高校课题申报：基于虚拟现实技术在药学实践教学中的理论和应用研究

基于虚拟现实技术在药学实践教学中的
理论和应用研究
学科分类：高等教育
课题类别：一般课题
关键词：虚拟现实技术；药学；理论
预期研究成果：研究报告
课题设计论证
1、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。

1.1问题的提出、课题界定
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术作为信息化社会代表性的产物，其成功的在教育教学领域的推广与应用，引发21世纪教育教学活动的深刻变革与发展，展现了其在教育领域强大的技术优势和潜力，渐渐受到越来越多教育工作者的重视和青睐。

VR技术作为一门交叉学科技术，综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计算机处理的数字化信息转化为人们能感受的具有各种表现形式的多维信息。

其多感知性、沉浸性、交互性及构想性的技术特征，对于
改善传统多媒体教学的现状将产生重要影响，也为虚拟教学提供了新型的可视化教学模式。

VR技术的教学应用，不仅能够让学生在虚拟的环境中产生教学互动，解决传统课堂中互动性、情境性不强等问题，还可以用于学习情境的创设，增加学习内容的形象性和趣味性。

特别针对实践教学，VR可以减少现实教学中某些实训操作的困难和危险，更能提升学生学习的主动性和创新性，在呈献知识信息、辅助教学活动、加速和巩固学习过程以及设计、优化学习内容和学习情境等方面，将发挥重要作用。

“以学生为中心”现代化的教学理念需要VR助力。

现代教学方法方向是以启发引导式为主，教学关系追求合作化，教学手段应赋予学生学习的积极性和主动性。

VR技术可以提供这种教学环境，真正实现以学生为中心的个体化教学、合作化教学和环境中自我探究意识的培养。

虚拟技术的沉浸感可提升学生的专注度；交互性能增强学生的反馈度；构想性则能极大发挥学习和应用的自由度。

1.2 国内外研究现状述评
国际上关于虚拟现实教育应用的研究方向，主要集中在基于VR技术的课堂教学法、VR理论探索、VR学习环境以及医学、工程、地理等具体学科应用领域的探索[1-4]。

国内主要集中于虚拟学习资源建设[5,6]、推广应用、虚拟仿真校园环境建设以及实践环节的虚拟教学等[7-9]。

目前VR技术在机械、物理、化学等学科上有突出作用。

例如西南交通大学将 VＲ技术应用于工程漫游中，跟踪仿真学领域的最新进展，研制出基于 VR 技术的多种物理产品。

再如中国地质大学的教学实验，利用 VR 技术研究晶体结构，演示其结构特征，使学习者能够加深对晶体结构的了解。

在网络环境下，将学生的学习资源、教师的教学资源和科研资源与图书信息资源和服务资源融合在一起，能够有效地创设高校虚拟实验教学平台。

合肥工业大学、南京理工大学等高校，近年来相继成立数字化虚拟仿真实验中心，旨在构建教学、科研一体化的实践平台[10]。

因此，VR技术与教学环节的深度融合以及虚拟教学模式的探索创新已成为教育领域研究的热点。

由于药品的特殊性而决定了药学专业的特殊性，VR技术目前主要还是集中应用在实践性较强的课程而实验室又无法完成的课程，例如制药技术与设备、药物分析、药厂GMP以及中药学相关课程的软件开发及应用[11,12]。

然而这些应用目前都处于探索阶段，尤其是关于VR技术在药学相关课程中的整合和学生形成性评价中的理论和应用等方面的研究仍鲜有报道。

1.3 选题意义与研究价值
现实教学是教学主体，老师与学生面对面在教室和实验室等教学场地，围绕教学目标和教学内容而开展的教学实践。

虚拟教学也同样围绕着同样的教学目标与内容，但教学主体在虚拟教学世界中，以数字化中介系统为媒介以及在线交互为基本形式而进行的教学活动。

教学活动的虚拟性与现实性决定了两者共生共存、互促互融的关系，在特定条件下可以
相互促进、相互转化。

针对目前以现实教学为主的教学，虚拟现实教学平台的优点和现实意义主要体现在以下七个方面[13-18]：
（1）教学资源成本降低，提高真是实验的成功率。

由于采用虚拟的教学环境，可以模拟真实的教学实验设备，可以仿真试验过程中的各中存在的内容和结果，无需增加实际设备，并且可以重复利用，无需任何仪器成本；对于真实的实验，由于提前的虚拟模拟可以提高学生实验成功率；
（2）补充现实教学不能实现的教学内容在药学专业领域有特殊药品（毒性药品、精神药品、麻醉药品和放射性药品）不可能在现实教学中进行实践只能通过虚拟现实技术补充，其次药品车间的药物制剂GMP实训教学、药品流通GSP管理、制药车间空气净化系统等实践性非常强的课程而实验室又不能进行的课程只能借助VR补充；
（3）教学不受时空限制，由于采用VR平台技术，只要有网络和移动终端就可以随时登录，学习，同时师生可以在网上及时信息交流，针对问题开展研讨和指导；
（4）虚拟技术能够以最快的速度更新教学实践内容，采用最新技术更新虚拟教学；
（5）教学可以随时查看教学效果和成果，通过网络查看教学情况，排除存在的相关设备问题，提高教学效率；
（6）教学资源高度共享，通过虚拟技术，可以随时是现在教学共享，学习信息的互通；
（7）实验室安全的培训，可显著预防危险情况的发生。

现实性和虚拟性是教学活动的基本特征，虚拟教学和现实教学是教学活动不可或
缺的两种教学形态。

在“互联网+”时代的强大背景下，在网络技术、传感技术以及计算机技术的支持下，VR技术展示了其在教育领域的独特特色。

这一技术的革新，应发的教育领域的理论和实际应用的发展，需要用学生实践的数据进一步补充和完善。

目前VR已经在工程学、医学、文学等领域展开，但是实践性较强的药学专业领用应用仍非常缺乏，为此本课题拟以VR技术为抓手，在3~5门实践课程中开展VR教学+传统教学相结合，整合相关的专业课程体系和知识点，分析每门课程学生的教学实践成绩，问卷调查VR技术应用中的问题，为VR在药学专业领域实践教学中提供理论和实践经验。

2、课题理研究目标、研究内容、研究重点和创新之处。

2.1 研究目标
本课题拟以VR技术为抓手，在6门实践课程中开展VR教学+传统教学相结合，完成相关知识点或相关课程的系统性整合，最终通过分析每门课
程学生的教学实践成绩，问卷调查VR技术应用中的问题，为VR在药学专业领域实践教学中提供理论和实践经验。

2.2 研究内容
(1)中药智慧互动教VR技术在《药用植物学》、《中药鉴定学》和《中药炮制学》课程实践教学中的系统性课程整合，完善形成性评价
采用VR技术，弥补《药用植物学》、《中药鉴定学》和《中药炮制学》三门课程实践教学中由于受到中药资源地理分布和生物物候期差异性，以及珍贵药材稀缺性等因素的影响，导致实验材料的获得受到限制。

中草药虚拟仿真教学平台的建立，弥补了传统教学模式的不足。

该实验平台借助三维技术，可以让学生头戴VR眼镜穿越时空，身临其境地漫游于不同地区的不同生态环境中，体验从中药种植、野外采集（药用植物学知识）、中药炮制学、中药鉴别学和标本制作等系统性的进行中药紧密相关课程的学习，实现多课程的整合和优化，全面系统的培养学生。

游戏式的模式设计有助于提高学生参与意识，激发学习兴趣，寓教于乐，提升实践能力和综合素质。

其次在传统实践教学的基础上，增加上述VR实践教学，完善形成性评价的体系。

针对实验课或实验课由于场地、材料和人员等复习难度困难的问题，VR 实践教学可完美的解决上述问题，形成可靠而准确的形成性评价。

(2)药物制剂（GMP）实训教学仿真系统和中药制药（GMP）实训教学仿真系统在《药事管理学》、《药剂学》和《药厂GMP管理》等课程知识点整合中的理论和实践中的应用
药物生产质量管理规范（GMP）是药学专业学生教学中核心模块，这一个系统性的知识分别在《药事管理学》、《药剂学》和《药厂GMP管理》等三门课程中，拆分成三个方面进行具体的讲解，分别有侧重点。

《药事管理学》偏重于管理学和法规角度，
《药剂学》主要是具体剂型的工艺和生产，《药厂GMP管理》则更偏向于生产实践。

但是将来学生在工作实践中是这三个方面知识的综合，最终达到的目标是保证药品的质量。

那么借助于GMP实训教学仿真系统，我们将GMP知识进行整合，归纳，将三个方面的知识进行系统性的学习，作为一个有机体进行教学，势必会取得更好的实践教学效果。

(3)VR技术在药学专业上述课程理论和实践应用中的进行一致性和稳定性的评价
对实训中心软硬件建设进行了分析，进而采用结构方程实证分析方法，研究实训中心应用情况,从感知和体验角度设计调查问卷，进行样本分析，并采用信度和效度论证问项设计的内部一致性和稳定性。

调查问卷主要从学生感知因子对在仿真实训中心进行药学实验的成功率、高效性和满意度进行评价；VR模拟药物、设备和人体结构，进行虚拟和半实物实验、是否能够简化操作，并避免人为操作带来的实验误差和污染。

从
本学校取得的直观数据，初步探索回答虚拟教学与现实教育的关系，为虚拟教学在药学中的应用提供实践依据。

2.3 研究重点及创新
研究重点：以VR技术为抓手，在6门实践课程中开展VR教学+传统教学相结合，完成相关知识点或相关课程的系统性整合，以学生的形成性评价的数据来研究VR技术理论和实际应用中的问题。

创新点：利用VR技术完成相关知识点或相关课程的系统性整合以及初步评价其在形成性评价中的作用。

3、研究思路、研究方法、实施步骤。

3.1 研究思路与方法
将VR平台技术应用于《药用植物学》、《中药鉴定学》和《中药炮制学》课程实践教学中，整合三门相关课程的教学，将其进行有机的结合，具体实施方法和研究思路如图1，在学期结束后，将VR实践教学的数据和考核情况进行形成性评价。

同时对比往年学生学习的情况，分析VR平台技术的优缺点。

图1中药智慧互动教VR技术在中药学专业课程整合和形成性评价中的应用
如图2所示，GMP实训教学仿真系统在课程知识点整合中的理论和实践中的应用，将《药事管理学》、《药剂学》和《药厂GMP管理》三门课程中GMP知识点进行整合，归纳，将三个方面的知识进行系统性的学习，作为一个有机体进行教学。

同时对比往年学生学习的情况，分析VR平台技术的优缺点。

图2 VR实训教学仿真系统在课程知识点整合中的理论和实践中的应用
3.2 实施步骤
2019 年 6月——2019年12月将VR平台技术应用于《药用植物学》、《中药鉴定学》和《中药炮制学》课程，每个学生都安装软件到个人电脑或开放VR实验室，整合三门课程的教学，制定VR在形成性评价中的考核细则，完成形成性评价体系。

对药学院收集的VR实际教学中遇到的问题进行整理，针对性进行整改；
2020 年 1月——2020年6月将VR平台技术应用于《药事管理学》、《药剂学》和《药厂GMP管理》等三门课程中，进行知识点的整合，制定VR在形成性评价中的考核细则，完成形成性评价体系；
2020年 7月——2020年12月收集和整理学生形成性评价的数据，形成性评价的数据的分析以及相应的整改措施；
2021年1月——2021 年6 月巩固加强与评价整改时期。

调查项目的进展情况，针对性的整改，撰写论文；
2021年7月——2021年12月资料整理，调查报告、结题报告以及论文撰写。

3.3 预期成果
（1）VR技术在中药学相关课程整合中的理论和应用研究论文
（2）虚拟现实技术在学生形成性评价中的作用论文
（3）基于虚拟现实技术在药学实践教学中的理论和应用研究研究报告
4、主要参加者的学术背景、前期相关研究成果、核心观点等。

本课题组负责人从事药学教学十年，担任药学系秘书3年，美国高级访问学者留学一年。

学历为博士研究生，研究方向为中药药代动力学及毒理学。

参加工作后先后主讲了《药用植物学》、《中药鉴定学》、《药事管理学》、《中药药剂学》、《中药药理学》等药学核心专业课程。

教学效果优良，先后获得了药学院讲课大赛二等奖、校级优秀奖。

2011年至今主持或参与了湖北省普通高等学校战略性新兴产业——药学专业(中药制药方向)人才培养计划项目的建设、湖北省教育厅课题《中药资源学与中药材规范化种植》课程教材建设研究、中药制药专业校企联合教学管理模式研究、中药制药实训基地建设等课题的研究，发表了教研文章2篇，相关的科研SCI文章5篇，具有相当的教育研究经验。

在技术方面与江西中医药大学药学院建立了合作关系，可互相学习。

团队成员均为药学院教学科研的骨干人员，围绕了药学的实践教学、教学改革、教学方法等做了大量的研究，成果丰富。

团队骨干成员杜士明、郝新才、王天帅、凌旭等老师在药学专业自主学习、PBL教学和实验实践教学等方面进行了一系列的研究，发表了教研论文5篇和相关的SCI文章10篇；组建了湖北省高校优秀中青年科技创新团队，相互学习共同提高。

先后获得了“中药制药专业校企联合教学管理模式研究”、“《中药资源学与中药材规范化种植》课程教材建设研究”“医药院校制药工程专业创新型实践教学模式的探索与研究”等三项省级教研项目，6项校级教研项目和一项国自然合作基金项目。

经过一系列的提高与改革，不断提升团队成员的教学科研水平的同时，也取得了较好的教学效果和学生的评价。

前期调研结果表明，实践对药学专业人才的培养非常重要，然而药学专业领域有特殊药品（毒性药品、精神药品、麻醉药品和放射性药品）不可能在现实教学中进行实践只能通过虚拟现实技术补充，其次药品车间的药物制剂GMP实训教学、药品流通GSP管理、制药车间空气净化系统、中药相关专业课程的系统整合等实践性非常强的课程，目前传统的实验室又不能开展，VR技术的应用则为这些课程进行了有效的补充。

核心观点：
因此本课题借助飞速发展的VR技术，完善传统教学中的不足，补充这部分的知识，更为重要的是VR技术还可以完成相关课程的系统性整合和不同课程中相同知识点的综合讲解，完善学生的形成性评价体系。

本课题的实施充分体现了教学活动的虚拟性与现实性双重属性，VR技术正是在此理论基础上对现实性进行补充，体现了“互联网 + ”时代的教学活动的特点。

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课题编号：7370。