虚拟现实技术在药学实践教学中的探索与构建*

张宝刚 杨景明 代春美 蒲丽娟

（锦州医科大学药学院，辽宁 锦州 121001）

药学专业是培养具备药学、化学、生物学、基础医学等学科的基本知识和技能，能在药品生产、检验、流通、使用和研究与开发领域工作的高级科学技术人才的学科，包含了很多造价高、损耗大、体系复杂的实践内容，在教学资源十分有限的情况下，大量实践教学无法进行。虚拟现实（VR）技术的出现与应用使高等教育产生颠覆性变革，2013 年教育部建立了国家级虚拟仿真实验教学中心，VR 技术从此走进了我国的教育产业。药学是研究药物在人体作用机制的学科，VR 技术主要应用在药学专业的实践环节，在其良性带动下，使得药学专业发展步入快车道。

1 虚拟现实技术

1.1 什么是虚拟现实技术虚拟现实技术（AR、VR、MR、HR、XR，简称R+）是一种创造和体验虚拟世界的计算机系统，其利用计算机建造一个模拟环境，虚拟世界的各种对象通过多项的传感设备及实时交互功能传递给使用者，使用者置身于该虚拟环境下，得到一种较为沉浸的感官体验，在人机交互中实现场景还原[1]。其起源于20 世纪80 年代，是汇集了多媒体技术、人工智能、传感器技术、网络技术等一类综合信息技术，当前VR 技术主要在游戏设计、军队训练、空间设计、博物馆、艺术欣赏等领域得到广泛应用[2]。

1.2 虚拟现实技术特征（1）沉浸式：使用者能够真实感受到虚拟世界的场景；（2）交互性：使用者能够操作虚拟世界里的一切，同时使模拟环境产生反馈；（3）构想性：VR 技术既能构造客观真实世界的环境，也能构建虚拟不存在的场景[3]。

1.3 虚拟现实系统的分类（1）桌面式VR系统：电脑屏幕作为观察窗口，使用者使用键盘鼠标等操作模拟环境里的物体；（2）沉浸式VR 系统：操作者使用头盔显示器、数据手套、位置跟踪器、其他手控输入设备和声音等，全身心地沉浸到三维交互式虚拟世界当中；（3）共享性VR 系统：在由服务器构造的模拟环境，多个用户可以经客户端访问，共同经历虚拟世界。

2 药学专业实践教学特点和存在问题

2.1 药学专业具有很强的实践性药学是一门实践性很强的学科，以化学为基础，同时和基础医学、生物学密切相关，注重培养学生的动手能力，发现、分析和解决问题的能力。实践教学效果关乎药学人才培养质量，直接影响到学生对于理论知识的理解、技能操作的掌握。

2.2 药学专业实验课内容覆盖面广包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、生物化学等多门基础实验课，以及药物化学、生药学、天然药物化学、药理学、药剂学、药物分析、生物药剂学与药物动力学等多门专业实验课[4]，课程体系复杂，覆盖面广，需要掌握药物制剂、质量控制、药物与生物体相互作用、药效学和药物安全性评价等基本方法和技术。

2.3 实验教学体系不完善既往药学专业实验内容根据理论内容去设置，实验教学往往碎片化，不成体系，教学内容和操作方法不连贯且重复。如上开发药物的一堂综合性实验课，其内容涵盖药物化学、药剂学、生物药剂、药物动力学和药理学等课程，以往实验教学方法无法使学生们得到全面的操作练习。

2.4 教学方法和模式单一传统的药学实验课教学形式死板、单一，课程内容多年不变，课堂气氛不活跃，缺少趣味性，禁锢了学生思维，学生缺少创新精神，在这种条件下培养出来的人才无法满足时代发展的需要。

2.5 实验教学设备和经费投入少当前，各个地方性高校均在大量扩招，在校生不断增加，但与之相对应的用于教学的实验室和教学仪器设备投入确很少，一些高尖端仪器设备更是缺乏，设备老化严重，更新慢，根本无法满足教学需求。

3 虚拟现实技术在药学实践教学中发展优势

3.1 大大降低教学成本传统药学实践教学受到很多因素限制，如设备造价高、材料损耗大、实践场地不足等，因此，学生缺乏实践动手机会，实践教学效果较差。采用虚拟现实技术，构建接近现实的仿真训练场景，使实验室、实践基地和仪器设备均虚拟化[5]，不但解除了上述诸多限制条件，降低了教学成本，而且大大增加每位学生的实践机会。如高效液相色谱法是测量药物含量的一种典型方法，在药物分析实验课上应该普遍开展，但由于实验仪器造价高，在实验教学中普及起来充满困难，VR 技术的应用可以虚拟这些实验仪器设备，在虚拟环境中实现场景还原，不用担心设备造价高、仪器损耗大的问题。

3.2 教学内容生动形象，实现情景化教学情景化教学要求理论知识和场景相融合，在情境中实现知识体系的构建。传统实践教学方法多用图片、文字和声音作为载体，表达抽象深奥，学生对于知识的理解和掌握十分困难。而且不断地以书本为中心教学，实践技能操作被忽视，学生得不到足够的实践机会。运用VR 技术进行虚拟化实践教学，实现情景化教学，让学生全身心的融入到学习环境中，充分的刺激学生的感官体验，取得很好教学效果[6]。如实践教学中，学生根据患者的检查结果，开具相应的处方药物，并嘱患者一定按照药品说明服用并观察效果，随时来诊，这样情景化教学可以使学生更好掌握理论知识并灵活应用；VR 技术可以还原大型高尖端仪器设备，学生能够直观地观察这些设备构造并掌握操作方法；在人体解剖学的实验教学中，可实现重复性拆分操作，使学生对于知识点的理解和把握更加准确[7]。

3.3 提高药学实验教学的安全性目前各大高校虽然将提高教学水平摆在首要位置，但很多高校在实验教学中安全事故频发，甚至夺走学生们年轻生命，为了尽可能排除课堂上安全隐患，往往放弃这些危险性较高的实践教学，但是避免危险的同时也让学生失去了学习的机会。采用VR 技术，我们可以建设各种虚拟实验室，让学生在仿真实验室中进行化学试剂的调配、化学反应的进行、危险性较高的大型仪器的操作，在增强学生动手实践能力的同时，又避免了危险实验的安全事故的发生，保证学生们的生命安全。

3.4 增强学生自主学习性提高学习质量 VR 技术设计高端，设备先进，青年学生们易于接受，乐于操作。VR 技术实验操作安全，学生能够随时自主使用操作，并结合自身上课学习的情况，自行加强实验操作练习，大大提高了教学质量。学生们使用VR设备，自主设置时间和地点，加入选定好的操作对象，在虚拟环境里结合自己的教学内容进行独立地研究学习和操作，极大地提高了学生自主学习和研究能力，增强实践教学效果[8，9]。在实际实验操作前，在虚拟空间里进行实验预习，使学生们对实际实验的每一个步骤和细节具有直观的认识，在进行真正实验时能够抓住重点，熟练掌握操作步骤。对于具有较高难度、操作复杂的实验，课后利用虚拟实验进行复习，使学生们对实验原理和内容进一步深入理解和消化。

4 虚拟现实技术在药学实验教学中的构建

当前，VR 技术在医药教学领域得到广泛应用。美国研究人员[10]采用VR 技术建立手术预设规划模型，能够让医生真正手术前在虚拟环境中进行模拟演练；研究员SHINBANE 等[11]采用VR 技术构建了虚拟药物分解系统，探索药物分子在疾病细胞中的反应机制。我国研究人员颜苗等[12]使用VR 技术分析药物有效成分，将天星南的药用成分成功的筛选出来；乔连生等[13]采用3D 技术，构建无限次药学循环应用虚拟场景，使学生操作具有较高危险性实验时，能够放心验证实验结论并进行创新实验设计。

4.1 完善顶层设计（1）国家要高度重视VR 技术在教育领域中的应用，制定产业政策，加大资金投入，注意人才培养，突破关键技术，使得VR 技术在教育领域应用取得实效；（2）加强校企合作，药学专业实验教学个性化很强，企业自主研发的虚拟实验系统很多无法融入到实际教学当中，这就需要从事一线教学的广大院校授课教师提供具体实验操作思路，由企业专业人员进行研发，使得开发的实验系统能够有效地应用到实验教学当中；（3）注重加强知识产权的保护。目前，各高校在构建虚拟仿真实验教学中心时，知识产权的保护意识很薄弱，更多的是注重虚拟平台的实用性和成本。在高校与企业的合作过程中，要对新形成的知识产权进行权属确认、保护和使用分配，使VR 技术知识产权收益的最大化。

4.2 构建虚拟教学团队在构建虚拟仿真实验平台的同时，进一步组建虚拟教学团队，这支团队应当包括课程主讲人、课程设计者、企业技术人员、平台管理者和参与学习人员等，构建虚实结合、专兼结合、远近结合的教学团队，最大限度地使各高校教师资源、课程资源和企业研究机构技术资源的相互融合。构建虚拟教学团队是未来VR 技术在教育领域应用的方向。

4.3 打造虚拟实践基地打造虚拟实践基地，提高专业技能水平。如我们将医疗机构药学部的工作场景通过VR 技术构建出来，搭建药品仓库、配液中心、住院药局、患者取药窗口和门诊药局的三维工作场景，进行高标准建模，将仿真情境中的岗位执行流程、相关管理规定和仪器设备使用方法等内容包括在内，用游戏的方式，引导学生完成整个学习过程，这样的虚拟实践教学场景具有很强的操作性、趣味性和互动性。

4.4 拓展手机在药学专业实验教学中的应用手机媒体具有信息量大、不受时空限制、双向互动等传播优势。通过采集资料、图片和数据处理、图文设计等，将药学专业实验课程中涉及的仪器设备，制作成APP 软件，学生们下载后进行学习。手机媒体引入实验教学，方便预复习，降低实验成本，要充分利用手机媒体方便、快捷、使用面广的优点，将手机媒体利用在实验教学中，激发学生学习兴趣，增强学习自主性，从而提高教学效率。

4.5 加强教师培训积极引导学生 在引入VR 技术过后，搭建虚拟仿真平台，对授课教师进行专业化系统化培训，让教师可以熟练进行虚拟仿真实验教学。授课教师要对学生进行积极引导，青少年自我控制能力较差，对新事物接受较快，但也容易成瘾，需要授课教师帮他们认清仿真情景学习性，防治成瘾而误入歧途。

4.6 完善考核评价体系建立VR 技术考核评价体系，对学生的实践操作情况进行打分，以评价学生们的学习情况，帮助学生们在实践操作中找到不足之处。在设计考核评价体系时，学生在进行实践操作的同时，可以在每个虚拟场景设置相应的知识点和考题，边操作边答题，使学生掌握核心知识和操作技术，并及时统计出成绩，供教师对学生学习情况进行评估。

虚拟仿真技术在实践教学中的应用，极大丰富了教学方式，节约了实验教学成本，推动教学方式改革。虚拟现实技术的应用不仅仅是在教学方法上的变革，更是教师教学理念、学生学习观念、师生关系和生生关系的全方面的改变。大胆地将新的教学模式引进实践教学中也是教师对自我教学方式的重新认识。通过虚拟仿真实验平台，由以往被动地接受知识转变为自主学习、协同学习、共同学习，把培养具有创造意识和实用性强的人才作为出发点，培养出高素质、高水平的合格人才。