以抗疟疾药物青蒿素的提取与...化学实验教学中的探索与应用_李明华.pdf

CHINA MEDICINE AND PHARMACY Vol.13 No.2 January 202371 2023年1月第13卷第2期医药教育 基金项目 陕西省重点研发计划（2022SF-048）；2021年陕西高等教育教学改革研究项目（21BG053）。通讯作者以抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化为例的虚拟仿真实验在化学实验教学中的探索与应用李明华兰婷冀楠秦向阳张俊娜田秦秦王海波何炜空军军医大学药学系化学制药学教研室，陕西西安710032 摘要 虚拟仿真实验的建设是当下实验教学发展的趋势，有机化学实验从教学与实际应用的角度出发，将虚拟仿真融入到真实的实验教学中，使信息技术的作用得到充分的发挥。本文介绍了有机化学实验课程中抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化，基于现实的有机化学中天然产物的提取与纯化实验项目的开展，对虚拟实验进行思路设计、流程优化，最终在客户端对学生开放，与课堂教学相辅相成。通过问卷调查，虚拟实验可以有效地激发学生的学习热情，提升学生学习的主动性，切实提高实验课程的教学质量。关键词 虚拟仿真实验；青蒿素；实验教学；教学效果；问卷调查 中图分类号 G642.423；O6-4 文献标识码 A 文章编号 2095-0616（2023）02-0071-04Exploration and application of virtual simulation experiment on the extraction and purification of antimalarial drug artemisinin in chemical experiment teachingLIMinghuaLANTingJINanQINXiangyangZHANGJunnaTIANQinqinWANGHaiboHEWeiDepartment of Chemistry,School of Pharmacy,Air Force Medical University,Shaanxi,Xi an 710032,ChinaAbstract The construction of virtual simulation experiment is the current trend of the development of experiment teaching.For the organic chemistry experiment teaching,people integrate virtual simulation into real experiment teaching from the view of teaching and practical application,so that the role of information technology can be fully exerted.This paper introduces the extraction and purification of antimalarial drug artemisinin in the course of organic chemistry experiment,and carries out the thought design and process optimization of the virtual experiment based on the implementation of the experiment project of extraction and purification of natural products in real organic chemistry,which is finally open to students at the client and complementary to classroom teaching.Through the questionnaire survey,it is found that the virtual experiment can effectively stimulate students enthusiasm for learning,improve their learning initiative,and practically improve the teaching quality of the experiment course.Key words Virtual simulation experiment;Artemisinin;Experiment teaching;Teaching effect;Questionnaire survey虚拟仿真实验教学被列为教育部的重点建设工作之一1，是当下实验教学发展的趋势。化学学科是理论与实践结合为一体的自然科学，我校化学教研室从实际应用的角度出发，紧跟社会与学科的发展，突破化学实验在时间、试剂、设备等方面的限制，于 20202021 学年完成一项实验教学改革项目，开设了一个有机化学虚拟仿真实验项目抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化。学生通过客户端，模拟真实的实验环境，充分调动学生自主学习的主动性，激发学习热情和实验积极性，从中收获实践体验，掌握实验必备的基本操作，培养学生独立思考、分析问题、解决问题的能力，巩固教学内容。同时还能够满足本科化学教学不断增长的实验课程需求，对实验教学模式实现了完善和创新，切实提高实验课程的教学质量。1有机化学实验教学的现状与面临的挑战有机化学实验是有机化学教学中非常重要的一部分，可以很好地提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力。然而，传统的有机化学实验课程却存在着诸如以下的问题2-7：实验内容相对简单，基础性、验证性的实验占大多数，探索性、设计性等需要学生自主思考、查阅文献、设计实验路线的几乎没有。在实验课上，学生往往只进行最基本的操作训练，如重结晶、熔点测定，萃取升华等。除了基本操作，有机的合成实验也是单一化合物的制CHINA MEDICINE AND PHARMACY Vol.13 No.2 January 202372 2023年1月第13卷第2期医药教育备为主，如阿司匹林的制备等。这样的实验设置不能有效地激发学生的主观能动性，不利于学生提高实验技能和综合能力。教学方式单一，造成学生惰性较强。有机化学实验课程仍然是以老师讲授为主，学生在老师的指导下规范操作即可完成。课堂上，学生对于实验原理、实验需要思考的内容并不是太关心，只是想着怎么快速地完成实验，实验报告也经常是照着课本抄一抄，对于创新思维的发展提升程度小。教学过程不够绿色环保，有机化学实验教学经过多年的发展，所选择的实验都是毒性相对较小，适合给学生开展的经典实验。虽然如此，实验过程中仍不可避免的会用到一些有一定毒性易挥发的试剂，对环境造成的污染也是一个需要关注的问题。学生人数众多，昂贵的大型精密仪器数量很少，很难保证每个学生都有机会独立操作，仪器的操作仅仅停留在理论层面上，学生难以真正的掌握。因此，在传统有机化学实验的基础上，利用快速发展的信息网络技术建立虚拟仿真实验教学是有机化学实验的改革方向之一，既可以辅助实验教学又可以突破时间和空间的限制，充分调动学生的学习积极性和主观能动性。2虚拟仿真技术的认识虚拟仿真技术是借助虚拟现实、人机交互、多媒体、网络通信等现代技术将仿真技术与虚拟现实相结合而产生的一种具有沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性的更高层次仿真技术8-10。借助这一技术，虚拟仿真实验被引入高校的实验教学中，将实验教学与虚拟仿真相结合，让学生在虚拟的环境中开展相关的实验课程，以满足实验教学的需求，同时可以弥补传统教学中存在的各种问题11-13。2014 年，华中科技大学生命科学与技术虚拟仿真中心获批国家级虚拟仿真实验教学中心14，并将其用于基础医学院、临床医学等多个专业的实验教学任务，在实验教学改革方面取得了显著的成效。2016 年，北京大学也完成一项虚拟仿真实验教学改革项目，实现“虚实结合”，让学生进行分组获得实践体验，巩固教学内容15。3抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化实验3.1项目设计的理念青蒿素（artemisinin）是 20 世纪 70 年代我国药物化学家屠呦呦教授从菊科植物黄花蒿中分离的抗疟疾药物，其特点是对疟原虫无性体具有迅速的杀灭作用。这一医药史上的伟大发现，每年在全世界特别是发展中国家挽救了数以百万计疟疾患者的生命，屠呦呦教授也因此获得了 2015 年诺贝尔生理学医学奖16。通过这样熟悉的背景可以很好地激发同学们的民族自豪感，同时这是一个从天然产物到药物的过程，学生是非常感兴趣的。但是这个实验在操作过程中需要耗费大量的试剂，实验所需的时间也很长，因此考虑将抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化实验设计成虚拟仿真实验，依托虚拟实验的程序设计和人机交互，构建高度仿真的虚拟实验操作环节，学生在电脑端开展实验，完成各项操作，如减压蒸馏、重结晶、柱层析和薄层层析及熔点测定等，一整套流程下来使学生能够了解从植物中提取、鉴定天然产物的过程，理解青蒿素提取、纯化和鉴定的原理和方法以及各项操作的具体方法，达到课程教学计划的要求。3.2项目构建抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化虚拟仿真实验的构建是仿照真实实验流程进行的，实验设计整体流程见图 1。图 1 抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化设计流程图作为虚拟实验开展在思路设计及流程优化时需要充分考虑现实教学中需要学生掌握的知识点及操作如何能有效地呈现出来，如何通过虚拟实验实现与学生的互动，是教师在设计虚拟实验时要考虑的问题。具体做法如下，举例进行说明。在进入实验之前，首先要让学生了解实验背景。WHO 发布的 2019 世界疟疾报告数据显示，2018 年疟疾发病人数仍高达约 2.28 亿人，全球约40.5 万人死于疟疾17，感染疟疾之后会出现症状，说明疟疾是全球广泛关注的重要公共卫生问题之一。我国药学家屠呦呦教授在抗疟疾药物青蒿素的发现中做出的重要贡献。青蒿素的发现及使用，每年在全球拯救了数以百万疟疾患者的生命，更加清晰地见证了中药对人类健康的重要作用。接下来，结合教学目标，说明实验目的，实验原理，这些均以图文的形式出现，有了这些铺垫，学生对抗疟疾药物青蒿素就有了更加全面、明确的认识，从而充分调动他们的学习兴趣和操作积极性。在实验准备阶段，教学目标是掌握回流操作，首 CHINA MEDICINE AND PHARMACY Vol.13 No.2 January 202373 2023年1月第13卷第2期医药教育先在画面中给出 A 圆底烧瓶、B 冷凝管、C 索氏提取器、D 加热装置、E 蒸馏头、F 尾接管、G 温度计七个选项供学生选择，设置学生选择正确才可进行后续操作，选择正确之后学生模拟搭建回流装置，并在界面中弹出冷凝水的进出顺序供学生选择。装置搭好后进行干燥青蒿叶粗粉的称量工作，教学目标是掌握称量天平的使用，固体试剂的称量、固体试剂的转移等，在虚拟实验中可以分步展示详细的操作流程。在青蒿素的粗品提取阶段，教学目标是掌握索氏提取器的使用，虚拟实验中这一部分可以用教师录好的视频，老师实际演示如何折滤纸筒，如何装料，放入索氏提取器时需要注意的细节，这样虚实结合，帮助学生掌握操作方法。在青蒿素纯化阶段以动画的形式详细分步展示柱层析步骤，加压洗脱，收集洗脱液进行旋干，TLC 监测，根据 Rf 值及斑点数目，鉴别青蒿素并判断纯度。项目构建过程中每种仪器、试剂会都给学生进行展示，主要步骤都会有详细的说明及细节放大，需要学生掌握的知识会以题目形式出现，方便学生对该实验的深入了解，最终对学生的操作进行打分。虚拟仿真实验软件操作界面见图 2 4。图 2 虚拟实验界面图图 3 虚拟实验界面图 4 虚拟实验界面4虚拟仿真实验的应用学生登录虚拟实验界面后，首先点击背景知识，之后再逐一点击实验目的、实验原理、仪器设备，基本操作等图文介绍，模拟预习实验的过程，然后再进入实验环节，按照操作指引，逐一完成各项步骤。2021 年春季学期我校开始将虚拟实验室作为试点向本科生开放，共计 439 人参与了虚拟仿真实验的操作。教学组通过查阅文献设计调查问卷18并结合学生实际操作进行效果调查，结果表明，90%以上的同学在提高学习兴趣，学习积极性、主动性方面有较好的效果。93%的同学能从虚拟实验教学中掌握实验所需的各项操作，理解柱层析，TLC等试验方法。95%以上的同学认可虚拟实验，希望有更多的实验可以设计成虚拟实验供大家学习操作。见表 1。表1 虚拟仿真实验教学效果问卷调查n（%）调查项目是否不确定提高学习兴趣396（90.20）20（4.55）23（5.24）提高学习的积极性和主动性398（90.66）19（4.33）22（5.01）你是否掌握了回流操作408（92.93）18（4.10）13（2.96）你是否掌握了称量操作410（93.39）19（4.33）10（2.28）你是否掌握了索氏提取器的使用412（93.84）17（4.44）10（2.28）你是否理解了柱层析的方法409（93.16）19（4.33）11（2.51）你是否理解了 TLC 监测的方法411（93.62）20（4.55）8（1.82）你对虚拟实验是否满意417（94.98）12（2.73）10（2.28）你是否愿意接受更多的虚拟实验操作 420（95.67）10（2.28）9（2.05）5总结虚拟仿真实验是在基于现实实验的基础上，为学生提供的一种新的实验模式。抗疟疾药物青蒿素的提取与纯化的虚拟仿真实验，是将虚拟仿真技术应用到步骤多耗时长溶剂用量大的复杂化学实验教学的一次探索与尝试，它不受限于仪器、试剂、师资等条件的限制，可以更加方便地满足学生的实验需求并寓教于乐，提高学生的学习主动性和独立分析问题、解决问题的能力，经实践取得了较好的学习效果。今后将继续尝试适合学生实验的虚拟仿真项目，建立虚拟仿真实验平台，更好的服务于实验教学，使得化学实验教学向着网络化、虚拟化、智能化、多元化的方向发展，从而提高实验教学的质量和学生的主动性及满意度。参考文献 1 教育部高等教育司.关于开展“十二五”高等学校实验教学示范中心建设工作的通知：教高司函 201233CHINA MEDICINE AND PHARMACY Vol.13 No.2 January 202374 2023年1月第13卷第2期医药教育号 Z.2012-03-15.2 杨进.高校有机化学实验教学改革探析 J.广西科技师范学院学报，2018，33（6）：95-98.3 王丽辉，徐玲，段莉梅，等.有机化学实验教学现状分析与对策 J.中国现代教育装备，2014（5）：59-61.4 谭昌会.有机化学实验教学实践与探索 J.教育与职业，2010（9）：166-167.5 任博涛.提高有机化学实验教学效果的策略 J.化工管理，2021，583（4）：23-24.6 王海波，秦向阳，辛春艳，等.科研对医学院校医用有机化学实验教学质量的影响 J.中国医药导报，2020，17（35）：177-180.7 李骅，邱鹏程，毕琳琳，等.高等医药院校天然药物化学教学改革与思考 J.中国医药导报，2020，17（28）：60-63.8 房川琳，李俊玲，熊庆.化学虚拟仿真实验教学中心的建设与发展J.实验室研究与探索，2021，40（11）：155-159.9 贾超，陈莉，邓科穗.虚拟仿真技术在中医辨证施护实践教学中的应用效果研究 J.中国医学创新，2022，19（6）：180-183.10 董桂伟，赵国群，王桂龙，我国虚拟仿真实验教学的发展与趋势研究J.中国大学教学，2021（7）：84-92.11 杨敏，蒋立，殷海燕.虚拟仿真技术在基础护理学实训教学中应用效果的系统评价 J.中国医药导报，2021，18（25）：67-71.12 张媛，欧阳静.虚拟仿真技术在中医药领域的应用现状 J.西部中医药，2020，33（5）：149-151.13 彭敬东，龚成斌，马学兵，等.虚拟仿真实验在化学教学中的作用 J.西南师范大学学报（自然科学版），2017，42（7）：193-196.14 李奇志，刘亚丰，卢群伟.虚拟仿真实验在医学细胞生物学实验教学中的应用 J.基础医学与临床，2019，39（10）：1508-1511.15 王岩，荆明伟，闫保桦，等.分光光度法和电位滴定法虚拟仿真实验的开发与探索 J.实验技术与管理，2019，36（8）：190-194.16 刘佳.青蒿素的药理学作用及提取工艺的研究状况J.化学工程与装备，2019（2）：219-221.17 张瑾，侯伟，徐翮飞，等.20142019 年青岛口岸输入性疟疾监测 J.中国国境卫生检疫杂志，2022，45（3）：240-242.18 邱颖.基于药理学课堂教学形式及方法的调查问卷分析 J.教育教学论坛，2020（14）：108-110.（收稿日期：2022-07-01）（上接第 29 页）中药离子导入在青少年假性近视中的应用 J.齐鲁护理杂志，2021，27（7）：33-36.43 刘伙生，宣守松，赵海龙，等.经筋推拿手法联合揿针治疗青少年假性近视的疗效观察 J.河北中医，2022，44（2）：298-301，317.44 相璐，姜思宇，沈玺.近视的发病机制及防控研究进展 J.眼科新进展，2021，41（5）：488-494.45 韩聪，杨义，张文芳.近视与脉络膜厚度的相关性J.国际眼科杂志，2022，22（3）：407-411.46 吴姗姗，魏慧霞，郭滨，等.电针对负透镜诱导型近视豚鼠睫状肌中表皮生长因子及其受体表达的作用 J.眼科新进展，2020，40（4）：318-322.47 於亭，宋继科，魏慧霞，等.电针干预后透镜诱导型近视豚鼠巩膜形态改变及缺氧诱导因子-1（HIF-1）和脯氨酰羟化酶 2（PHD-2）表达的变化 J.眼科新进展，2021，41（2）：125-129.48 於亭，魏慧霞，田庆梅，等.电针对透镜诱导型近视豚鼠脉络膜血流和内皮素-1 及其受体表达的影响 J.国际眼科杂志，2021，21（8）：1333-1338.49 田庆梅，宋继科，钱继存，等.针刺对实验性近视豚鼠巩膜 MMP-2 及 TIMP-2 表达的影响 J.中华中医药杂志，2019（5）：2046-2050.50 马小兵，高君，亢泽峰，等.养血补肾方对形觉剥夺性高度近视模型巩膜超微结构的影响 J.中国中医眼科杂志，2019，29（3）：180-183.51 邓宇，訾迎新，刘自强，等.结膜号方对形觉剥夺豚鼠中度近视的影响 J.中国中医眼科杂志，2021，31（9）：618-620，633.52 张涛，蒋文君，吴建锋，等.基于网络药理学和生物信息学探索金匮肾气丸治疗近视的分子机制 J.辽宁中医杂志，2019（5）：916-919，1118.53 高然，马东丽，卢清君，等.“益阳坚阴”中药复方干预豚鼠形觉剥夺性近视实验研究：眼球活体参数测量 J.眼科，2017，26（1）：44-48.（收稿日期：2022-10-15）