基于虚拟仿真技术的药理学实验设计探索①

张斌 马剑峰 陈琳 易凡

(1.山东大学齐鲁医学院基础医学院药理学系 山东济南 250012；2.山东大学齐鲁医学院基础医学院实验教学中心 山东济南 250012)

图1 实验平台首页（五大模块）

图2 实验平台小模块设置

药理学是一门实践性很强的基础医学学科，是高等医学教育的必修课，为培养优秀医学人才发挥着举足轻重的作用。实验教学是药理学教学的重要环节，对于锻炼学生的动手操作、问题处理能力，培养学生的观察分析、开拓创新能力，以及帮助他们形成善于思索、严谨求实的学习态度都至关重要。多年来，药理学实验教学一直采取传统模式，即上课时首先由教师讲解实验内容，然后学生在规定时间内按照教师要求及教材说明，通过实际操作获得实验结果，并在课后撰写实验报告。这种模式在教学中的作用毋庸置疑，但也有其不足之处、存在着一些弊端，从而削弱了学习效果。2016年，国务院关于高等教育改革与发展工作情况的报告指出“教育质量是高等教育的核心，要实现高等教育大而强，必须把提高质量放在重要位置，推动以提高质量为中心的高等教育发展转型”。近年来，随着科技的迅猛发展、随着教学改革的大力推进，智能化、网络化的教学形式已不断涌现。在现代教学条件下，传统的药理学实验教学模式亟需向信息化、多元化发展，应尽力为学生提供更多、更好的学习资源，以充分调动学生的学习热情、提高教学质量，促进优秀医学人才的培养[1]。

1 传统实验教学模式的局限性

药理学实验以动物操作及药效观察为主，受客观条件所限，传统模式在许多方面存在不足，例如实验场地狭小、人均占有资源少、学生完整独立的操作机会少，有些涉及国家管制药品的实验由于存在安全隐患而无法自如开展，实验失败或结果不理想使学生产生挫败感，等等。这些问题使一些有价值的实验成为一种摆设，使宝贵的学习资源不能得到充分利用，也就无法很好的发挥实验教学的应有作用。

图3 加入药液的演示界面

图4 药效曲线的演示界面

《苯海拉明的拮抗参数pA2的测定》是药理学经典实验之一，利用离体豚鼠回肠标本，观察抗组胺药苯海拉明（DH）对组胺（HA）收缩回肠平滑肌的竞争性拮抗作用，使学生掌握药物效应动力学的相关知识，掌握离体器官的实验方法及拮抗参数的计算方法[2]。目前，本实验多以传统教学模式开展，学生4～5人一组，分工合作。但受动物个体差异、学生操作技能、实验系统稳定性等的影响，有时难以获得准确的量效曲线图形，即与教科书上的理论描述不完全一致，从而使学生产生困惑，自信心受到打击；其次，苯海拉明拮抗参数的推导演算过程较为复杂，在有限的课堂时间内，教师无法全面深入地进行解析，在一定程度上导致学生“只知其然，不知其所以然”现象的发生，不利于他们对核心知识的真正掌握；再次，由于本实验对于学习竞争性拮抗药具有极好的启发阐释作用，学生希望在复习理论知识的同时能够随时回顾实验过程以加深理解，而现有的实验教学是一过性的，课后学生不再有机会进入同一课堂自行温习。由此可见，在科技高速发展的当代，传统的实验模式以一己之力已无法满足高质量的教学目标，新型教学模式的有效实施是新时代背景下人才培养的迫切需求。

2 虚拟仿真实验的优势

2018年，《求是》杂志刊文“深入学习贯彻党的十九大精神，全面开创教育改革发展新局面”，指出积极推进教育信息化，稳步提升教育质量，发展具有中国特色、世界水平的现代教育[3]。虚拟仿真实验即是信息技术推动教学改革发展的结果，正如教育部在《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》中所述“虚拟仿真实验是教育信息化建设的重要内容，是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措”[4]。与传统实验教学相比，虚拟仿真实验具有许多优势[5-7]：(1) 采用人机互动方式，通过交互操作逐步完成实验项目，系统可跟踪记录学生的学习情况给予评价，学生可及时得到反馈并进行反思，进而促进学习。(2) 实验过程及实验结果清晰标准、形象生动，令人印象深刻，利于学生掌握科学准确的相关知识。(3) 不受时间和空间的制约，学生可随时随地登录系统完成实验，单人单机，实现远程学习，并可根据需要进行回顾复习。(4) 安全便捷，使一些有毒有害、复杂的、周期过长的实验得以实现，开阔学生视野。(5) 无需实体动物、试剂和耗材，无需实验场地和设备，节约了实验成本，也易于拓展新的实验项目，而且还可借助互联网实现资源共享。虚拟实验在激发学生求知欲、培养创造性思维等方面都有其独到优势，在实验教学中发挥了积极的作用，更在疫情期间成为唯一的实验教学手段帮助广大学子在家里完成了实验学习任务。

图5 量效曲线的演示界面

图6 拮抗参数计算的界面

3 《苯海拉明的拮抗参数pA2的测定》虚拟实验教学设计

我们将虚拟技术和定量仿真分析相结合，构建完成了“苯海拉明的拮抗参数pA2的测定”这一药物效应动力学的经典实验，以弥补传统教学的不足。本虚拟实验由“实验简介”、“模拟操作”、“实验波形”、“数据分析”、“思考题”五大模块组成（见图1）。“模拟操作”模块从仪器准备、系统调节、波形定标，到组织标本的制备悬挂，步步推进。“实验波形”模块将标准的原始图形结果一一呈现。“数据分析”模块引导学生学会拮抗参数pA2的演算过程。“思考题”模块围绕实验重点内容启发学生思考。通过与传统实验及理论课的结合，可提高学生的学习兴趣和效果。下面我们对各模块的功能进行介绍。

3.1 实验简介模块

无论是线下实操还是网上虚拟，对学生而言，一个实验能否顺利完成，并从中获得最大化的学习收益，都与正式实验前对该实验的认知程度密切相关。因此，实验简介是构建本虚拟实验的首要组成。本模块中，我们图文并茂详细地介绍了实验目的、实验对象、实验器材与药品、实验原理、实验步骤及注意事项。学生完全可以脱离书本教材，在课前登录系统预习了解，清楚实验内容及应该达成的学习目标，当遇到疑点难点时可根据实际情况主动查阅资料，做到心中有数，正式实验时才能够有备而来、化被动为主动，而非单纯刻板的操作。通过实验简介模块的学习，学生对本实验有一个整体的前期认识，是保证实验良好效果的重要部分。

3.2 模拟操作模块

模拟操作模块包括实验步骤的大部分内容。按照操作顺序，被分解细化为仪器准备、信号系统调节、波形定标、豚鼠处死固定、开腹取回肠、回肠冲洗剪段、悬挂标本共7个小模块（见图2）。本着还原真实实验场景的原则，每个小模块都设计了生动逼真的虚拟动画演示，并辅以字幕标注及配音解说。学生可根据系统提示，点击鼠标循序渐进地独立完成整个操作，也可以根据自身需要，随意选择任一小模块，反复进行某一步骤的练习。例如，标本的悬挂是本实验中较难掌握的步骤，涉及线钩和金属钩的使用、调节气流等影响实验成败的关键步骤，学生可以通过反复演练直到真正掌握为止。此外，整个实验过程还设有暂停键、重启键，并有小测试穿插其中，学生实时回答，系统即刻反馈并指出正误。灵活可控的操作界面、人机交互的操作模式，方便了学生按需学习、自主学习，不仅帮助他们掌握离体组织器官的实验方法、加深对相关知识的理解，也利于激发他们的探究意识和思考能力，使学（学习）、做（操作）、思（思索）、析（分析）有机融合，理论和实验交相呼应，提高学习成效。

3.3 实验波形模块

实验波形模块为实验步骤中观察药物效应的部分，在模拟操作（系统调试及回肠标本制备）后即可进行，是记录回肠收缩曲线的过程模拟。可直接点击平台首页的“实验波形”按钮（见图1）进入模块，也可以点击实验平台小模块界面中的“加药观察回肠收缩曲线并记录波形”按钮（见图2）进入。按照操作提示，用移液器吸取不同浓度的组胺或苯海拉明溶液注入到回肠所在的浴管营养液中（见图3），随着药物含量的累积，药效曲线也相应出现，强度逐步增强，波形清晰而标准（见图4），很好地阐释了理论课上所学的知识。这种虚拟仿真的图形有助于学生对组胺收缩肠平滑肌及苯海拉明拮抗作用的理解，也使他们对药物的量效关系及药物与受体的相互作用有了更直观的认识。理想的原始图形、形象的药理效应，使学生在操作过程中真切地感受到理论在实验中的完美体现，收获成功的喜悦，从而有效提升学习效果及进一步探究的学习热情。

3.4 数据分析模块

完成实验波形（回肠收缩曲线）的记录之后，学生即可得到第一手的原始图形结果。接下来进入数据分析模块，对原始图形进行分析以获得本实验的最终结果——组胺的量效曲线和苯海拉明的拮抗参数。可直接点击平台首页的“数据分析”按钮（见图1），或点击实验平台小模块界面中的“组胺的量效曲线绘制”和“拮抗参数计算”按钮进入本模块（见图2）。按照实验记录表中组胺浓度的对数值及对应的回肠收缩幅度，绘制量效曲线（见图5），通过与原始图形的比较，帮助学生理解量效曲线的概念和含义，并由“量效曲线平行右移而最大效应不变”的典型结果进一步巩固苯海拉明对组胺具有竞争性拮抗作用的理论知识。拮抗参数的计算是在学生充分了解实验原理的基础上进行的，通过详细演示双倒数变换等过程，引导学生结合实验原理，前后呼应，学会拮抗参数的测定方法（见图6）。此外，本模块还帮助学生延伸学习内容，激发他们学习运用Excel进行量效曲线绘制及直线回归运算的兴趣，使学生在收获专业知识的同时获得更多有价值的技能。

3.5 思考题模块

为考察学生对实验的掌握情况、帮助他们查漏补缺，特设置“思考题”模块，提出几个关键问题启发学生思考，学生在线完成并提交答案，教师批阅后通过系统反馈。加上“模拟操作”模块中穿插的小测试，学生最终可得到一个总成绩，能够整体反映本次实验的学习效果。学生根据得分情况，查找不足，再有针对性的进行复习回顾，以期达成学习目标。

4 结语

本实验通过虚拟仿真技术模拟了回肠收缩的生理指标，对组胺及苯海拉明的作用进行了详细演示，并在数据分析后提供了包括原始图形、量效曲线及拮抗参数在内的实验结果总结，帮助学生以更全面的视角清晰地领会实验的核心内容。而且，实验各模块间能自由切换，模块内可随意选择，并设有暂停键、前进键、后退键，方便学生根据自己的实际情况随时随地按需学习。与传统实验相比，本虚拟实验更具交互性、灵活性、精准性，含有更为生动宽泛的延伸信息。但是也并非毫无瑕疵，尤其不利于锻炼学生的动手操作能力及面对突发情况的处理能力，因此不宜完全取代传统实验。只有将两种实验模式科学有效地结合，取长补短，不再拘泥于某一种模式，才能充分发挥实验教学的应有作用，使学生有更大的收益。