徐婷婷，常笛，劉茁，王達(dá)，劉超，喬明曦，楊麗

沈陽藥科大學(xué)藥學(xué)院 (沈陽 110016)

藥學(xué)是一門涵蓋藥物化學(xué)、藥物制劑、藥物分析、藥理學(xué)和制藥工程等學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于藥學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)來說是不可或缺的一部分[1]。然而，某些實(shí)驗(yàn)由于場地、條件或成本等因素限制尚不能開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)，極大地限制了學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)所發(fā)揮的作用不能達(dá)到預(yù)期。新時代背景下，基于Web技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，為這一難題的解決帶來了契機(jī)，現(xiàn)已成為我國眾多高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要發(fā)展方向之一[2-3]。以藥學(xué)學(xué)科為例，筆者探討虛擬實(shí)驗(yàn)室在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，進(jìn)而闡述虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)新模式之必要及其設(shè)計，以期為虛擬實(shí)驗(yàn)室在各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提供參考。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室在藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的必要性

早在1989年，虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念被William Wolf教授所提出，其描述的是一種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境[4]。目前，國內(nèi)很多高校都已經(jīng)建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，2016年，教育部批準(zhǔn)清華大學(xué)自動化系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等100個實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[5]。2019年，教育部公布共計298個項(xiàng)目入選2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[6]。由此可見，教學(xué)信息化必將成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新趨勢和新潮流[7- 8]。構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性表現(xiàn)在以下幾方面。

首先，虛擬實(shí)驗(yàn)室克服了硬件、軟件、環(huán)境等因素限制。在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(GMP)實(shí)訓(xùn)中，各種藥物制劑的生產(chǎn)均需要在符合一定潔凈程度的GMP車間內(nèi)進(jìn)行，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心很難具備合適的硬件設(shè)施，同時也沒有必要建設(shè)造價和運(yùn)行費(fèi)用較大的硬件設(shè)施[8-9]。虛擬仿真GMP實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，即模擬藥品實(shí)際生產(chǎn)的真實(shí)硬件、軟件、環(huán)境和過程等，開展仿真GMP實(shí)訓(xùn)，既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，同時也克服了外界的限制因素，實(shí)現(xiàn)了時空開放式教學(xué)。

其次，虛擬實(shí)驗(yàn)室克服了成本昂貴、倫理學(xué)、環(huán)保等因素限制。在本科藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常常由于試劑、試藥、產(chǎn)物存在環(huán)境污染等問題，實(shí)體實(shí)驗(yàn)不易開展；或是由于使用的儀器尤其是大型儀器，售價昂貴，且需要較大空間和嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)室條件，較難滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求；或是由于在實(shí)驗(yàn)中使用的大型實(shí)驗(yàn)動物，比如猿猴、比格犬、小型豬等，其不僅價格相對較貴，而且還存在實(shí)驗(yàn)動物倫理問題，不宜因?qū)嶒?yàn)教學(xué)目的而殘殺動物。而虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中倫理學(xué)問題、成本昂貴、環(huán)保等因素限制。

此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還克服了課堂及地點(diǎn)等因素限制。傳統(tǒng)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常采用集中選課、上課的教學(xué)模式，這在很大程度上限制了學(xué)生所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時間，并且通常是教師演示，學(xué)生進(jìn)行重復(fù)的過程，在有限課時內(nèi)，同一實(shí)驗(yàn)無法在教師指導(dǎo)下重復(fù)進(jìn)行[10]。與此同時，很容易出現(xiàn)由于中途操作失誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)整體失敗，學(xué)生也沒有足夠時間重復(fù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而導(dǎo)致其余實(shí)驗(yàn)操作沒有機(jī)會練習(xí)，以致于缺少對這個實(shí)驗(yàn)的整體感受。在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生具有更強(qiáng)的自主性，可以隨心隨時隨地選擇想要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擺脫了資源和課時的限制，大大地延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性[10]。

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室解決了實(shí)體藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的限制因素，能夠大大地拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，然而虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際運(yùn)用的過程中逐漸顯露了一些不足[11]：首先，虛擬實(shí)驗(yàn)是基于實(shí)體實(shí)驗(yàn)的已知經(jīng)驗(yàn)規(guī)律所設(shè)計出來的，缺少真實(shí)情景的操作，容易使學(xué)生有不踏實(shí)的虛擬感。其次，人工設(shè)計出的虛擬實(shí)驗(yàn)可能不足以涵蓋學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)當(dāng)中可能出現(xiàn)的各種情況，使學(xué)生缺失了如何應(yīng)對突發(fā)性事件，排除故障以及解決其他異常情況的應(yīng)變能力和機(jī)會。最重要的是，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)場地的限制，學(xué)生可隨時隨地去登錄學(xué)習(xí)，但教師言傳身教的作用被大大地弱化了，不利于學(xué)生對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的吸收和總結(jié)。因此，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)新模式為藥學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供突破口。

“虛實(shí)結(jié)合”把學(xué)生對實(shí)體實(shí)驗(yàn)的操作過程與借助計算機(jī)軟件對實(shí)驗(yàn)過程的模擬結(jié)合起來，能促使學(xué)生分別將真實(shí)與虛擬情境中的所學(xué)融會貫通，在“虛”與“實(shí)”的經(jīng)驗(yàn)交互中，實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)。另外，“虛實(shí)結(jié)合”把現(xiàn)代科技引入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)情境下無法開展的實(shí)驗(yàn)。這種“虛”與“實(shí)”的結(jié)合，有利于學(xué)生整體知識結(jié)構(gòu)體系的形成、創(chuàng)新意識與解決問題能力的提升。與此同時，該技術(shù)把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要素與虛擬實(shí)驗(yàn)深度融合，可以真正地樹立學(xué)生為中心的主體地位，打造智能學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)施智能化的精準(zhǔn)教育。

相對理論教學(xué)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)所特有的直觀性、啟發(fā)性、實(shí)踐性以及探索性對于提高學(xué)生的思維能力，動手能力以及創(chuàng)新能力有著不可或缺的作用。將虛擬實(shí)驗(yàn)引入藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)中，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，打造貫穿現(xiàn)實(shí)藥品研究開發(fā)與生產(chǎn)整個過程的高度仿真藥學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，可幫助學(xué)生掌握新藥研究與藥品實(shí)際產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的全過程，降低實(shí)踐教學(xué)成本和風(fēng)險，節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間，拓展實(shí)踐教學(xué)的廣度和深度。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

3.1 建設(shè)目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)可檢驗(yàn)學(xué)生理論學(xué)習(xí)的掌握情況，教師進(jìn)行知識再傳授，是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力以及創(chuàng)新能力的重要途徑。因此虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的建設(shè)須以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力以及實(shí)踐能力為核心，與新時代的大學(xué)生特點(diǎn)、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的教育體系和人才培養(yǎng)要求相匹配。

3.2 設(shè)計思路

“能實(shí)不虛，以虛補(bǔ)實(shí)，以虛促實(shí)”是構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的核心設(shè)計思想，其一方面實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件下無法完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，另一方面加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深化以及拓展。

3.2.1 堅(jiān)持從教學(xué)需求出發(fā)

以實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求為出發(fā)點(diǎn)，緊密圍繞教學(xué)大綱和課程體系，是虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建的根本。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的在于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新意識，在實(shí)驗(yàn)的選擇以及設(shè)計上，設(shè)計者應(yīng)優(yōu)先選擇綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)，而不是簡單的演示性實(shí)驗(yàn)[12]。對于實(shí)體實(shí)驗(yàn)中不具備實(shí)驗(yàn)條件的或者難以達(dá)到教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)。例如GMP實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心很難具備合適的硬件設(shè)施，僅僅依靠理論教學(xué)很難達(dá)到教學(xué)效果；對于實(shí)體實(shí)驗(yàn)就可以達(dá)到教學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)，則不應(yīng)考慮虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)。例如乳劑的制備，混懸液的制備，這種依托實(shí)體實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以完全掌握的實(shí)驗(yàn)就無需再建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)，否則會造成資源的浪費(fèi)；而對于那些沒有學(xué)科特點(diǎn)以及特色的公共課程，則可以采取共享應(yīng)用的方式。

3.2.2 堅(jiān)持體系建設(shè)

對于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來說，必須要堅(jiān)持成體系建設(shè)[13]，使其具有一定的短期以及長遠(yuǎn)的規(guī)劃，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開展必須有計劃、有目的地進(jìn)行。高校應(yīng)在結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)的同時，以提高教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，以學(xué)生為中心，推進(jìn)個性化、智能化的“多層次、一體化、虛實(shí)結(jié)合、科教協(xié)同”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的應(yīng)用。例如，華僑大學(xué)旅游實(shí)驗(yàn)中心所建設(shè)的“三橫四縱”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系，其從“卓越旅游管理人才”培養(yǎng)方案出發(fā)，將虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)分為三個層次。首先以一些基礎(chǔ)相關(guān)學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)技能；其次以景區(qū)、會展、酒店等各大旅游企業(yè)為虛擬仿真對象，建設(shè)成針對旅游運(yùn)營整體過程的仿真實(shí)驗(yàn)，最后依據(jù)學(xué)科優(yōu)勢，進(jìn)行旅游安全、在線旅游創(chuàng)業(yè)、旅游創(chuàng)新大賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練[14]。除此之外，對于進(jìn)行虛擬建設(shè)的實(shí)驗(yàn)部分應(yīng)當(dāng)與實(shí)體教學(xué)形成互補(bǔ)關(guān)系，相互匹配，并且也需要有配套的教案、操作以及引導(dǎo)等。對于與虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相配套的管理、人事、經(jīng)費(fèi)等保障機(jī)制也應(yīng)隨之建設(shè)起來。例如，在組織制度方面，實(shí)施院、校兩級管理。中心主任和副主任由學(xué)校選聘，實(shí)行主管校長領(lǐng)導(dǎo)下的中心主任負(fù)責(zé)制，采取全員競聘、擇優(yōu)上崗、定期考核的管理機(jī)制。中心集實(shí)驗(yàn)課教學(xué)組織、教學(xué)研究、教學(xué)管理和實(shí)驗(yàn)室管理一體化，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、虛擬仿真教學(xué)資源實(shí)行各專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的分級管理，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的有效統(tǒng)籌規(guī)劃。

3.2.3 重視質(zhì)量評價

根據(jù)教育部相關(guān)文件精神，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)“信息化教學(xué)資源建設(shè)”，其核心是“優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享”[15-16]。但我國目前現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)普遍存在內(nèi)容簡單、重復(fù)性高的特點(diǎn)，且大多數(shù)項(xiàng)目都缺少互動性、設(shè)計性，多為播放式或者單線操作，完全脫離了原本建設(shè)的初衷。因此相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)對項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量評價，只有通過后的項(xiàng)目才能上線，這樣才能建設(shè)出高質(zhì)量項(xiàng)目。目前的質(zhì)量評價方式大多為定性評價，通常由專家針對該項(xiàng)目的可實(shí)施性、教學(xué)效果等進(jìn)行評語描述，存在無法對結(jié)果進(jìn)行量化的問題，導(dǎo)致無法同時對多個虛擬仿真項(xiàng)目的質(zhì)量評價結(jié)果進(jìn)行排名。有研究學(xué)者指出可采用專家打分法或?qū)哟畏治龇▽υu價指標(biāo)體系進(jìn)行賦權(quán)研究[15]，然而專家打分法存在著參與專家人數(shù)多、打分周期長等問題；層次分析法存在一致性檢驗(yàn)、計算過程復(fù)雜繁瑣、推廣受限等問題。因而構(gòu)建實(shí)用性強(qiáng)的質(zhì)量評價體系對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量的評價十分關(guān)鍵。

3.2.4 注重科研成果轉(zhuǎn)化

“教不研則枯，研不教則殆”。倘若教學(xué)與科研相互脫離，那么必然成了紙上談兵，或者是無本之木。因而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，高校應(yīng)注重“產(chǎn)學(xué)研”一體化，特別是對有藥學(xué)學(xué)科特色和實(shí)用性強(qiáng)的科研成果的轉(zhuǎn)化，逐步形成“教學(xué)-科研-轉(zhuǎn)化”三者相互促進(jìn)的良性循環(huán)，有助于學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合能力的提升。教學(xué)團(tuán)隊(duì)采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。這是一個很好的解決途徑，可以傳遞最前沿的知識信息，服務(wù)于人才培養(yǎng)和本科教學(xué)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的知識滯后的問題，突破了實(shí)體實(shí)驗(yàn)中可能會存在的引入先進(jìn)技術(shù)或者大型設(shè)備的條件限制，擺脫制備高成本實(shí)驗(yàn)試劑的束縛。另一方面還能夠進(jìn)一步縮短學(xué)生與科研之間的距離感，拓展學(xué)生知識視野，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。此外，基于科研成果的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，還可構(gòu)建校企共建共享的藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式和新途徑，所建設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺不但成為企業(yè)崗前培訓(xùn)的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺，還成為企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新藥物的實(shí)用平臺，為企業(yè)創(chuàng)新藥物的研發(fā)提供服務(wù)，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)支撐平臺，增強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)中心的示范輻射作用。

4 結(jié)語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須要緊跟高等教育深化改革的步伐，而虛擬仿真無疑是一種新的教育生產(chǎn)力，是推進(jìn)“智能+教育”的創(chuàng)新一招。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)情境下無法開展的實(shí)驗(yàn)，有效拓展實(shí)踐教學(xué)的廣度和深度，是助力高等教育創(chuàng)新發(fā)展的有力抓手，必然會為藥學(xué)專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入新的活力。