药剂学实验中虚拟仿真与人工智能结合的应用与效果分析

Application and Effect Analysis of the Combination of Virtual Simulation and Artificial Intelligence in Pharmaceutical Experiments

摘要

在当今信息化时代背景下，传统的药剂学实验教学模式难以适应现代药学人才培养的需求。本研究将虚拟仿真与人工智能结合的教学模式用于药剂学实验教学，以期提升学生的实践能力和增强学生的创新精神，促进理论知识与实践地深度融合。本实验随机将2020级本科生作为对照组，采用传统的教学模式，2021级本科生作为实验组，采用虚拟仿真人工智能的教学模式。实验结果显示，实验组学生在形成性考核、终结性考核、实践技能和创新精神等方面的成绩明显高于对照组。通过运用虚拟仿真人工智能教学模式，药剂学实验教学质量在实验场景、知识体系、实验环境、学习路径及辅导反馈等方面均得到提升，教学效果良好，为药学专业人才的培养提供了新的思路和方法。

Abstract

In today’s information age, it is difficult for traditional pharmaceutical experimental teaching mode to meet the needs of modern pharmaceutical personnel training. In this study, the teaching mode combining virtual simulation and artificial intelligence was used to improve the quality of pharmaceutical experiment teaching, in order to enhance students’ practical ability and innovative spirit, and promote the deep integration of theoretical knowledge and practice. The experiment randomly took undergraduates in the class of 2020 as the control group and undergraduates of Grade 2021 as the experimental group, with traditional teaching mode and the teaching mode of virtual simulation and artificial intelligence used respectively. The results showed that students in the experimental group had significantly higher scores than the control group in terms of formative assessment, summative assessment, practical skills and innovative spirit. Through the application of virtual simulation and artificial intelligence teaching mode, the quality of pharmaceutical experimental teaching had been improved in the aspects of experimental scene, knowledge system, experimental environment, learning path and guidance feedback, and good teaching effect had been achieved, which provided new ideas and methods for the cultivation of pharmaceutical professionals.

Graphical abstract

关键词

药剂学实验 / 教学质量 / 虚拟仿真 / 人工智能

Key words

Pharmaceutical experiment / Teaching quality / Virtual simulation / Artificial intelligence

“药剂学”是药学专业本科生必修的核心课程，药剂学课程的学习，要求学生不仅要掌握庞杂的药剂学知识体系框架，还要能够制备出符合药典质量要求的各种类型的制剂，并能够指导合理用药，了解药物制剂的发展前沿，为将来走向工作岗位奠定坚实基础^［1-2］。药剂学的课程设置包括理论知识、处方设计、制备方法、质量检查及合理使用等模块。在课程学习过程中，学生普遍存在理论与实践脱节，不能很好地利用理论知识完成药物制剂的制备，在教学效果综合评价的过程中，发现学生的实践能力不足，创新精神缺乏，理论知识与实践不能很好的融合。为此，在药剂学的实验教学中需要探索新的教学模式，促进理论知识与实践地深度融合，提高学生的实践能力，培养创新精神^［3-5］。

近年来，虚拟仿真技术的发展使其在医学教育领域得到了广泛应用，在辅助教学中为学习者和教育工作者带来了诸多便利。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是21世纪最具革命性的技术之一，应用AI技术提高教学质量，已成为新医科教学改革的重要发展趋势^［6-8］。将虚拟仿真结合AI运用于药剂学的实验教学中，并进行不断的整合，在教学资源管理、教学内容优化、教学实践创新等方面对药剂学授课质量的提高具有重要意义。通过教学实践，在大学药剂学实验教学中融入虚拟仿真技术并使用AI加以辅助，可以提高教学质量，提升学生的创新精神及实践能力^［9-11］。因此，本研究聚焦于药剂学专业，以实验课程为依托，探究虚拟仿真人工智能在提高教学质量与激发学生专业能力方面的应用。

1 对象与方法

1.1 研究对象

在药剂学教学实践过程中，选取空军军医大学2020级和2021级本科生作为研究对象。通过统计各模块成绩及问卷调查进行结果分析。研究对象的选取采用严格的纳入标准：药学专业四年制本科学生，精神面貌良好、认知功能正常且沟通交流无障碍，自愿加入该研究，并呈现较好的依从性。

1.2 研究方法

1.2.1 实验分组及培养模式

本教学团队创建的虚拟仿真AI平台，整合了原辅料、包装材料、药物设计、生产、包装、质检和评价等多个虚拟仿真单元。在实验过程中，将2020级本科生作为对照组，按照传统的教学模式和教学内容进行培养，主要以教师讲授、学生实践并以课本辅助的形式进行学习。将2021级本科生作为实验组，教学过程中采用虚拟仿真AI平台进行教学培养。其中，两组学生均选用学校自编的《药剂学与药物动力学实验》作为教材，相同的课程由相同的教师进行授课。在教学过程中，两组的人才培养方案和教学计划，教学目标和课时数均相同。本研究主要探究虚拟仿真AI平台对药剂学的实验教学效果是否有提高作用，尤其考察了其对学生的实践能力和创新精神是否有提升。本次课程内容主要分为栓剂的制备及质量考察、软膏剂和乳膏剂及凝胶剂的制备及质量考察、液体制剂的制备及质量考察，研究虚拟仿真AI平台对教学质量和学生实践能力及创新精神的培养。

1.2.2 教学内容及规划实施

实验课授课前两周，教师下发课程任务资料，学生通过预习实验教材、查阅文献、参考资料及现有试剂和材料，进行实验设计，并制作成幻灯。幻灯内容包括实验思路、处方设计、操作步骤、质量检查、实验结果记录及可能得到的实验结论等，要求每位学生制作一份幻灯。学生在预习和制作幻灯的过程中，如有疑问和困惑，可以向教师反馈，教师对学生设计的实验方案进行可行性评价。课中，学生根据幻灯内容进行汇报，重点在实验方案的设计、处方分析和质量检查等实验方面进行着重汇报。教师通过提问互动的方式，对汇报内容进行点评和答疑。结束后，对照组学生开始进行实验操作，教师对其中的重难点部分进行示教，并加以讲解和操作指导，学生按照实验步骤的设计制备制剂。而实验组的学生在汇报完幻灯及对教师的提问进行答疑解惑后，先进行虚拟仿真实验，在虚拟仿真AI的制剂制备单元里，有多种不同治疗作用的制剂类型可以选择。学生在虚拟车间里，需要核对药品和辅料的名称、数量等情况，签字后才能取走物料。混合各种成分时，按照虚拟车间的电脑提示进行选择操作，学生能够在虚拟的实验车间里熟悉趋近于药厂规范化生产的操作流程。灌装、冷冻、封切等过程，需要进行详细的登记。最后进行操作空间的清理工作，整个流程利用虚拟仿真AI还原药厂车间的真实实验操作。学生在这样的虚拟仿真实验环境中进行实验，实验组与对照组学生在实验室环境中的操作形成明显区别，详见图1。

1.3 评价方法

教学效果的评价基于翻转课堂教学模式，强调形成性考核评价与终结性考核评价。在教学质量和学生实践能力及创新性等方面评价虚拟仿真AI的效果及学生综合能力的提升，且每个环节采用客观准确的评价。根据药剂学实验课程的考核评价内容（见图2），分为形成性考核和终结性考核两大模块。其中，形成性考核包括课前幻灯制作，课中翻转课堂学生进行幻灯汇报及实验操作，课后撰写实验报告等。终结性考核主要分为理论考核和实验操作考核相结合的方式，对学生进行理论知识水平和实践操作能力的考核。形成性和终结性考核分别按照100分计，用于评价具体的教学效果。实验设计涉及学生在课前制作幻灯及课中汇报，考查学生课前是否准备充分并对整体实验有设计和规划。在课中汇总过程中考察讲授的流畅清晰度，重点是否突出及幻灯的完整性。实验报告主要考察记录的规范性，要素齐全，实验数据清晰，实验仪器与试剂记录完整，语言科学流畅，步骤明确，科学展示结果。对结果的分析总结应准确、合理，能根据结果对实验提出深入思考和改进，并能完整回答布置的思考题，综合评定后进行打分。终结性考核，主要分为理论考核和操作考核两部分。理论考核采用试卷的形式，主要是对实验操作部分的实验设计、处方分析和质量评价，进行深入分析并解答。在终结性考核的操作部分，考察学生的实验操作技能、创新能力及团队协作精神。要求保证实验操作的规范准确，同时以理论知识作为依托和实验指导，促进理论知识与实践的融合。每部分都有相应的考核标准，至少由教学组三位教师进行审阅和评分，最终得到两组学生的终结性考核成绩。最后，课程结束后，采取匿名形式对2020级和2021级本科生进行相关问卷调查，从学生角度评价虚拟仿真AI的教学模式在教学质量、学生的实践能力和创新精神、理论知识与实践融合方面的提升作用。最终根据课程考核成绩和调查问卷结果进行相关统计分析。

1.4 统计分析方法

本研究采用GraphPad Prism 10软件对数据进行统计分析并绘图，数据采用均值±标准差（x±s）表示计量资料，采用t检验分析数据的差异，Ｐ<0.05表示数据具有显著性差异。

2 结果

2.1 形成性考核的成绩比较

根据药剂学实验课程的考核评价内容（图2），制定了相关的设计及操作评分标准和实验报告评分标准。设计及操作评分的标准，要求学生能进行科学合理的实验方案设计，提升查阅文献拓展知识水平的能力，并在实验操作的过程中规范严谨，求真务实。实验报告评分的标准，要求学生在实验过程中及结束后，对实验目的和原理、内容与步骤、结果与讨论等方面，进行准确分析并完整记录，根据结果对实验设计进行深入思考和改进。由设计及操作评分标准和实验报告评分标准两方面，综合评价两组学生的形成性考核成绩。根据设计及操作评分标准，两组学生都能根据实验任务和教师提供的资料，自主进行拓展，查阅相关文献资料。而实验组的学生在进行虚拟仿真实验操作后，对查阅的文献进行了进一步的追踪，并对实验方案设计有了完善，目的明确、原理科学、方案合理、要素齐全且切实可行。在幻灯汇报时，实验组学生准备更加充分，讲授比对照组学生更加流畅和清晰，逻辑性强、重点突出、表达自信、幻灯制作美观大方。答辩互动过程中，实验组学生也能够准确回答教师及同学的质疑和提问，并做出科学解释，对照组学生相比之下更加生涩。在实验实施环节，根据设计及操作评分标准，两组学生都能进行规范操作，包括检查清点仪器药品并登记。实验组学生在虚拟仿真AI平台进行操作演示后，在实验室进行制剂的制备。按照药典对制剂的制备及质量要求，比较两组学生的实验结果，尤其在重量差异、融变时限和药物释放度等方面，实验组的学生比对照组学生的成功率更高。虽然实验组学生在虚拟仿真AI平台花费了一定时间进行实践演练，但在实验室操作环节，实验效率也明显提高。在实验室的实验操作时间花费上，实验组学生比对照组学生花费的时间更短。通过在虚拟仿真AI平台进行模拟操作，实验组学生在实验室的操作过程开展地有条不紊。实验中遇到问题时，实验组学生相比对照组学生，在团队协作和沟通频率方面有所提升，遇到的问题迎刃而解，实验效率和成功率及实践操作能力明显提高。

根据实验报告评分标准，实验组学生相较对照组学生，实验记录完整规范，要素齐全，实验数据更加清晰完整，重点突出，实验仪器与试剂记录规范，语言科学流畅，内容清楚，步骤明确，能应用图表对结果进行科学展示。对结果的分析总结更加准确、合理，能根据结果对实验提出深入思考和改进，并能完整回答布置的思考题。根据设计及操作的评分标准和实验报告的评分标准，对两组学生的形成性考核进行统计分析。其中，设计及操作评分包括幻灯汇报、实验设计和实验实施三方面的评分，总分按照100分计，占最终总成绩的50%。实验报告总分按照100分计，占最终总成绩的20%。设计及操作和实验报告成绩均采用平均值±标准差表示，如表1所示，在设计及操作和实验报告两部分，t检验显示实验组学生的成绩相比对照组学生明显提高，存在统计学差异（P<0.001，P<0.010，n=18）。说明了在药剂学实验过程中，经过虚拟仿真AI的培养，实验组学生相比对照组学生的形成性考核成绩提升明显，尤其在方案设计、操作实施、团队协作和实验报告撰写等方面。

2.2 终结性考核的成绩比较

终结性考核包括理论考核和操作考核两部分，总分按照100分计，占总成绩的30%。根据终结性考核评分标准，在进行理论考核时，要求学生根据试卷题目进行实验设计，进行准确的处方分析及质量评价。在操作考核部分，要求学生根据实验设计进行规范合理的操作，协作交流解决遇到的实验问题。从理论考核及操作考核两方面，综合评价两组学生的终结性考核成绩。理论考核时，实验组学生对实验涉及的相关理论知识应答自如，可以进行灵活变通，对理论知识相关的拓展题也能深入分析并解答。结果表明，实验组学生在进行虚拟实验操作的过程中，对制剂的概念、特点、分类和应用，有了更加深刻的理解，对药剂学实验相关理论知识的掌握程度明显比对照组学生高。操作考核时，根据整理的理论知识，实验组学生能够进行科学合理及完整的实验设计。既保证了实验操作的规范准确性，又增强巩固了理论知识。课堂互动、课程考核、调查问卷、师生座谈等方面的研究结果显示课程体系科学，教学效果稳步提升。对理论考核成绩和操作考核成绩进行统计分析，用成绩平均值±标准差表示，如表2所示，在理论考核和操作考核中，用t检验显示实验组学生的成绩相比对照组学生的成绩存在统计学差异（P<0.0001，n=18）。此外，统计分析了两组学生的最终总成绩包括形成性考核成绩和终结性考核成绩两部分（见表3）。实验组学生的总成绩相比对照组学生的总成绩存在统计学差异（P<0.0001，n=18），结果说明经过虚拟仿真AI在药剂学实验课程中的应用，提高了实验组学生对理论知识的掌握，并能将理论知识运用到实验设计及操作实践过程中，促进了理论知识与实践地深度融合，并激发了学生的科研热情和创新能力。

2.3 学生调查问卷的结果分析

在全部考核结束后采取匿名调查问卷的形式，利用问卷星对两组学生进行相关问题的问卷调查。通过虚拟仿真AI的实验教学模式，帮助理解实验内容、提高实验操作技能、加强对实验细节的处理、使实验操作流程更加规范、对理论知识水平有强化作用、增强了实践创新能力并培养了团队协作精神。以1~10分进行打分，两组学生的调查问卷全部收回。采用t检验对两组学生每个问题的评分进行统计分析，均存在统计学差异（P<0.000 1，n=18），且实验组学生的评分均高于对照组（表4）。结果表明，虚拟仿真AI的教学模式，能够促进实验组学生对实验内容的理解和掌握，提高实验操作技能和水平，更加注重实验细节的处理和实验流程的规范性，增强了实践创新能力及对团队协作精神的培养。

3 讨论

3.1 构建高度仿真的实验场景，提高学生的实践操作能力

传统药剂学课程内容体系中，实践教学比重偏小且多为验证性实验，学生所学理论知识只有少部分需要实验验证。在仅有的实践操作部分，学生只需按照课本要求及实验步骤流程，进行简单操作即可完成实验，期间缺乏学生自身对实验的设计和思考^［12-14］。为提高学生的实践操作能力，本教学团队依托专业技术人员开发了特需药品虚拟仿真AI教学实验平台，优化了教学模式，并投入药剂学的实验教学中，促进了学生基础技能与综合素质的结合，实现了学、研、训的有机融合。实验组学生在利用虚拟仿真AI还原药厂车间的真实实验操作，与对照组学生在实验室环境中的操作形成明显区别，尤其提升了实验组学生在实践操作能力及对药厂生产药品流程的熟悉度。在形成性考核的操作考核部分，相比对照组学生得分（38.10±2.90），实验组学生得分（42.30±3.20）明显提升，实验技能与操作更为规范，成功率更高，同时也培养了实验组学生的团队协作精神。

3.2 搭建丰富的药剂学知识体系，促进理论与实践地深度融合

本教学团队开发的虚拟仿真AI平台嵌入了丰富的药剂学知识体系，如药品的贮藏、制剂的工艺、质量标准和药学研究进展等知识，使学生在进行虚拟实验操作的同时，对理论知识也有深入的理解，并与实践相融合。实验组学生在进入虚拟仿真操作单元后，在开始实践操作之前，实验组的学生可选择理论知识进行学习。进入场景后，首先映入眼帘的是AI动画展示的富含思政元素的栓剂发展历史。详细的介绍了从国外到国内医学史上对制剂的发展历程及主要人物事迹的描述，帮助实验组学生了解制剂的发展历史，感受医药文化的博大精深，学习前人的创新精神，增强民族自豪感。在实验操作的过程中，通过思政元素的引入，培养并增强学生自身的责任感，促进学生对历史使命的传承^［15-16］。实验组学生在虚拟仿真AI平台制备制剂的过程中，会有弹窗显示制剂的概念和特点，这也是理论知识中需要学生掌握的重点内容，使学生在进行实践操作的同时，也能对课堂重点内容进行回顾。学生根据不同治疗作用选择制备不同类型的制剂，对常用制剂的概念、特点、分类等理论知识进行回顾，帮助学生在实践操作中更好地理解实验原理并提升实验的成功率。而对照组学生在实验过程中没有理论知识的穿插，与实验组学生形成明显的区别。在终结性考核的理论考核部分，实验组学生（16.70±2.60）相比对照组学生（9.60±3.80），分数显著提高，增强了处方分析和质量评价的能力。在终结性考核的操作考核部分，实验组学生（76.50±6.70）相比对照组学生（64.30±4.90），操作更加规范，成功率也明显提升。此外，调查问卷显示，虚拟仿真结合AI的应用增强了实验组学生对实验内容的理解并强化了他们的理论知识水平。尤其在实验操作技能和实验细节处理方面，实验组学生学习效果提升显著。因此，这种理论知识与实践操作相结合的学习方法，能够帮助学生全面地掌握药剂学的知识体系，促进学生将理论知识与实践操作地深度融合。

3.3 创建安全经济的实验环境，减少安全隐患的发生

目前药物制剂在实际生产过程中，仪器设备已实现了高度的自动化，并且要经过严格的药品生产质量管理规范。传统的实验环境无法达到良好生产规范车间标准，对照组学生在实验操作过程中，只进行课本上要求的简单制剂制备和质量评价。此外，药剂学实验也存在一定的安全隐患，包括有毒化学试剂及操作过程中可能发生的危险事件。例如，在实践操作制备栓剂的过程中，需要用到吐温80，它是一个亲水性的表面活性剂，对细胞膜有很强的刺激性，可能引起溶血和过敏反应。在制备栓剂的过程中虽然接触的量较少，但是使用不当会对学生的健康造成影响。对照组学生在制备栓剂的过程中，还需要用到高温水浴锅等仪器，如操作不当，存在烫伤的风险。而实验组的学生通过虚拟仿真AI平台的栓剂制备单元，可以进入虚拟的药厂生产车间，选定好实验药品及所需的仪器设备后，模拟生产程序，了解药厂关键设备，体验药厂的栓剂生产过程。由于实验组学生对实验技能的熟练操作和实验药品的熟悉程度，在实验室的实践操作过程中，减少了接触有毒化学试剂及危险仪器设备的次数，同时也在一定程度上避免了安全隐患的发生，保证了自身的安全。因此，与对照组学生相比，实验组学生通过虚拟仿真AI平台完成了药剂学实验，大大降低了实验成本，尤其是大型仪器设备的使用。通过虚拟仿真AI平台实现了安全经济且高仿真的实验环境，减少了安全隐患的发生。

3.4 建立个性化的学习路径，提高学生的创新能力

根据学生对知识点的掌握程度和对操作的完成度不同，教学团队开发的虚拟仿真AI平台为每位学生建立了个性化的学习路径。教师在实验课教学时，针对对照组学生在实践操作过程中只存在成功和失败两种结果，不能及时全面地对对照组学生的掌握程度设定多种选项及做合理有效的调整。因此，可以利用AI辅助虚拟仿真，在实验操作过程中分析每个学生的学习习惯、能力、兴趣偏好和成绩，为每位学生推荐个性化的学习资源，并配套专属的教学计划，建立个性化学习路径^［17-18］，确保每一位参与的学生都能按照适合自己的节奏进行学习和实验操作。实验组的学生可以在虚拟实验的过程中，进行自主的实验设计，可以添加新奇的实验想法，从而提高创新能力。通过大数据分析学生的操作次数、成功率及期间遇到的问题。相比对照组学生，教师可以通过虚拟仿真AI及时准确全面地了解实验组学生对知识的掌握程度和实验进展，从而推送针对性的练习题和梳理后的重难点的知识框架，帮助学生在薄弱环节进行有针对性的知识弥补，从而更好地促进理论知识与实践地深度融合。在问卷调查中，实验组学生（8.84±1.22）相比对照组学生（6.22±1.28），认为通过虚拟仿真结合AI的应用，增强了自己的实践创新能力。

3.5 梳理清晰明确的知识导图，实现智能辅导与反馈

教学团队开发的虚拟仿真AI平台在一定程度上可以代替教师在其中的角色参与，实验组学生在设计实验过程中存在的想法和意见，虚拟仿真AI平台可以进行及时的辅导与反馈。而对照组学生在实验操作的过程中出现的问题，可能存在信息滞后及反馈遗漏的情况，导致教学问题不能及时解决。通过AI辅助虚拟仿真并模拟教师的角色，根据学生在实验设计及操作过程中遇到的问题，AI助教提供及时的反馈与指导，促使学生在学习过程中及时发现问题，并提高解决问题的能力并培养创新能力。AI可以通过自然语言处理，在保证学生得到及时回复的同时，为教师制定一份学生的学习情况报告，帮助教师及时掌握学生普遍存在的问题，并可指出学习中的薄弱环节。教师可参考报告更好地了解学生的学习动态，便于在课堂授课过程中，激发学生将理论知识与实践操作地深度融合，为学生梳理出更加清晰明确的知识导图，提供精准高效的智能辅导与反馈。但是，也要注重教师和学生间的真实情感交流，教师和学生间要保持良好的知识互动及情绪关怀，建立积极向上的情感关系^［19］，避免过度依赖AI教学的辅助而疏远师生间的关系。

4 结语

近年来，虚拟仿真在药剂学教学中的应用逐渐普遍，已成为药学人才培养的重要途径之一。本团队开发的虚拟仿真AI平台可以模拟高度仿真的药剂学实验场景，且安全经济，减少了实践操作过程中事故的发生。在应用虚拟仿真完成操作的同时，也对理论知识温故知新并进行了丰富和拓展。利用AI辅助虚拟仿真后，可以实现“量身定制”的个性化教学，为学生提供智能辅导，及时反馈在教学中存在的问题，促进理论知识与实践地深度融合，更好地激发学生的潜能，为教师整合优质的教学资源，提高教学质量^［20-21］。但是，本教学团队开发的虚拟仿真AI平台目前还存在一定的不足，主要是缺乏对教学资源的管理和优化。本团队计划进一步利用AI优化教学资源，通过AI分析教学数据，制定管理计划，并掌握学生的学习动态，及时进行教学调整，保证教学内容具有一定的时效性。此外，本团队计划在虚拟仿真AI平台增加记录教师示教和学生操作过程的功能，便于学生进行课后复习及教学资源的回溯，自动生成课堂教学大数据，为教师参与教研评课提供可视化的数据支撑，并提升教学质量。因此，通过将虚拟仿真AI应用于未来的教学工作中，会给药剂学的现代化实验教学注入新的活力，使其更加个性化、智能化、高效化。

在药剂学教学模块中，面临场地、硬件、时间等方面的限制，难以在实际教学中完全实现制备和质检过程，导致理论知识与实践脱节。在新医科教育背景之下，虚拟仿真技术已被广泛应用于药剂学实验教学中，对培养新型药学人才起到了重要的作用。随着AI技术的发展，加强AI技术辅助虚拟仿真在药剂学实验教学中的应用，有望进一步提升学生的实践操作能力、创新思维能力、促进理论知识和实践地深度融合，提高教学质量^［22-24］。通过虚拟仿真AI平台模拟的虚拟实验室，可帮助学生在虚拟的环境中将理论知识与实践相结合。同时，培养科研创新精神，促进理论知识与实践地深度融合，实现科学、规范、合理制药，养成严谨求实的科学作风和创新精神，实现知识、能力、素质地全面提升。

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