（1）前沿科研成果转化，拓展学生知识、视野与学科应用能力

本虚拟仿真实验教学项目由我们的前沿科研成果转化而来，这是本项目的独特之处。蛋白-配体结合构象是是生物体系分子识别、生理生化性质与功能的分子机理、基于结构的药物设计等研究领域中的一个最基本、同时也是最重要、最复杂的关键科技问题。正如我们在虚拟仿真实验中展示的，蛋白-配体结合构象决定了该配体是能被蛋白质作用的底物，还是能抑制蛋白活性的抑制剂。目前获得蛋白-配体结合构象最可靠的实验方法是X射线晶体衍射结构分析，但受制于蛋白质分子的复杂性（分子量大、蛋白纯化表达困难、晶体培养条件苛刻、晶体分辨率低等），通过实验手段解析蛋白质及其配体复合物结构信息的成本高、难度大。运用现代分子模拟方法对蛋白-配体的结合构象进行理论计算预测无疑是对上述实验方法的一个有益、重要且必须的补充，同时也是结构化学研究中的重难点内容。在结构化学教学中我们不断强调微观物质结构由微观物质运动法则即量子力学决定，而微观物质结构又决定其在宏观世界的功能。蛋白-配体结合构象计算正是上述思想的体现。应用最广泛的蛋白-配体结合构象计算方法是分子对接，该方法速度快但准确性不高。这是因为分子对接在计算时为了节省计算量背离了微观物质的运动法则，即量子力学。我们通过引入量子力学计算发展了DOX方法，显著的提高了蛋白-配体结合构象计算的准确性，相关成果发表在国际权威期刊（J. Comput. Chem.2016, 37, 336和J. Chem. Theory Comput. 2019, 15, 4264）。我们将该前沿科研成果转化为虚拟仿真实验教学，在实验中令学生同时体验和比较X射线晶体衍射结构分析、分子对接和DOX，拓展了课本知识，丰富了学生的视野，加深了学生对学科知识和学科应用的掌握。

（2）创新设计方案，凸显学科基本思想和方法

图22.虚拟仿真实验设计方案

实验方案设计的特色主要体现在通过“微观3D结构的虚拟现实技术”，将我们完成的蛋白-配体结合构象计算科学研究成果和结构化学中的基本理论知识重组再造，由浅入深地合理设计转化为本虚拟仿真实验项目内容，建构一个“有图有真相”的三维立体直观的蛋白-配体结构及其相互作用分子机制的研讨空间和探究项目，既体现了结构化学学科基于物质微观结构研究物质宏观性质的基本思想，又体现了其基于科学证据进行理性推理分析形成结论的基本方法。在此基础上，引导学生进一步掌握化学学科的理论基础（微观世界的运动法则），培养学生的化学学科思维（形式逻辑、辨证逻辑、逻辑结构）、表达（书面、口头）以及应用（发现、分析、解决问题）能力与素养。

值得一提的是，实验中用到的X射线衍射仪操作复杂、使用成本高昂、且对操作者要求甚高，一不小心即可能遭受辐射等伤害，因此在本科实验教学中鲜有涉及。即使有机会上手操作，也无法看到内部构造和关键位点。而借助虚拟仿真技术，我们简化了X射线衍射仪的操作，并将其内部构造和运行原理，包括肉眼不可见也不允许用肉眼观察的X射线衍射的过程，近距离呈现在学生眼前，将学生的认知从知其然提升到知其所以然，一定程度而言效果甚至优于黑箱式的实机操作学习。

（3）创新教学方法，保障学生学习的主体地位

项目团队长期钻研结构化学课程群教学方法，积累了大量经验和诸多教研成果。其中部分已以教研论文的形式发表，如《回归教育本源、以生发展为本、索行教学之道–结构化学课程教学研究与实践》（大学化学，2017，32，11-16），《科学活动观视角下的“结构化学”课程教学—研究型教学的思考与实施》（中国大学教学，2012，10，46），《基于现代信息技术的结构化学一维势箱理论和HMO法“翻转课堂”教学设计》（大学化学，2018，33，34-41）等等。围绕“以生为本”的核心思想，我们将这些教学方法创新与虚拟仿真实验紧密结合，在培养学生的自主学习能力、自主思考能力、自主发展能力方面取得了很好的效果。

本虚拟仿真实验项目的主要教学方法创新体现为P³OBE教学法。P³OBE教学法是任务驱动式教学法、项目式教学法、研讨教学法的集大成者，也是我们探索践行以化学学科理论基础（基本理论、知识与技能）的深度教学过程为载体，培养学生辨证唯物主义世界观，逻辑、独立与批判性思维，沟通表达，知识重构、整合与应用等核心素养的教学之道。P³OBE具体指的是以问题为导向（Problem Oriented），以项目为媒介（Project Based），注重过程评价（Process-Evaluate）的教学实践，并以口头报告的形式总结学习成果。理论计算方法的学习由于抽象、难理解、公式多，常令学生在学习过程中感到枯燥，亦因不了解其应用而失去兴趣，影响学习效果。依托虚拟仿真实验开展的P³OBE教学可增强学习的主动性,提高解决实际问题的能力，获得独立工作经验，同时培养科学表达能力。

（4）创新评价路径，强化过程性和终结性评价

本项目评价体系的特色体现在能够最有效、最全面地获取学生实验学习效果的信息。本项目系统后台可直接自动记录学生的操作并判断其对错，从而给出操作成绩。不仅如此，结合我们发展的结构化学特色教学法P³OBE，学生的学习成果不只是通过完成一个虚拟仿真实验学习学科知识，更加强了学科表达和学科应用的掌握，即用结构化学的语言描述问题、理解问题和解决问题。以上两种评价手段的结合，能够使得教学评价更为有效，避免存在操作全对但却并不理解该实验的原理与意义的情况。在本项目的教学中，学生需要在虚拟仿真实验结束后就其完成的虚拟仿真项目进行发表，讲述其解决问题的过程和方法，并就结果进行讨论。这种过程性评价思路弥补了传统终结性评价的局限。例如，对于开放性虚拟仿真实验“解析降血脂明星药美伐他汀的机制”，学生可以选择用“分子对接”或“DOX”计算解决，均可得到结果但并不一样。在评价时我们并不讨论其选择的“对错”，而是重点关注学生是否能阐述其选择“分子对接”或“DOX”的合理性，能否正确分析其所得结果，能否根据结果讨论其所选方法的优点和缺点，从而据此综合评价学生的学习力、思考力和发展力。这是开放性虚拟仿真实验与传统线性实验（操作流程和结果固定不变）的最大区别，也是本项目的特色与创新之处。