踐操作能力，不能完全替代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)。虛擬實驗的過程、實驗現(xiàn)象都是軟件設(shè)計者事先設(shè)定好的，現(xiàn)實實驗條件稍有變化，實驗結(jié)果就可能會有顯著的差異；虛擬實驗中的儀器和藥品也是虛擬出來的，只需鼠標(biāo)點擊讓儀器運轉(zhuǎn)、藥品添加就可以得到預(yù)期的實驗效果，這與實踐操作有著巨大的差異。虛擬實驗的優(yōu)勢在某種程度上也可能造成學(xué)生在實踐操作中形成不愛護(hù)儀器設(shè)備、缺乏安全防范等意識，不利于嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)研究態(tài)度的培養(yǎng)。因此，在實驗教學(xué)過程中應(yīng)堅持實際操作為主，虛擬實驗為輔的原則，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)與虛擬教學(xué)兩者有機的結(jié)合起來，一些重復(fù)、高危和需要大量經(jīng)費設(shè)備投入的高消耗實驗采用虛擬實驗教學(xué)，虛實結(jié)合優(yōu)勢互補，利用虛擬實驗系統(tǒng)的靈活擴展性，將學(xué)科前沿的實驗方法以最快的方式傳授給學(xué)生，實現(xiàn)培養(yǎng)新型藥學(xué)人才的目標(biāo)。

[1]孫銘娟,王梁華,黃才國,等. 分子生物學(xué)虛擬實驗教學(xué)軟件的設(shè)計與應(yīng)用探索[J].中國醫(yī)學(xué)技術(shù)教育,2011,25(3):283-285.

[2]陳章寶,肖國君,鄧 君,等.虛擬仿真技術(shù)在藥學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國教育信息化,2015(10):86-87.

[3]張文英,袁 帥.物理化學(xué)虛擬實驗教學(xué)法的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育理論與實踐,2012,4(6):108-109.

[4]劉向華,德 偉,劉志軍,等.醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)虛擬實驗的建立和應(yīng)用優(yōu)勢[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2015,23(2):309-311.

[5]張 雅,王劍波,繆 珊,等.生藥學(xué)實驗教學(xué)改革的探討[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育,2014,14(4):286-288.

[6]張來賓,呂潔麗.生藥學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容和方法改革探討[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育,2015,13(8):85-86.

[7]孫銘娟,王梁華.分子生物學(xué)虛擬實驗教學(xué)軟件的設(shè)計與應(yīng)用探索[J] .中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù), 2011,25(3):283-285.

(編輯：馬川建)

2015-12-28

福建醫(yī)科大學(xué)教改課題(J15018)

石冬梅(1975-)，女，講師，理學(xué)碩士。研究方向：生藥學(xué)。

G642.0

A

1009-4784(2016)04-0040-04