基于科研成果转化的药学虚拟仿真实验教学探索与实践

    张培全 陶移文 宣爱国 马文康 张超

    摘 ?要 为了发挥高校服务创新驱动发展战略作用，药学院重视“产学研”一体化，通过科研转化支撑实验教学，形成“教学—科研—转化”相互促进的良性循环。从“基础性、设计性、创新综合性”三个层次上进行设计，将已有的科研成果转化为虚拟仿真实验项目，通过虚拟仿真实验，学生加深对理论知识的理解，拓宽科研视野，提高对科学探究的兴趣和主动性，促进实践创新能力的提升。

    关键词 科研成果;教学资源;药学;虚拟仿真实验教学

    中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）18-0028-03

    Exploration and Practice of Pharmaceutical Virtual Simulation Experiment Teaching based on Transformation of Scientific Re-

    search Achievements//ZHANG Peiquan， TAO Yiwen， XUAN Aiguo，

    MA Wenkang， ZHANG Chao

    Abstract In order to give full play to the strategic role of service in-

    novation driven development in colleges and universities， the school

    of pharmaceutical sciences attaches great importance to the integra-

    tion of “production， learning and research”， and supports experimen-

    tal teaching through scientific research transformation to form a vir-tuous circle of mutual promotion of “teaching， scientific research and

    transformation. From the three levels of “basic， design and innova-

    tion comprehensiveness”， the existing scientific research achieve-ments are transformed into virtual simulation experiment projects. Through virtual simulation experiments， students have deepened un-

    derstanding of theoretical knowledge， widened the scientific research

    field of vision， improved the interest and initiative of scientific inquiry，

    promoted the promotion of the ability of practice and innovation.

    Key words scientific achievements; teaching resources; pharmacy; virtual simulation experiment teaching

    1 前言

    科技是先进生产力的集中体现和主要标志，是经济增长和提高综合国力的主要驱动力[1]。高校是国家高新技术的主要提供者和创造者，社会对高等学校学生的创新创业能力提出越来越高的要求[2-3]。现代大学中教学与科研之间孰重孰轻的矛盾与争论一直在持续，如何构造科研成果通向教学资源的桥梁，更有效地促进科学研究成果转化为本科教学资源，服务于本科教学和人才培养，是高校教学过程中普遍存在和亟待解决的难题[4-5]。近年来，广州医科大学省级药学虚拟仿真实验教学示范中心在理顺教学与科研的关系方面开展了有益的工作，通过将科研成果转化为药学虚拟仿真实验教学资源，创新了本科教学体系，探究了创新创业型人才培养的新模式。

    2 虚拟仿真實验教学的特点

    虚拟仿真实验教学是综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等多种技术，通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。虚拟仿真实验教学具有明显优势，并对传统实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生颠覆性影响，学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作，可以加深对实验原理及操作步骤的理解，还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验，为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供保障[6-7]。

    3 药学虚拟仿真实验教学的必要性

    实验教学是药学专业教育必不可少的重要环节，但在教学实施过程中受制于多种主客观因素，限制了实验教学的全面开展[8]。

    实验条件的特殊性 ?药学研究所涉及的高致病性病原微生物、放射性等实验，化学、制药所使用的剧毒类、易制毒品类等物质的实验，所需实验条件高，现有学生大型实验室条件很难满足实验开设要求，存在安全风险。虚拟实验则可满足日常教学要求，避免潜在危险。

    实验结果的不可逆性 ?药理、药效学和药代动力学实验中动物消耗量巨大，实验具不可逆性。引入虚拟实验，既可让学生掌握真实实验的流程、原理和实验思维体系，又可减少、优化甚至部分替代动物实验。

    教学成本和资源限制 ?药物合成实验所需要的特殊试剂和催化剂、药效学实验所需的大量生化试剂、人体药代动力学实验和实验动物等成本价格逐年上涨，病原体来源困难、实验耗材价格偏高等因素，药物生产过程的环境因素，造成学生实习实践活动的限制，最终影响学生对实际动手能力培养的限制。将样本信息数字化，建立相应虚拟模型，则可反复操作使用，从而满足学生动手操作的需求。

    学生自主学习的需求 ?实验室开放是学生自主学习、提升自主实践技能的重要手段。但由于药学实验需要大量的试剂、动物、仪器设备等配套资源，实验准备过程繁杂，资源和场地消耗量大，难以做到随时对学生开放。而虚拟药学实验则可以做到不受时空限制、随时随地开放。

    掌握实践技能的需要 ?药学工作需要娴熟的技术和经验支持，随着新版GMP和GSP的实施，对企业和环境要求越来越严格，学校很难大批量安排学生到企业进行实训学习;即使安排了，也很难真正让学生亲身操作制药工艺或药品流通过程。涉外实训安排非常困难，实训效果有限。因此，在实践实训操作教学中，模拟是极为重要的一个环节。虚拟实验通过交互的动画方式直观地展现操作过程和方法，利于学生对实训工作的理解。

    上述因素成为制约药学应用型人才培养的瓶颈，而药学虚拟仿真实验教学系统，通过虚实结合、能实不虚、相互补充等多种方法的灵活运用，构建课堂教学、实验教学、实习教学等多元化的教育教学体系，丰富了实验内容，拓展了教学内容，无限度增加学生动手操作的机会，同时可打破学科、课程间局限性，符合当今医药教育教学发展趋势，为培养高素质应用型药学人才提供了保障。

    4 科研成果转化的药学虚拟仿真实验教学特色

    广州医科大学药学院拥有省级药学虚拟仿真实验教学示范中心，中心教学团队坚持教学与科研相结合，将科研仪器设备应用于实验教学，将科研成果及时融入授课内容，传递最新的知识信息，丰富实验教学内容，弥补知识更新滞后的不足，不断拓展、丰富虚拟仿真实验教学范围和内容，提升学生的综合能力、创新性思维及科研素质。近年来，不断将科研成果转化为药学虚拟仿真实验教学项目。

    微循环灌流与血流动力学综合实验，项目来源于“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及机制研究” ?本项目研究了他汀类药物具有抑制心肌肥厚和改善心室功能的作用和对抗自由基诱导的急性左心室功能障碍，提出他汀类药物通过抗氧化作用机制发挥其心脏保护作用。将“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及机制研究”成果转化为药理学实验教学内容，将成果中的抗氧化应激损伤的基本实验方法设计为“微循环灌流与血流动力学综合实验”虚拟软件。该项目综合了离体器官实验技术、血管环舒张功能检测等方法，而这些技术对于学生学习这些心血管生理与病理生理学的知识和技术肯定能起到很好的效果，尤其是能使学生深刻理解血管内皮功能以及血压调节相关知识。此外，通过实验过程提高学生自主学习能力、解决问题能力和创新思维能力。

    肝癌的甲胎蛋白酶标电泳测定法实验，项目来源于“甲胎蛋白酶标对流电泳测定法” ?原发性肝癌长期以来是我国高发癌症之一，由于其恶性程度高，早期诊断至关重要;而定量检测血清中微量甲胎蛋白的分离和含量变化是早期诊断原发性肝癌的极其重要手段。“甲胎蛋白酶标对流电泳测定法”包含了生物化学、肿瘤学和生化制药等多方面的知识和技术，并与临床紧密相连;同时充分体现出创造性的科学思维，非常适合于学生的实验教学。将其转化为真实实验项目后，发现其酶标抗体等试剂成本高，因此，将其设计为“肝癌的检测方法与防治”虚拟实验项目，摆脱制备高成本实验试剂的束缚，既拓展了虚拟实验内容，也激发和活跃了学生的创新性思维。

    红树林内生真菌抗肺癌干细胞活性代谢产物分离纯化实验，项目来源于“基于LC-MS/MS分子网络的红树林内生真菌抗肺癌干细胞活性代谢产物的研究” ?本课题以三株具有良好抗肿瘤活性的菌株DZ27、H1N1和2216#作为研究对象，通过优化培养、规模发酵、有机萃取、LC-MS/MS数据构建代谢物的分子网络、抗肺癌干细胞活性指导分离纯化以及现代波谱学手段确定其化学结构，获得活性化合物，并从Wnt/β-catenin信号通路、ABC转运蛋白及凋亡抑制因子等干性分子角度，研究活性化合物调控肺癌干细胞的作用机制。把菌株DZ27、H1N1和2216#的优化培养、规模发酵、有机萃取、抗肺癌干细胞活性指导分离纯化等制作成虚拟仿真软件，使学生通过软件学习如何从菌株中分离纯化获得活性化合物，大大节省了真实实验的时间以及试剂消耗。

    组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi）调控体外培养的成年神经干/前体细胞增殖实验，项目来源于“PI3K/AKT/mTOR/S6K信号通路介导HDAC抑制剂调控神经干细胞分化及其在抗痴呆中的作用论证” ?本课题用Brdu和DAPI分别标记新生细胞和所有细胞核，计算Brdu阳性细胞/DAPI比率，研究不同HDACi对培养的成年神经干/前体细胞增殖的影响，以明确HDACi调控成年神经干/前体细胞的特性。把不同HDAC亚型抑制剂和不同剂量HDACi等数据录入，制作成虚拟实验软件，使学生通过软件学习剂型、剂量与实验结果之间的关系，大大节省了真实实验的试剂消耗，同时使学生学习成年神经干/前体细胞的相关知识。

    5 科研成果转化的药学虚拟仿真实验教学的开放与共享

    科研成果转化的药学虚拟仿真实验项目与实体中心项目形成有效呼应，平台网站对学生全线开放，打破了时空限制，学生可随时联网自学、讨论并进行模拟实验，实现线上自主学习。推进自主研发的基于科研成果的教学资源的转化工作，与公司合作推广自主研发的虚拟实验教学软件在本校或者其他高校的使用，增强中心平台的内涵建设，夯实自主研发及合作研发的优质教学资源，吸引使用者自觉访问平台网站，加强宣传与引导，制定一些具体的使用量化指标，促进使用率的提高。扩大覆盖面，增强辐射效应，扩大科研成果转化的虚拟仿真实验项目对省内医院的开放数量，拓展医药院校的共建、开放和共享联盟的规模，扩大虚拟医学科普教育平台、广州市科普基地对大专院校和中小学学生及其他社会人士开放的規模，努力增强平台科研成果转化的虚拟仿真实验项目的示范辐射作用。

    6 结语

    “教不研则枯，研不教则殆。”[9]将科研成果转化为药学虚拟仿真实验教学，既克服了传统实验教学中真实实验难以实现的实验操作，又成功地将最新的科研成果不断扩充到实验教学内容中去，形成“教学带动科研，科研促进教学”的良性循环，为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供了有力保障。

    参考文献

    [1]王惠萍.高校科研成果转化的现状分析与对策研究[J].中国高新科技，2017（1）：61-63.

    [2]李建恒，管立，黄增瑞，等.药学教育中将科研资源转化为本科教学资源的实践[J].医学研究与教育，2010（5）：92-94.

    [3]李飞.教学型大学科研成果转化为教学资源的影响因素分析[J].通化师范学院学报，2007（9）：69-70.

    [4]王英，杨坤涛，骆清铭，等.将学科发展成果转化为实践教学资源的探索[J].实验室研究与探索，2010（5）：126-129.

    [5]傅绪成，王小艳，吴菊.科研项目（成果）转化为创新实践教学资源的探索[J].广州化工，2014（7）：173-175.

    [6]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101-104

    [7]陈章宝，肖国君，邓君，等.虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用研究[J].中国教育信息化，2015（10）：86-87.

    [8]谢燕，李勇.药学虚拟仿真实验实训中心的建设与探讨[J].卫生职业教育，2017（4）：81-83.

    [9]曹小华，喻国贞，雷艳红.科研成果转化为综合性、设计性实验的教学探索与实践[J].化学教育，2009（11）：15-16，76.