药物分析虚拟实验室的构建

高晓霞，钟兆健，周欣，宋粉云

摘要：虚拟实验是传统实验的有益补充。本文主要对药物分析虚拟实验教学平台的主要内容、功能及平台特点进行了总结。同时，本文还将虚拟实验室建设与真实实验有机结合，可让学生打破时间和地域的限制，促进实验教学的个性化，拓展多元化教学模式，培养学生的自主创新能力。

关键词：虚拟实验室；药物分析学；实验教学

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）35-0272-02＼

随着网络技术、虚拟现实技术和仿真技术的发展，为实验科学提供了一种新的研究方法——虚拟实验室。虚拟实验是一种实验模式，操作人员进入人工虚拟环境中，像在真实世界中一样地与该环境进行实时操控和相互交流。目前对智能化虚拟实验室的研究得到了广泛关注，结合专业技能的虚拟实验室建设，已成为高等院校实验教学改革的方向之一[1-4]。操作者可在具有沉浸感的虚拟实验室环境中反复进行操作和练习，且可有效地满足学生碎片化、离散化的学习习惯，可达到提高操作者实验技能的目的[5]。

药物分析是药学专业学生的主要专业课程之一，是一门研究和发展药品全面质量控制的方法学科。同时，药物分析学是一门实践性和应用性很强的学科，实验教学是药物分析学教学中的重要环节。在生命科学与药学不断融合的今天，现代药物分析新技术和新方法不断涌现，如手性色谱学、高效毛细管电泳、色谱与光谱联用、色谱与质谱联用、色谱与核磁共振谱联用技术、分子影像学、近红外光谱等，药物分析学方法向着自动化、智能化、微量化的方向发展。但是由于实验室基础设施薄弱、实验开出规模和數量等原因，学生接触和使用大型仪器设备的学时数不足，无法完全掌握和熟练应用如高效液相色谱仪、高效液相色谱—质谱联用仪等大型贵重仪器，该方面的不足不仅限制了药物分析实验在本科教学中的发展，而且会影响到学生实践技能的提高。本文通过对虚拟系统的功能、模块、系统流程等进行梳理，构建了能够在PC、移动终端上运行的高仿真药物分析虚拟实验系统，内容涵盖了药物分析中的主线——药物的鉴别、检查和含量测定，全面展现出了药物分析学中主要的操作技能和仪器设备，适用于药物分析实验教学中的仿真实验、研究性实验和创新性实验，有利于培养学生的实践能力和创新能力。

一、药物分析虚拟实验室建设内容

根据药物分析学科的特点，虚拟实验室建设主要注重学习者对于实验技能点的掌握和提高，对于实验中涉及到的基本操作技能进行高仿真的模拟，实验室主要分为三个部分，包括实验技能学习平台、仪器设备操作训练平台和自主设计创新实验平台。通过对实验项目的设计和建设，在实验技能学习平台和仪器设备操作训练平台完成了3个药物分析实验项目的建设，内容涵盖了药物分析中的主线——药物的鉴别、检查和含量测定。

1.实验技能学习平台。药物分析虚拟实验室实验技能学习平台，主要是以视频、FLASH动画结合的方式来仿真场景，设计药物分析样品前处理和药物提取技术的训练平台，为学生提供中国药品检验标准操作规范，同时也有配合操作过程中的文字提示和操作细节的解说，如量瓶定容操作：调节刻度时刻度线是否与眼睛同一水平线、调节刻度的操作、振摇的操作；定容后再过滤操作：三靠（滤纸靠漏斗壁，玻棒靠滤纸引流，漏斗下部尖嘴靠量瓶内壁）、应干燥滤纸滤过（避免影响滤液浓度）、弃去初滤液（避免滤液浑浊）、滤纸上沿应低于漏斗边缘；移液管的使用：用待吸取溶液润洗2—3次、调节好刻度后要快速用吸水纸擦干移液管外壁下部黏着的液滴；滴定：涂凡士林方法、手握活塞方法、润洗2—3次、排气泡、调刻度、临终点前冲洗瓶壁方法、读数方法。在此基础上，完成“葡萄糖中一般杂质的检查”和“硫酸阿托品注射液的分析”两项虚拟实验项目的建设。通过这个实验技能学习平台的学习，使学生不仅可以了解药物分析学基本实验技术的理论知识，而且还能在实验项目开展前获得感官上的认知，在身临其境的效果中强化规范化操作的细节，夯实学生的专业基础，锻炼和提升学生的基本操作技能。

2.仪器设备操作训练平台。在仪器设备操作训练平台建设，以“HPLC法测定六味地黄丸中丹皮酚的含量”虚拟实验项目为目标，核心设计了具有高仿真度的虚拟环境、高交互性的高效液相色谱仪虚拟仪器。液相色谱分析过程主要包括仪器设备条件设定、进样、谱图采集、数据处理和仪器设备维护。参照色谱实验过程与真实实验，本文主要将液相色谱虚拟仪器分为高效液相系统的设备连接、基础操作练习、指导与评价3个模块，其中基础操作练习是整个平台的核心，可通过对虚拟仪器的操作模拟，实现梯度及非梯度淋洗条件下各种参数的二维和三维色谱数据的动态模拟以及色谱数据的采集、存储、重载和分析功能。操作者在虚拟实验室进行非线性交互式操作，系统可将操作信息保存下来，同时对操作者正误操作进行判断，对错误操作给予及时警告和提示。进入药物分析仪器设备训练平台训练后的学生，在完成真实实验的过程中，错误操作情况明显减少，同时也在一定程度上减少了实验仪器的维护费用。

3.自主设计创新实验平台。自主设计创新实验平台中，以“高效液相色谱法测定头孢氨苄的含量”为题目，要求学生根据药物的结构和性质设计头孢氨苄的含量测定方法，并进行方法学考察。平台建设基于液相色谱理论模型，以头孢氨苄的高效液相色谱实验数据为参考，构建出不同分离条件下的保留参数预测模型。此平台中学生可以通过将虚拟实验结果与真实实验结果进行比较、不同流动相配比条件下的谱图比较以及不同流速下的谱图比较，分析色谱流出曲线模型与实验值的吻合程度。在此基础上，要求学生完成含量测定方法学考察和分析方法的验证。自主设计创新实验平台的训练，在提高学生实验技能的同时，还可以强化理论知识指导实践的重要作用，培养学生自主学习的兴趣和能力。

二、药物分析学虚拟实验室的优势

1.仿真性。虚拟现实技术的发展，为虚拟实验室的建设提供了足够的技术支撑。通过计算机模拟可以较好的还原、模拟教学中的实验场景，特别是现代VR技术的广泛应用，可以使参与者通过模拟的实际操作获取身临其境的切身体会，不仅能让学生在短时间内获得直观的实验体验，还可能通过在相应模拟设备上的实际操作提高其实验技能。

2.实用性。由于大型的药物分析实验设备购置和使用费用较高，在传统教学中，从经济性角度考虑，实验课程大多安排一些常规的、较为成熟的内容。而通过建立虚拟实验室，可能通过模拟实验的方式组织学生完成以往必须但又难以组织的实验，不仅可能大大提升实验的效费比，还对提高学生的实际操作能力具有重要的意义。

3.可管理性。由于计算机的技术的应用，使用在虚拟实验室进行的模拟实验较传统的实验具有更强的记录功能。除此之外，虚拟实验室还可以实现传统实验中难以实现的过程回放和适时中断等功能。利用虚拟实验室的记录、回放、中断功能等就可以更加有效地对学生的实验过程进行一定的监控、指导、考核等，从而使药物分析实验管理更加科学、有效。

总之，虚拟实验是一种现代教育技术手段。本文从实验技术入手，探讨虚拟大型分析仪器在药物分析领域应用的关键问题。同时，本文还设计出了一个可交互的虚拟实验室环境，让学生在虚拟实验室平台上作实验，除掌握基本药物分析操作外，在大型仪器的操作、故障诊断、色谱实验等方面提高其实践能力。此外，虚拟实验室的建设还为实验教学的科学管理、实验室基础设施薄弱、实验规模和数量偏低等问题提供了一定的解决方案。

参考文献：

[1]刘志广，张明旭，张永策，等.滴定分析虚拟实验室的构建模式与方法的研究和探索[J].计算机与应用化学，2016，33（4）：485-490.

[2]林丛丛，张永策，付晓靓，等.多功能动态三维GC-MS虚拟实验室的构建[J].计算机工程与设计，2012，33（3）：1090-1095.

[3]刘志广，毛金群，张永策，等.三维HPCE虚拟实验室中的理论模型构建[J].实验室研究与探索，2014，33（1）：24-28.

[4]李玲，董昕，吕狄亚，等.虚拟实验室在仪器分析教学中的应用[J].基础医学教学，2016，18（7）：584-586.

[5]王甜，王茂林，林宏辉，等.分子生物学虚拟实验室的构建[J].实验科学与技术，2015，13（3）：43-46.