本站原创摘 要：近年来计算机模拟和仿真已应用于高校很多专业课的教学,特别是在教授工科和理科专业课方面,模拟和仿真在快捷性、生动性与互动性方面都体现出传统教学方法无可比拟的优势.在专业课实验教学中运用模拟和仿真实验教学,不仅可以激发学生的学习兴趣,调动学习的积极性,而且还可以加深学生对实验原理和仪器使用的理解.多门专业课的实践证明,模拟和仿真实验教学在药学专业实验教学中的开展和运用将会为药学专业本科教学起到推动作用.
关 键 词：模拟和仿真；药学；实验教学
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2013）04-0026-02
药学是一门和实验紧密结合的学科,其本科教学具有丰富的实验教学特色.随着计算机互联网的发展,传统的教学思想、方法和手段都面临着前所未有的挑战,模拟仿真实验已成为一种新的发展趋势.药学院的不同本科专业都属于高强度理工实验学科,近年来本科生人数急剧增多,完全开展和提升全面实验教学需要较大的实验投入和设备投入,并且实验教学效果难以提升.而模拟和仿真实验教学是提高实验教学和实验实训的一种教学模式.模拟和仿真实验教学主要是指使用计算机技术来模拟药学实验环境,从而替代或补充传统实验教学的一种教学手段.仿真实验可以利用图像、动画、视频、声音等多种信息,提供形象逼真的实验器材和材料,模拟实验操作过程,成为实验教学一种有效的教学方式,甚至可以完全仿真一座真正药物的生产工厂.或通过控制模拟实训器,产生逼真的训练、操作环境,在节约实验时间和经费的前提下达到同样或更高的实验教学目的,实现更加适应社会和工作的能力培养目标.
一、传统药学专业实验教学的不足
药学专业本科教学主要是以理论课和实验课相结合的教学方式进行教学.多年来形成了实验教学在总体教学中的重要地位,但传统实验教学存在着很多不足.
首先,在药学实验教学中,由于高校一般不具有实验药厂,所以在药物生产工艺能力教学上,效果都略有遗憾.近年来有大量的本科毕业生就业到药厂生产工艺相关岗位,这就急需补充和完善相关工艺类实验教学；这些能力的培养可以通过组织毕业生到药厂实训达到,也可以引入实验仿真工艺软件联网操作来提高学生的能力.例如,利用抗生素发酵过程仿真平台,让学生在实验教学中掌握真正的抗生素生产工艺,进行实践模拟操作,并对结果进行科学的打分.
其次,药学实验教学的最大弱点就是不能培养学生药物研发的创新能力.现代药物主要分为中药药物、生物药物和化学合成药物,其中后两者具有很高的市场份额,也是人们用药中的主流药物.而生物药物和化学合成药物的研发都到了比较高技术平台的阶段.特别是化学药物的研发难度在不断加大,按照传统药学实验方法,一种药物研发平均费用要达到数十亿美金,所以应该开展计算机辅助药物设计,模拟和设计化学类药物,从而提高药物的基本设计能力.因此,在本科教学中应该引入计算机药物辅助设计实验课程,通过计算机药物设计软件的仿真和模拟,加强学生对药物结构、靶点、药效团等的基本设计能力,为将来进入药企和公司从事相关药物研发积累设计经验.
此外,随着现代实验科学和技术的进步,现代药学专业实验仪器和方法有了平台级的提升,而基于传统习惯的本科实验教学还停留在多年前的实验模式,实验仪器大多已经落后于药学发展.例如,在天然药物成分的提取相关实验中还在进行基本的超声提取实验教学,但在药学发展中微波辅助提取和超临界萃取等应该是在实验教学中大力开展的内容,但由于微波辅助提取设备等较高,实验消耗品也较贵,只能在研究生教学中开展,本科教学难以完成相关的实验技能培训.特别是非“211”和“985”高校在实验仪器和实验耗材等方面的投入都明显不足,因此,在微波辅助提取实验中可以利用微波辅助提取仪电脑工作站的专业软件进行模拟真实的提取过程,给学生以真实控制操作的动画设计,同时结合研究生实验结果作为仿真结果素材库,让本科生感觉真正的天然药物提取工艺工程.
二、模拟和仿真实验教学新模式的尝试
国内著名的药学院和省属普通高校都开展了药学相关的仿真和模拟相关的实验教学.如中国药科大学依托学校药学特色,已经在本科教学中开设药物设计仿真课程,建立了药物设计实验,使本科生掌握了药物基本化学结构及药效团和药物作用靶点,将教学提升到实际应用的水平,并且将药物设计软件DiscoveryStudio引入药物设计教学,在药物作用于蛋白质结构功能研究以及药物发现、药物模拟、优化等教学实验中,调动了学生学习的兴趣和积极性,并很好地发挥了学生在药物设计及优化中的创造性；计算机辅助药物设计仿真大致包括活性位点分析法、数据库搜寻、全新药物设计；未来新药研究的热点将集中于先导化合物的发掘与设计,其中使用计算机辅助设计仿真研究是先导化合物设计的重要方法之一.计算机辅助药物设计仿真是应用量子力学、分子动力学、构效关系等基础理论数据研究药物对酶、受体等作用的药效模型,从而达到药物设计之目的.
另外,还有许多学校开展了青霉素发酵工艺仿真教学,引入青霉素发酵制药工艺仿真软件[1],抗生素的生产工艺引入学生自己设计操作形式,使学生能够充分理解青霉素生产工艺流程,观察工艺反应现象,进行开车操作,对操作过程和结果进行客观的考核；该仿真实验教学,主要是利用东方仿真软件进行两部分仿真,即青霉素发酵工艺仿真和青霉素提炼工艺仿真.其特点是使用方便,仿真实验软件系统配备有评价系统和指令站管理系统,有了这两个系统,学生可以自主学习,教师也能组织日常培训以及考核,是一种既可体现实验教学又有实训教学内容的综合制药仿真实验教学.优化制药工艺条件是医药工业科研和生产中经常面临的课题,也是学生今后工作中经常需要解决的问题.好的工艺条件,可以取得高产率、低消耗的效果,对贯彻节约资源、保护环境的可持续发展战略有着重要的意义.而仿真实验教学在制药工业控制领域应用广泛,仿真选取青霉素生产作为研究对象,其制药过程复杂、周期长、具有典型代表性质.所以,建立切实可行的抗生素仿真训练系统,对高校药学院实验教学具有实用意义.此外,基因工程制药相关仿真实验,主要是基于基因工程虚拟实验室软件系统,该系统是深圳大学研发的虚拟实验教学软件,是一个共享开发型系统[2].该实验室旨在节省实验费用和学生对实验需要之间的矛盾,让药学院各专业本科生能够通过网络利用个人电脑完成虚拟实验,研究生完成预实验,为高校药学院实验教学的困境提供解决方案,是虚拟现实技术在高校信息技术辅助教学中的创新应用.该软件采用计分制,每个实验被划分成不同的操作步骤,根据每个步骤的正确程度计算分数值.通过基因制药的仿真,使学生更加深入理解现代最先进的基因工程制药的理论和应用,使昂贵的基因实验操作用仿真和模拟实验的方法来掌握,更加具有现实应用的意义.
三、模拟和仿真实验教学在药学实验教学中的优势
以计算机仿真和模拟实验教学赋予传统教育新的内涵,作为新生事物已经显示出它强大的生命力[3].仿真和模拟很好地解决传统实验教学的弊端,有效地提高实验教学质量,同时改变了传统的教育模式,并能够获得显著提高 0;教学效果[4].这些都体现了模拟仿真实验教学的优势.首先,模拟和仿真实验教学,可以节省时间、仪器,不受空间限制,弥补了因实验设备及经费不足的缺憾.它不仅通用性强,便于维护和升级换代,还消除了实验条件的限制及实验对环境的影响,在实验过程中几乎没有损耗.作为一个“开放的实验室”,它打破了时间和空间的局限,学生可以在课外继续实验,亦可以通过网络学习[5].其次,模拟和仿真实验教学拓展了观察的广度和深度,仿真技术在实验教学中的应用不仅把实验仪器全展示给学生,进行剖析调整,而且能够在实验过程中实时观察实验的各种指标,增强了学生对药学实验的熟悉程度,可以更好地理解实验.打破以教师为中心的教学模式,鼓励学生改进实验方法和装置,进而自己设计实验,利于启发学生的求知和探索精神.此外,采用仿真实验还有个非常重要的优势就是使学生在无毒、无害、无污染的绿色化学环境中进行学习,特别是一些剧毒性、综合性的实验.在实验中把各种实验用具、药品、实验环境完全模拟,让每一个实验者都有身临其境的感觉,可使知识由抽象变成形象.
随着仿真技术的不断发展,高校教育要满足社会快速变化能力需求的要求,模拟和仿真药学实验教学的教学模式,将日益广泛应用于药学院的各科实验教学中,并出现更加先进的形式,在教学中发挥更重要的作用.对教学来讲,不管是理论教学还是实验教学,都应更好地利用计算机模拟仿真技术提升教育质量,提高实验效率和改善教学环境.随着网络和计算机技术的飞速发展,模拟和仿真实验教学是药学院相关实验教学必不可少的组成部分,将来一定会在药学相关教学领域获得广泛的应用.