推进教育数字化转型，发展智慧教育，是建设数字中国的重要内容。2021年3月13日《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(以下简称《“十四五”规划与2035远景纲要》)提出要加快数字化发展，建设数字中国，并将智慧教育列入十大数字化应用场景之一[1]。《“十四五”数字经济发展规划》指出，要深入推进智慧教育，推动“互联网+教育”持续健康发展[2,3]。2023年是全面贯彻党的二十大精神的开局之年，顺应国家创新驱动战略方针下高等教育策略应变需要，在高校教学中多角度，多场景地运用信息技术，是现代化教学的必经之路。

中药化学是研究中药中化学成分的性质、结构、变化规律及其与药效关系的科学，对于学生来说常常充满了挑战。传统中药化学教育中，实验教学是非常重要的环节。然而，传统中药化学实验目前存在一些问题，比如草药种植、提取工艺、化学成分分析等方面的复杂性，以及质量控制的难度。影响了学生的学习效果和兴趣。教育部吴岩司长在建设中国“金课”中就提到开展虚拟仿真“金课”，虚拟仿真是“互联网+教育”之后的“智能+教育”[4]，须持续推进国家虚拟仿真实验教学项目的建设。随着虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术[5,6]的快速发展，其在教育领域中的应用也越来越受到重视。本文将介绍传统中药化学实验存在的问题，探索建设VR实践教学基地在中药化学实验教学中的优势和进一步开发方向。

1、传统中药化学专业实验教学存在的问题

虽然传统中药在医疗和健康领域中有广泛的应用，但是在进行化学分析、实验教学和科学研究时，传统中药化学专业实验面临着化学成分复杂性、质量差异、成分微量和缺乏明确标准性问题，在实验教学过程中存在一些挑战和困难[7,8]。

(1)化学成分复杂：传统中药由于其复杂的成分，使得其中的活性成分难以准确测定。相对于单一化合物的药物，中药往往是由多种化学成分组成的复方制剂。这些复杂的混合物导致了实验过程中诸如提取、分离和定量等关键步骤的复杂性和耗时性。中药化学是一门综合性的学科，涉及多个领域的知识，包括化学、药学、生物学等。这种跨学科的特点给教师们教授相关知识和技术带来了一定的难度。

(2)制备方法独特而复杂：传统中药的制备方法独特而复杂，对于学生来说往往难以理解和掌握。传统中药的制备过程包括草药的选择、炮制方法和药物配伍等方面，需要学生具备较高的专业知识和技能。我们需要加强实践教学，开设相应完整体系的鉴定、炮制和配伍等一系列实验课程和实习机会，让学生通过亲身实践来理解和掌握中药的制备过程。

(3)质量差异：传统中药在质量上存在很大的差异性。这主要是由于采集时间、地点、品种以及制备方法的不同所导致的。这样的差异性给实验带来了很大的挑战，因为如果我们不能确定样品的质量，就无法得出准确的实验结果。因此，我们需要建立起一套严格的质量控制体系，以确保实验的可重复性和可比性。

(4)微量成分检测困难：传统中药的活性成分往往非常微量，甚至有时候难以检测到。这对于化学分析师来说是一个挑战，因为我们需要使用高灵敏度的仪器和技术来进行检测[9]。同时，许多传统中药的活性成分具有不稳定性，容易受环境条件的影响而发生分解或失活。因此，我们还需要寻找适合的保存和处理方法，以确保实验结果的准确性和可靠性。传统中药化学实验通常以验证性和演示性实验为主，由于课时限制原因，缺乏对学生基本技能训练的系统性培养。

(5)缺乏明确的标准规范：相对于现代西药，传统中药缺乏清晰的标准和规范。这导致中药的研究和开发进展缓慢，无法与现代医学取得有效的对接。教授学生怎样使用现代化的仪器和技术，以及新的分析方法和标准研究中药化学成分非常困难。且实验成本高昂，传统中药化学实验所需的材料和设备成本较高，给学校和学生增加了经济负担。例如使用高效液相色谱仪器进行化学成分的测量和分析，在实验课堂有限的时间内学生理解能力和动手实践能力参差不齐，大型精密仪器设备无法人手一台训练等客观原因，导致花费大量的课时但实践效果不理想。

(6)传统中药的理论体系复杂而庞大，其中蕴含着丰富的经验和哲学思想。这使得传统中药化学教学需要注重理论与实践相结合，培养学生的实际操作能力。然而，在传统实验中学生缺乏思考意识与主观能动性，许多学生在中药化学实验中缺乏主动思考，仅仅按部就班地完成实验步骤。这种被动的学习方式限制了他们对知识的理解和掌握。实验报告流于形式，内容单一[10]，许多传统中药化学学实验的实验报告内容过于机械化，以填写实验数据和结果为主，缺乏对实验原理和方法的深入理解。实验周期较长、连贯性难以把握[10]。传统中药化学实验通常需要较长时间来完成，学生往往无法在有限的实验时间内掌握实验的完整流程和连贯性。若将长周期的实验拆分为多个短周期的实验，虽能提高学生的实验效率，但难以更好地理解实验整体与步骤之间的联系。

(7)缺乏对相关行业实践的机会。学生在本科阶段几乎没有机会深入到药企、药厂及相关化工单位进行实践。事实上大部分医药化工企业、医疗机构等也不允许学生真的开机器操作，只是提供学生参观和见习的机会，或从事简单、重复的劳动性工作，造成很难获得在工厂真刀实枪实操、专业实践能力提升的局限。

2、虚拟仿真实验的优势

随着科技的不断发展，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术正逐渐融入教育领域中[11]。虚拟仿真实验是一种利用计算机技术模拟真实实验场景，通过模拟真实场景，为学生提供身临其境的体验，从而以全新的方式促进学习和理解。能够通过特殊的头戴设备和手柄等装置，将用户完全沉浸在一个虚拟的世界中。学生们可以在虚拟环境中进行各种活动和实践，并与虚拟世界中的对象进行互动。这种沉浸式的学习体验能够激发学生的兴趣和好奇心，使他们更加投入学习过程。相比传统实验，虚拟仿真实验具有许多独特的优势[12,13]。

首先，虚拟仿真实验能够显著降低实验成本。在传统实验中，我们通常需要购买昂贵的实验设备、耗费大量的实验耗材和实验人员辅助。而虚拟仿真实验依靠计算机和软件，无需购买实验设备或消耗大量资源。这不仅减轻财务压力，更为学生提供了更多接触先进技术和实验的机会。

此外，虚拟仿真实验也能大幅提升实验效率。传统实验往往需要花费大量时间准备实验设备、调试实验参数等。而虚拟仿真实验只需点击鼠标，即可完成多次重复实验，学生可以更充分地进行实验探索，加深对知识的理解。

虚拟仿真技术在大型仪器教学中的应用也很有优势。有些实验设备昂贵、体积庞大，无法轻易安装在教室内。然而，虚拟仿真实验可以将这些大型仪器完美地呈现在计算机屏幕上，通过逼真的图像和交互操作，学生可以近距离观察仪器的运行原理和实验过程，达到与实际实验效果相媲美的效果。每个学生的学习进度和方式不同，传统课堂教学通常难以满足个体差异。虚拟仿真技术可以根据学生的需求和水平提供个性化的学习体验。学生可以根据自己的兴趣和需要选择合适的模块进行学习，从而更好地理解和掌握中药化学知识。

除了降低成本和提升效率之外，虚拟仿真实验还具有培养学生自主学习实验操作能力的优点。在传统实验中，学生往往需要依赖指导书或老师的指导才能完成实验。而虚拟仿真实验则鼓励学生自主探索、自主解决问题。学生可以根据自己的兴趣和需求，在虚拟实验环境下进行多次尝试，不断改进自己的方案，从而培养出独立思考和解决问题的能力。

最后，虚拟仿真实验还可以显著提升实验的安全性。在某些实验中，存在一定的危险因素，可能会给学生带来伤害。而虚拟仿真实验不需要使用真实物质或进行高风险操作，完全消除了这些潜在的安全隐患。学生可以在一个安全、无压力的环境下进行实验，尽情探索和学习。例如，在医药学领域，学生可以通过虚拟现实技术进行手术模拟，反复练习技能，而无需担心对实验动物或真实病人的伤害。

3、虚拟仿真技术在实验教学中的辅助作用

虚拟仿真技术正逐渐融入中药化学的教学过程中，为学生们带来更多鲜活的视觉和实践体验[14,15]。

(1)化学反应过程模拟：化学反应过程模拟是虚拟仿真技术在中药化学实验教学中的另一个重要应用。学生可以通过化学反应过程模拟学习提取、分离、纯化等中药化学实验操作的条件优化，观察化学反应的过程，了解反应条件对反应结果的影响。例如反应精馏3D虚拟仿真系统，以甲醛与甲醇缩合反应为对象进行反应精馏工艺：2CH3OH+CH2O=C3H8O2+H2O，生产得到甲缩醛(C3H8O2，别名二甲氧基甲烷，结构式CH2(OCH3)2，能溶解多种溶剂，主要用途为生产离子交换树脂、溶剂及香料等)。该虚拟仿真系统实验可以让学生针对具体的实验参数变化(如甲醛溶液浓度变化、甲醛甲醇摩尔比的变化、回流比的变化)对实验结果进行分析，了解反应精馏工艺过程的特点，熟悉反应精馏的工业应用，增强工艺与工程相结合的观念。

(2)化学成分分析：中药复杂的化学成分组合使得对其进行全面准确的分析十分困难。虚拟仿真实验可以通过建立中药的化学模型来模拟和分析其中的成分，深入了解化学成分，从而指导生产过程和质量控制。例如茶叶中有效成分的分离分析虚拟仿真实验，以茶叶为原料，利用溶剂萃取法提取、升华法纯化茶叶中的咖啡因(C8HN4O2，嘌呤生物碱，茶叶的特征化学成分，约占茶叶干重的2%～5%)，再利用红外光谱(IR)、高效液相色谱(HPLC)、GC-MS联用分别对其进行定性、定量分析，以虚补实解决了大型综合训练难以在本科实验教学中开展的问题。

(3)分子模型构建：分子模型构建是虚拟仿真技术在中药化学实验教学中的一个重要应用。通过分子模型构建，学生可以更直观地了解中药化学成分的结构特点，加深对中药化学理论知识的理解。例如，学生可以通过分子模型构建学习黄酮类化合物、生物碱类化合物等中药化学成分的结构特点，还可以针对材料成型过程进行薄膜、高分子材料、纤维材料等虚拟仿真。

(4)制备方法优化：传统的中药制备方法可能存在效率低下、资源浪费等问题。通过高自由度模式制作实验场景，模拟实验室制备过程，在虚拟实验室场景中通过交互操作，实现药材配方的抓取、煎煮、粉碎过筛、制剂等全过程的操作，同时结合视频操作教学，帮助学生更加直观和快速地自主学习中药的整个制备过程，供学生们模拟和预测实验结果，在没有时间限制和实际成本的情况下进行实验，从而提高实验技能和科学思维能力[16]。例如芦丁原料药与片剂生产及质量控制虚拟仿真实验，全流程展现芦丁碱溶、酸沉、精制工序，芦丁片的制备与质量控制，使学生掌握芦丁原料药及其片剂生产与质量控制相关仪器设备的结构、原理和操作规范，生产工序的岗位操作。

(5)药物活性预测：教师教学很难在课堂有限的时间内给学生模拟药物活性筛选的软件使用及筛选过程，但虚拟仿真可以解决这个问题。通过模拟分子结构和相互作用，虚拟仿真技术可以快速地预测药物的活性，筛选出有潜力的药物候选者，从而节约时间和资源。

4、中药化学专业虚拟仿真实验进一步开发方向

利用计算机技术和虚拟现实技术，计划拟开展“新疆特色道地药材产业链”虚拟仿真教学软件研究，中药现代化生产虚拟仿真实验及人体生物等效性虚拟仿真实验等，通过模拟真实实验环境和操作过程，建立具有一定规模的、服务于教学、培训、科研的“真岗实练”型中药实践教学基地，融合多种软硬件设备和资源，创造新型虚拟仿真实验实训环境，让学生能够在虚拟实验室中进行实验操作和观察结果，开展综合实践实验教学。

4.1“新疆特色道地药材产业链”的虚拟仿真教学软件研究

以现代中药制造为核心，集中药资源、药材种植、药物化学成分分析、中间提取、生产制药为一体的产业体系。选择具有新疆特色的1～2种道地药材，从其原植物的生长过程，到野外采摘、药用植物的性状鉴别、显微鉴定、薄层鉴别、炮制过程、提取与分离、化学成分分析与检测、配方研究、现代化饮片生产和制备，再到药理作用、药代动力学实验等进行虚拟仿真教学体系研究。将中药资源、中药鉴别、中药化学、中药制药、中药药理串联起来，包含实验室制备、中试放大和车间生产，通过三维仿真交互模拟小试、中试和大生产环境下中药的生产制备过程[17,18]。形成较为完整的中药产业链实验教学体系，帮助学生建立系统性的认知和知识架构，强化教学效果，提高学生科研实践创新能力。

4.2中药现代化生产虚拟仿真实验

中药现代化生产虚拟仿真实验的目的是将理论和实践结合起来，以提高中药生产的效率和质量。根据现代工厂GMP生产要求，通过三维仿真模拟，共设置包含称量、粉碎过筛、制粒、干燥、制剂、检测等虚拟仿真岗位[19]，帮助学生通过岗位实操理解并掌握理论知识点，从而达到理论与实践相结合的目的。具体而言，通过虚拟仿真实验：

(1)探索中药生产的优化方案。虚拟仿真实验可以为中药生产过程中的不同环节提供多种可能性。可以通过改变参数、调整工艺等方式，模拟并比较不同方案的效果。可以有效地降低实验成本和时间，并找到最优的中药生产方案。

(2)理解中药生产过程中的关键环节。中药生产涉及许多复杂的环节，比如提取分离、浓缩干燥等。通过虚拟仿真实验，我们可以深入了解这些关键环节的工作原理，掌握其影响因素，以便更好地进行质量控制和效率提升。

(3)培养科学思维和创新能力。虚拟仿真实验是一个安全、可控的实验环境，在这个环境下，人们可以自由地尝试各种想法和创新，而不用担心生产成本和风险。这有助于培养科学思维和创新能力，鼓励人们提出新的理论和方法，推动中药生产领域的发展。

4.3人体生物等效性虚拟仿真实验

通常是基于数学模型的建立和计算机仿真的方法，以及大量真实数据进行模拟的技术。首先，收集大量关于人体的生理数据，并结合已有的研究成果进行分析和整理。然后，运用这些数据来构建数学模型，该模型可以准确地描述人体的生理特征、组织结构和代谢过程等，包含人机交互、场景和实验、考核评价等模块。在计算机程序的辅助下，通过输入不同的参数和条件，以虚拟的方式模拟出各种实验情境。例如，可以模拟药物在人体内的传输路径、新药的药效评估、疾病的发展过程等等。在虚拟环境中进行与人体相关的实验，通过观察仿真结果，以便更好地理解人体的生理、药物反应、疾病模拟等方面的知识。构建虚拟病房及药物检测室，将受试者纳入和分组、给药、采血、样本分析、数据处理与统计等药物生物等效性试验的核心环境进行虚拟仿真，通过答题通关形式介绍药物人体生物等效性试验的相关原理和原则、操作技能和数据处理方法等内容[20]。虚拟仿真实验可以避免对真实的人体进行潜在风险较高的实验操作。通过虚拟环境，科研人员可以安全地进行大量实验，而无需担心可能对人体健康造成的损害；在计算机上进行多次实验，快速获取结果并进行相应优化，大大降低了成本和时间投入；传统实验可能会受到许多随机因素的影响，导致结果不一致。而虚拟仿真实验可以通过精确的数学模型和参数设置，保证实验的可重复性和准确性，非常合适应用于实验操作技能培训和临床技能培训。

5、结语

在原有实验实践基地基础上的升级改造，充分利用欧倍尔、梦之路等虚拟仿真实验软件，以及国家虚拟仿真实验教学课程共享平台等现有虚拟仿真教学资源，有效整合企事业、高校的教育资源，构建产学研合作协同育人模式，拟建设虚实结合的模块化虚拟仿真实训平台。引领和推动师生开展中药化学专业虚拟仿真实验教学体系的研究，通过虚拟仿真和实操训练，使学生更加全面的提升技能，形成较为完整的中药产业链实验教学体系，提高专业知识和实践技能。还可以组织学生参加大学生创新创业训练，提高学生创新实践能力，为培养技术应用型人才奠定基础。

虚拟仿真技术在中药化学实验中具有巨大的潜力[21]。不仅可以提高实验效率，减少成本，还可以提供学生真实的体验，个性化自主学习，培养科学思维，并且有助于探索创新应用。通过运用虚拟仿真技术，更好地激发学生的学习兴趣、提高实验课堂的学习效果。随着技术的不断进步，期待着这一技术的广泛应用，为中药化学的教学和研究带来更多的突破和进展。

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基金资助:新疆维吾尔自治区首批产学协同育人项目(中药学VR实践教学基地建设);

文章来源:李霞,李刚,王立萍等.虚拟仿真技术在中药化学实验教学中的应用探索[J].广东化工,2023,50(20):190-192.