Excel軟件在生物藥劑學與藥物動力學案例教學中的應用

任君剛,張志強,陶淮舟,李媛,王立

廈門醫學院藥學系 (廈門 361023)

地方高校藥學專業人才培養應以實際應用為導向,以綜合素養和應用知識與能力的提高為核心,以培養應用技術型人才為目標[1-2]。目標達成需在教學內容方面體現理論與實際應用相結合,突出案例分析和實踐研究,讓學生自己感知事物,通過自己的觀察、分析和思考,明白科學的原理或發展變化規律[3-4]。

藥物動力學是應用動力學原理與數學處理方法,研究藥物在體內的吸收、分布、代謝和排泄過程量變規律的學科[5]。生物藥劑學與藥物動力學課程為藥學專業本科生必修課,該課程是基于多元學科的一門交叉學科,涉及知識面廣、系統性強、內容抽象,尤其與藥劑學、生理學、藥物化學、藥物分析、生物化學和數學等學科關系密切。傳統授課模式下學生學習該課程的困難較大,尤其對于藥物動力學部分,畏難情緒明顯。學生對藥物動力隔室模型教學單元中參數的求解及理解不到位,對參數及公式的應用生搬硬套,教師授課推進困難,教學效果不佳。

為提高學生學習主動性與課堂參與度,強化教學目標達成度,在第八章與第九章的理論課教學中,筆者通過調整課堂授課形式,將常用軟件Excel的“規劃求解”功能[6]植入案例教學,取得良好教學效果。

學校目前提倡多媒體教學授課方式,這種方式給日常教學提供了極大的方便,其信息的形象性與快捷性,非傳統板書模式可比擬,教師可采用更為豐富的形式,在有限的課堂授課時間內呈現更多的內容,節省了板書時間。然而,這一模式在生物藥劑學與藥物動力學課程的藥物動力學教學中,未能展示良好的教學效果,學生對知識的理解、掌握及運用熟練度不夠,在一定程度上導致藥物動力學課堂教學預期效果的下降。究其原因,主要是多媒體課件顯示速度過快,尤其是隔室模型建模及公式推導,無法顯示推導過程,學生思維跟不上,筆記做不全,無法及時理解消化課堂知識,導致學生對藥物動力學知識點掌握效果不理想。

在對2017級、2018級藥學專業本科生的課堂效果進行動態觀察,對學生座談意見進行總結的基礎上,教學團隊對2019級藥學專業本科生授課方式做出調整,講課方式從“以多媒體授課為主,板書為輔”調整為“板書為主,多媒體授課為輔”;學生的學習方式也從單純的“聽、記”調整為“聽、記、算”?；趯W生對Office軟件的熟知及筆記本電腦的普及,教師要求學生在部分課堂學習中攜帶筆記本電腦,在理解參數求解原理的基礎上,隨堂進行教材案例中參數的求解,實現課堂學習的最大參與及師生互動,深化學生對知識點的掌握,教師即時掌控學生對于知識點的理解及運用情況。

藥學專業本科生授課教材采用人民衛生出版社劉建平主編的《生物藥劑學與藥物動力學》(第五版),藥物動力學部分理論總學時為30,其中第八章單室模型3學時,第九章多室模型3學時。由于這兩章均為藥物動力學的核心章節,也是藥物動力學的靈魂,加之知識點較多,建模、公式推導及參數求算等重點難點突出。為達到教學效果,教師在第八章開始前用1學時講解Laplace變換原理及Excel軟件中“規劃求解”功能的具體操作。教學過程中板書模型的建立及公式推導、參數的求解步驟、參數的擬合均以Excel的“規劃求解”功能來實現。

1 Excel軟件中“規劃求解”功能及使用

Excel的“規劃求解”模塊是一款以可選加載項的方式、隨微軟Office軟件一同發行的求解運籌學問題的專業軟件免費版本,內置單純型法、對偶單純型法、分支定界算法、廣義既約梯度算法和演化算法,能夠用于求解線性規劃、整數規劃和非線性規劃問題,操作簡單、求解迅速。而藥動學參數的求解屬于非線性規劃問題[7]。

Excel的“規劃求解”模塊是Frontline Systems公司為通用電子表格軟件提供的插件,其產品名稱為Fontline Solvers。其目的是幫助普通用戶對優化模型進行快速求解。

用戶在使用之前只需加載,其操作關鍵在于設定“目標單元格”“約束條件”“可變單元格”及“求解方法”,圖1顯示了設定界面。

圖1 例題8-17“規劃求解”結果及求解參數設定

2 教學案例及操作

課堂授課案例均為教材例題,為節省課堂時間,兩章所有例題數據在上課前由授課教師以Excel文件形式上傳至超星學習通平臺,學生按課程進度自行下載至個人電腦中。筆者以兩道例題展示案例教學過程。

2.1 單室模型血管外給藥

教材中例題8-17是以殘數法實現消除速率常數k及吸收速率常數ka的求算,求算過程不再贅述。通過板書,絕大多數學生可以理解并掌握其求解過程,但對求解k的藥-時曲線消除相末段的取點個數無法準確把握,易產生困惑,實際應用過程中也易出錯[8]。

圖1顯示了“規劃求解”中目標單元格(殘差平方和)、可變單元格(系數A,消除速率常數k和吸收速率常數ka)、約束條件及求解方法。

通過教師課前的講解及例題的演示,學生可以借助電腦得到所求參數的優化解并與教材求解結果相比對,課下再計算二者的殘差平方和,以比較兩種方法的優劣。

2.2 隔室模型的判別

學生在學習完單室模型與多室模型的基本理論后,隨后學習隔室模型的判別,這也是藥物動力學應用的難點。教材僅以2頁篇幅講述隔室模型判別中的藥-時曲線擬合原理及5種模型優選方法,過于簡單,其中關于“權重”的理解及運用對于學生來說尤其抽象、晦澀難懂。在5種模型優選方法中,除作圖直觀判斷法以外的其他4種方法均涉及加權殘差平方和的求算及基于此的參數優化求解。因此,在第九章授課的最后環節,教師以例9-3數據為基礎,以Excel“規劃求解”模塊為工具,以AIC法為例,詳細展示參數求解步驟。學生在個人電腦上根據演示步驟全程自行操作,可深刻理解并掌握“加權”的含義,以加權殘差平方和作為目標函數來優化求解不同模型中參數的過程[9]。

DAS軟件是國內用戶應用較多的藥動學數據處理軟件,但由于DAS軟件為授權安裝軟件,學生實操有困難,因此教師可將DAS軟件的數據處理過程視頻上傳至超星學習通平臺,作為課后作業的一部分,要求學生用Excel“規劃求解”功能對所得的藥動學參數、加權殘差平方和與教材中的其他3種方法所得結果相比較以判斷模型的優劣;學生比較所得結論與DAS軟件結論差異,以小組形式提交求算過程及結果討論,對教材表9-5中的數據做出評判,修正其錯誤,以此提升學生發現問題、分析問題、解決問題的能力及科學的批判精神。

圖2顯示了不同權重的加權殘差平方和計算公式,目標單元格(加權殘差平方和WRSS)和可變單元格(C0與k)優化后的計算結果。表1與表2分別為學生提交的單室模型及雙室模型不同權重下參數求算的詳細結果及各自與藥動學軟件DAS的求算結果的比較。

表1 例9-3單室模型不同權重下參數求算結果

表2 例9-3雙室模型不同權重下參數求算結果

圖2 不同權重下目標函數的求算公式

3 案例教學效果評價及鞏固

Excel“規劃求解”功能用于案例教學后,教師通過超星學習通平臺向學生征求授課意見及滿意度評價,相較于2017—2018級藥學本科生,2019級藥學專業學生對課程的授課建議更具建設性。有學生提問,是否可以結合VBA,以可視化、程序化的形式來提供計算結果,超過95%的學生高度認可該法。

對例題的復習與適當的課后練習是鞏固教學效果的重要手段。學生課下可以通過超星學習通平臺下載例題反復練習,從而熟練掌握Excel“規劃求解”功能在藥物動力學參數求解中的應用。對于不同給藥方式、不同模型,教師至少提供一道典型的習題,學生自行練習、相互批閱,鼓勵以小組為單位進行組間數據求算結果的討論,尋找“最優”解。對于結果的疑問及算法,學生可在學習通平臺上與教師互動交流。

學生經過前期的自主學習與思考,所提問題有了很強的專業性與針對性,比如習題中設置不同的參數初值對于最終參數優化結果的影響問題最為普遍。針對這一問題,教師用0.5學時跟學生再次重現殘數法求解參數的步驟,引導學生以殘數法求解的參數作為初始值進行規劃求解以增加求解的可靠性,做到“脫離教材,回歸教材”,讓學生對教材中經典的求解參數的原理與方法的認知得到升華。通過這一過程,學生能夠認識到“規劃求解”不是萬能的,得到的結果只是相對的“最優”,商業化的藥動學軟件在處理同一組數據時得到的結果都存在一定程度的差異化,造成這一結果的原因與初值的賦值差異化有一定關系。教師以此鋪墊了第十四章中“關于計算機在藥物動力學研究中的應用”的相關知識。

通過課堂的實操和課下的練習,絕大多數學生可熟練地運用Excel“規劃求解”模塊對藥物動力學具體的數據案例進行分析,尋得優化參數,系統掌握隔室模型重難點,收到了滿意的教學效果。

4 討論

藥物動力學第八章與第九章教學中牽涉大量的藥物動力學公式,其中公式推導、參數的求解及模型的選擇應用是教學過程中的重難點,這些內容又是后續章節的基礎,尤其與第十章、第十三章與第十四章銜接緊密?？紤]課程順承關系,結合學生學情,教學團隊采用案例教學法將學生熟悉的Excel軟件引入藥物動力學章節的課堂教學中,在第八章與第九章中取得良好的教學效果。相當一部分藥學專業畢業生將從事新藥評價及臨床藥學工作,運用不同的軟件獲取藥動學參數及藥動學模型的選擇對他們而言尤為重要。因此,筆者課后設置的典型練習題均來自相關文獻的真實數據,盡可能貼近現實,做到“學以致用”。Excel“規劃求解”功能雖然在課堂教學中發揮了較好的作用,但教師必須看到該功能在藥物動力學教學中輔助作用的屬性,教材是根本,切不可本末倒置。

基于Excel軟件案例教學方法有理論講授、案例實踐、交流思考等環節,教師應合理安排各環節的時間。理論講授的時間不宜過久,學生長時間處于被動吸收知識的狀態,參與度低、缺乏主動思考的積極性。所以遴選案例時,教師應充分考慮課程目標和教學內容,案例內容要能夠整合本門課程教學內容,體現藥物評價與設計的意義,展示多方面的綜合特征?？傊?授課教師要精心準備,提前設計和優化案例,才能達到加強學生對知識的理解和掌握、培養學生分析和解決問題的能力、激發學生討論熱情的目的[10]。