“金课”背景下有机化学虚拟仿真实验的设计与实践——以抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验项目为例

成乐琴，于 雪，于丽颖，李延春，张跃伟

(1.吉林化工学院 化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工学院 科技处，吉林 吉林 132022)

2018年，教育部文件提出“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’，切实提高课程教学质量”，从此高校五大“金课”建设正式拉开了序幕。当前，“金课”“两性一度”已成为新时代我国高等教育改革最重要的关键词之一。全国高校在围绕“金课”展开热烈讨论的同时[1-2]，也在进一步思考怎样才能让“金课”成为新时代我国高校课程的常态。2019年教育部启动实施“六卓越一拔尖”计划2.0，实施一流课程建设“双万计划”，也就是金课建设计划。我国将建设10 000门左右国家级一流课程和10 000门左右省级一流课程，包括具有高阶性、创新性、挑战度的线下、线上、线上线下混合式、虚拟仿真和社会实践各类型课程。如何选择高质量的虚拟仿真实验题目以及如何设置虚拟仿真实验内容[3-4]，从而满足“两性一度”金课标准，实现知识、能力、素质的全面提升，这已经成为有机化学实验亟待解决的问题之一。

有机化学是研究有机化合物的来源、组成、结构、物理性质、化学性质、合成方法、应用以及相关理论和方法学的非常重要的学科，有机化学实验作为有机化学学科的重要组成部分，其主要任务是使学生熟练掌握有机化学实验常用的仪器装置及基本操作技术、不同结构有机化合物的合成原理和合成方法、有机化合物的分离提纯方法、有机化合物的结构表征方法，同时培养学生理论指导实践能力、分析问题、解决问题能力以及实事求是的科学素养。

一、有机化学虚拟仿真实验教学项目建设的必要性

目前有机化学实验主要有两种授课方式，一是普遍采用的真实实验[5-6]，学生在真实的实验室中利用真实的仪器、设备和化学药品进行真实的实验操作。另一种是在虚拟实验环境下，利用虚拟仿真实验软件中的虚拟仪器、设备和虚拟药品，以人机交互的方式进行虚拟仿真实验。真实实验的特点是学生通过视觉、听觉、嗅觉、触觉等对整个实验过程产生非常直接的感受，即对实验过程有非常真切的感性认识[7-8]，可以较好地培养学生实验技能以及动手能力。同时，真实实验还可以观察到实验过程中经常发生的意想不到的各种各样的问题，而形形色色问题的出现又恰恰可以给学生创造出更多的思考、分析、解决问题的机会和体验，从而提高学生理论联系实际、分析问题和解决问题能力以及创新能力的培养。但真实实验有其不足的地方，比如有些实验所需时间非常长，学习效率低；所需药品非常昂贵，成本高；对环境和身心都造成严重伤害，不安全；所需仪器设备非常昂贵，需要细心维护，不适合学生操作；或有机化学实验在药品和实验过程的安全隐患方面的特殊性，一般需要特定时间和地点进行实验，受时空限制大等等。另外，如果因风灾、洪水、地震、传染病疫情等因素要求学校停课不停学时，真实实验就不能够开展。而虚拟仿真实验打破时空限制，只要有网络和账号，随时随地可以登录进行实验，即不受自然条件和疫情的影响；实验所需时间短，信息量大，学习效率高；药品和仪器价格为零，降低化学实验的成本[9]；不存在爆炸、着火、中毒、灼伤、割伤等事故，实验过程安全环保[8]；虚拟仪器设备不用维护，操作错误不会损坏，学生可以无限次练习和摸索操作方法等。因此虚拟仿真实验成了有机化学真实实验的有效补充，即不适于真实实验的题目可以改用虚拟仿真实验题目来完成[10]。

二、有机化学虚拟仿真实验教学项目的设计

随着国家深化虚拟仿真实验教学项目的推广，虚拟仿真教学项目的建设成为热门话题[11-12]。2019年，笔者申报的省级虚拟仿真金课和省级虚拟仿真项目“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”成功获批，对于有机化学虚拟仿真项目实验题目的选择和内容设计有了一定的认识和理解。

(一) 虚拟仿真实验教学项目要具有前沿性和创新性

虚拟仿真实验题目如果是以传统的真实实验为基础进行设计，很显然无论是操作体验上还是实验结果的呈现多样性上，其效果一定是比真实触感的真实实验差，这也就失去了创建虚拟仿真实验的意义。虚拟仿真实验题目的设计要区别于真实实验，需要体现出前沿性和创新性，使学生在更短的时间内得到真实实验得不到的更多实验技能和更多前沿知识。

人参皂苷Rg3是人参皂苷中的原人参二醇组皂苷通过定向水解得到的次级稀有人参皂苷，具有抗癌[13]、抗疲劳[14]、改善记忆[15]等活性。2003年，以人参皂苷Rg3为主要成分的“参一胶囊”(批号国药准字Z20030044)获得了国家药品监督管理局批准正式上市，成为我国首个一类中药单体抗癌药物。虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”题目把合成目标化合物设定在人参皂苷Rg3，一方面该化合物是我国独创的一类抗癌药物，上市时间短，有一定的前沿性、创新性，有助于学生了解前沿知识；另一方面该虚拟仿真实验涵盖制备、分离、表征、定量分析等内容，综合性强，在有限时间内可以使学生体验更过实验内容、收获更多技能。

(二) 虚拟仿真实验教学项目要具有挑战度

实验题目的难易度直接与学生实验兴趣以及能力培养相关。简单的实验题目按照由易到难教学规律，适合在真实实验初期安排。对于虚拟仿真实验，实验题目过于简单，对学生没有挑战度，不能有效激发学生学习兴趣及欲望，而且过于简单的实验题目涉及的低阶性实验技能和理论知识并不能起到很好的能力培养目标。反观实验题目过难，虽然一定程度上可以锻炼高阶性实验技能，但难度过大，会使学生的实验过程盲目而枯燥，就会使学生失去做实验的信心和动力，打消实验积极性，即使在软件的指引下一步一步完成了实验，实际获得的能力提升也非常有限。因此虚拟仿真实验题目的设计需要把握好难度尺度，不宜过高或过低，应选择有一定难度和有一定挑战性的题目，使学生产生我想做、我想尝试、我能做、我要做的想法，并促使学生克服困难、挑战难度、完成实验、收获技能。

虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”是一种有关于糖苷类天然化合物的水解反应，是亲核取代反应的一种，该反应类型对于学生而言有理论基础，容易接受和上手。但该反应过程还包含真实实验很难接触的实验内容，如标准曲线的制备、人参皂苷Rg3的柱层析分离、人参皂苷Rg3的结构表征等；同时，本虚拟仿真实验涉及化学选择性和立体选择性反应、涉及两种亲核取代SN1和SN2反应以及消除反应的竞争、涉及产物的定量分析，要求学生有较高的动手能力、理论基础和理论应用能力、数据运算能力等。题目虽有一定挑战度，但并非可望不可及，稍加学习和努力是完全可以达到虚拟仿真实验要求，因此有一定挑战度的虚拟仿真实验反而可以激发学生挑战难度的勇气和决心，更容易提升学生综合能力。

(三) 虚拟仿真实验教学项目要实践性与理论性并重，且兼顾高级思维培养

高级思维是指在较高认知水平层次上的思维能力，主要体现在求解能力、批判性思维能力和创新能力。实验课程不仅是简单的实验技能的传授及学习过程，更重要的是遇到问题时运用理论知识如何分析问题、解决问题或提出更好的改进方案的过程，因此实验题目的选择需要充分考虑是否有助于培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，达到学生在知识、能力、素质方面全面提升。过去的有机化学实验课程更多重视实践性，而忽视了理论性，导致学生解决问题能力偏弱，唯有实践性与理论性并重，学生才有更多的机会用所学理论知识解决实验过程中出现的各种问题，学以致用，才能逐渐培养如何分析问题、解决问题的能力。虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”从实验技能、理论知识和数据处理三方面丰富了实验内容，达到实践性与理论性并重，同时通过理论和实验的深度结合，创造了高级思维能力的培养条件。

1.实验技能方面

虚拟仿真实验的实践性主要体现在实验操作和技能上。虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”融入了多种实验操作和技能，包括标准曲线的制备(涉及称量、定容、HPLC分析、标准曲线的绘制和回归方程的导出等技能)、人参皂苷Rg3的制备(涉及称量、溶液的配制、回流装置的安装、TLC分析及反应的跟踪、人参皂苷在TLC中的显色方法、反应淬灭、旋转蒸发仪浓缩、定容、HPLC分析等技能)、人参皂苷Rg3的分离(层析柱装柱、拌样、加样、梯度洗脱、洗脱液TLC分析、旋转蒸发仪浓缩等技能)、人参皂苷Rg3的结构表征(1HNMR和13CNMR解析技能)等，学生通过本虚拟仿真实验，能够学习各种实验技能以及实验操作的规范性，可以为复杂有机化学实验打下良好基础。

2.理论层面

虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”涵盖了丰富的理论知识。本虚拟仿真实验涉及的理论知识有人参皂苷的紫外吸收原理、人参皂苷TLC显色原理、TLC跟踪反应原理、化学选择性反应、立体选择性反应、亲核取代反应原理、相似相容规则、酸碱电离理论、柱层析原理、旋转蒸发仪浓缩原理(沸点与外界气压之间的关系)、利用波谱原理解析化合物结构等知识(见图1)。

图1 虚拟仿真实验涉及理论

实践是检验真理的唯一标准，反过来理论又可以指导实践。虚拟仿真实验涵盖丰富的理论知识，一方面可以提高学生理论水平，另一方面可以通过理论，分析和解决实验过程中出现的问题，将实践性和理论性有机融合，真正达到锻炼高级思维能力的目标。

3.数据处理方面

对于有机合成实验，数据处理是非常重要的一项技能，通过数据处理，才能判断反应效果的好坏，选择性的高低等等。有机化学真实实验中，一般情况下所有的同学原料用量相同，理论产量就相同，同学们只需根据自己的产量就可以轻松计算收率。即便如此，多年的实验教学中发现，对于有些学生，经常会给出错误的数据处理结果，导致对反应有错误的判断和错误的解析，这说明学生严重缺乏相关训练，在虚拟仿真实验中有必要加强数据处理能力的培养。虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”中，以原人参二醇组皂苷(包括人参皂苷Rb1、Rc、Rb2、Rd四种混合物)为原料制备人参皂苷Rg3，数据处理包括：根据原料的用量以及不同皂苷在原料中所占比重，计算每一种皂苷生成Rg3时的理论产量；计算总的理论产量；根据产物的HPLC分析图中Rg3的峰面积和产物的稀释倍数，利用人参皂苷标准曲线回归方程计算Rg3的实际产量：最后计算实际收率(见图2)。显然本虚拟仿真实验数据处理多，换算多，难度较大，真正考验学生的数据处理能力，也真正需要学生缜密的数据推理能力，有助于学生数据处理能力的大幅提升，以后面对类似数据处理过程可以从容应对。

图2 虚拟仿真实验涉及的计算

(四) 虚拟仿真实验教学项目要考虑实验结果呈现方式多样性

虚拟仿真实验的突出问题是实验结果程序化、单一化，即不能像真实实验一样能够呈现五花八门的实验结果，虚拟仿真实验实验结果相对千篇一律，导致学生在实验过程中自主发现问题的机会很少，相应地就少了分析问题和解决问题机会，而且数据分析、问题讨论等容易抄袭，不利于培养学生高级思维能力，因此虚拟仿真实验有必要通过实验结果的多样性提供学生思考各种问题的机会。例如对于合成实验，可以根据不同实验条件给出高低不同的收率，或给出不一样的反应产物等。虚拟仿真实验“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”中学生可以选择不同的无机酸或有机酸，还可以选择不同极性的溶剂进行实验。在课题组多年的科学研究中发现，酸的种类和溶剂的种类对实验结果的影响非常大，具体体现在要么不反应、要么主要生成人参皂苷(R,S)-Rg3混合物[16]、主要生成R-Rg3[17]、主要生成S-Rg3[18]、主要生成Rg5[19]等等(见图3)，实验结果的变化多样性和不确定性可以提供给学生更多思考的机会、理论联系实际的机会以及通过理论分析提出改进实验方案的机会，非常有利于培养学生高级创新思维能力。

图3 原人参二醇组皂苷酸性水解产物的TLC和HPLC分析图

(五) 虚拟仿真实验教学项目要有科学的评价体系

能够代表学生真实理论和实验水平的评价体系是科学的评价体系。过去的虚拟仿真实验更多把注意力放到操作上，操作顺序错误或操作方法不正确要相应地扣分，操作越熟练，成绩越高，因此评价相对片面。本虚拟仿真实验除了丰富的操作以外，还融入了丰富的理论知识和数据处理过程，实验成绩评价更加全面。本虚拟仿真实验依据实验熟练情况、实验过程评价、问题解答情况、数据处理情况、实验方案设计情况、实验报告撰写情况给出能够体现学生各方面真实能力的实验成绩，体现公平公正，营造良好的学习氛围。另外，全方位评价体系为指挥棒，引导学生不仅要重视实验操作过程，还必须要重视实验蕴含的理论知识以及利用理论知识分析问题、解决问题的过程以及创造性提出问题的过程，从而督促学生知识、能力、素质的全方位提升(见图4)。

图4 成绩评价体系对高素质人才培养的影响

三、结 语

有机化学虚拟仿真实验是有机化学实验教学的重要手段。随着“互联网+”教学模式在全国高等院校的快速发展，促进以有机化学真实实验为主、虚拟仿真实验为辅的虚实结合的实践教学体系发展。在“金课”建设背景下，本文以省级金课“抗癌药物稀有人参皂苷Rg3的制备虚拟仿真实验”项目为例，从不同层面对高质量虚拟仿真实验教学项目的设计进行了探讨，使学生通过虚拟仿真实验得到综合能力的提升，从而更好地实现人才培养目标，为社会培养出更多符合社会发展需求的高素质人才。