制藥工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)新模式的探索與思考

趙建宏，楊武林，冀亞飛，袁煒，任福正，羅曉燕，馬磊，任國(guó)賓，鄧衛(wèi)平，宋恭華

（1.華東理工大學(xué) 藥學(xué)院，上海；2.上海醫(yī)藥集團(tuán)股份有限公司，上海）

一 引言

制藥工程專業(yè)是一門(mén)由化學(xué)、藥學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科融合為一體的工科專業(yè)，主要培養(yǎng)能夠勝任制藥過(guò)程生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理、科學(xué)研究等多個(gè)方面的高素質(zhì)工程技術(shù)及應(yīng)用型、創(chuàng)新型、復(fù)合型人才[1]。對(duì)于制藥工程這樣一門(mén)工科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，更加應(yīng)該具備一定的創(chuàng)新實(shí)踐能力[2]。因此，這就要求高等學(xué)校在培養(yǎng)制藥工程這一專業(yè)的學(xué)生過(guò)程中，重視實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，在實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提升學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。近年來(lái)，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式的弊端越來(lái)越明顯，新型的實(shí)踐教學(xué)模式也在不斷地探索實(shí)踐中。當(dāng)今社會(huì)高速發(fā)展的信息化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)信息化提供了可能，在此背景下，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，為實(shí)踐教學(xué)開(kāi)創(chuàng)了新型模式。

二 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式及其弊端

制藥工程專業(yè)傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)模式一般采取校企合作方式。通過(guò)學(xué)校與制藥企業(yè)的合作可以實(shí)現(xiàn)兩者的信息以及資源共享，制藥企業(yè)為學(xué)生提供參觀與見(jiàn)習(xí)的機(jī)會(huì)和平臺(tái)，一定程度上能夠彌補(bǔ)學(xué)校教學(xué)紙上談兵的缺點(diǎn)。學(xué)生可以借此機(jī)會(huì)走出課堂，深入企業(yè)內(nèi)部體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室小試研究、多種儀器如液相等分析、中試、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、三廢治理等系統(tǒng)性的實(shí)踐。學(xué)生可以在實(shí)踐過(guò)程中，初步明確自己的就業(yè)目標(biāo)和職業(yè)方向，通過(guò)實(shí)習(xí)來(lái)確定自己以后想要從事的領(lǐng)域。但是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，去制藥廠的實(shí)習(xí)慢慢變成了走馬觀花的形式，一方面企業(yè)的生產(chǎn)車間、實(shí)驗(yàn)室、分析室等幾乎所有區(qū)域均具有一定的危險(xiǎn)性，尤其是在接待大量實(shí)習(xí)學(xué)生時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)成倍上升，具有極大的安全隱患，從而增加了企業(yè)、學(xué)校對(duì)學(xué)生的安全管理投入；另一方面是制藥廠大多數(shù)區(qū)域均具有潔凈等級(jí)，對(duì)外來(lái)人員進(jìn)入有一定的要求，如果有太多學(xué)生進(jìn)行參觀，就會(huì)給企業(yè)的生產(chǎn)管理帶來(lái)很大的影響，增加企業(yè)的管理投入，因此越來(lái)越多的制藥廠在接待學(xué)生實(shí)習(xí)的問(wèn)題上也越來(lái)越慎重，使得學(xué)生的實(shí)習(xí)變成走過(guò)場(chǎng)。此外，高校在安排生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中會(huì)有一些局限，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常會(huì)面臨一些問(wèn)題，如部分學(xué)校會(huì)把生產(chǎn)實(shí)習(xí)安排在第五學(xué)期進(jìn)行，然而此時(shí)很多專業(yè)課程教學(xué)并沒(méi)有開(kāi)展，導(dǎo)致學(xué)生必要的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)有所欠缺，從而影響實(shí)習(xí)效果；考慮到實(shí)習(xí)成本和企業(yè)接待能力，學(xué)校安排的實(shí)習(xí)周期往往時(shí)間較短，在有限的時(shí)間內(nèi)，無(wú)法對(duì)制藥生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行深入了解；企業(yè)在安排生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中，往往會(huì)把學(xué)生分配到文職崗位，這種情況下對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)和技能的提高幫助有限[4]?；谝陨蠁?wèn)題，探索利用新興的虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生在比較安全的條件下身臨其境地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間等，起到實(shí)習(xí)引領(lǐng)作用，具有十分重要的意義。

三 疫情形勢(shì)下的線上實(shí)習(xí)新模式

2020年初，一場(chǎng)突如其來(lái)的疫情不僅對(duì)人民的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響，也給教育系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，高等教育同樣面臨巨大挑戰(zhàn)[5]。針對(duì)新冠病毒肺炎疫情對(duì)高校正常開(kāi)學(xué)及課堂教學(xué)活動(dòng)造成的不利影響，我校積極響應(yīng)教育部提出“停課不停教、停課不停學(xué)”的號(hào)召[6]，在嚴(yán)峻的疫情防控形勢(shì)下，確保學(xué)生的實(shí)習(xí)教學(xué)能夠有效推進(jìn)，為此我們嘗試了線上實(shí)習(xí)教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)視頻連線，邀請(qǐng)制藥企業(yè)專家給學(xué)生進(jìn)行線上講解，并且通過(guò)線上連線參觀制藥企業(yè)，通過(guò)視頻方式，對(duì)工藝生產(chǎn)線、設(shè)備流程、生產(chǎn)流程、三廢治理崗位及治理原理進(jìn)行全面的展示，中間穿插QC分析、QA質(zhì)量管理、EHS防護(hù)和GMP理念等，讓學(xué)生對(duì)制藥企業(yè)的生產(chǎn)有一個(gè)全面、直觀的了解。我們還通過(guò)建立線上學(xué)習(xí)群組，利用語(yǔ)音、文字、視頻等在企業(yè)專家、帶隊(duì)教師、學(xué)生之間開(kāi)展問(wèn)答互動(dòng)，學(xué)生出現(xiàn)疑問(wèn)時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行“一對(duì)一”交流，及時(shí)得到反饋和幫助，實(shí)習(xí)體驗(yàn)堪比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，也加深同學(xué)們對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的了解，從而為日后的實(shí)地參觀企業(yè)和未來(lái)的就業(yè)工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生帶來(lái)安全易懂的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

近年來(lái)，伴隨著多媒體新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育、線上教學(xué)的興起，高校的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式受到了強(qiáng)烈沖擊，針對(duì)高等教育中教育理念和教學(xué)模式的深化改革勢(shì)在必行，基于虛擬仿真技術(shù)的教育信息化應(yīng)運(yùn)而生[7-8]。虛擬仿真技術(shù)是建立在通信、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)生成的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互和仿真的新型教學(xué)手段；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過(guò)完全模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生可以直觀地感受到如現(xiàn)實(shí)般的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，并且學(xué)生的學(xué)習(xí)可以不受時(shí)間與地點(diǎn)的約束，同時(shí)各學(xué)校之間還可以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源[9-10]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于制藥工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，將會(huì)在發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)讓實(shí)踐教學(xué)變得更加豐富和生動(dòng)，同時(shí)可以推動(dòng)在現(xiàn)代信息化社會(huì)背景下的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

為了讓學(xué)生在綠色無(wú)污染、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的條件下進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，完成實(shí)驗(yàn)流程，在本校開(kāi)設(shè)的《制藥工程及工藝實(shí)驗(yàn)》專業(yè)必修課程中，我們運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，建立了“基于正交設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的左氟沙星合成工藝虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)。利用該平臺(tái)，既能夠保證實(shí)驗(yàn)安全同時(shí)又增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性、科技含量，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)達(dá)到更好的效果。該項(xiàng)目采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)、全息投影技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)制藥工藝虛擬仿真系統(tǒng)軟件，形象展示運(yùn)用正交設(shè)計(jì)原理對(duì)原料藥左氟沙星的合成工藝進(jìn)行多因素多因子的設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限次的實(shí)驗(yàn)高效地得出最佳的合成工藝條件的過(guò)程。通過(guò)本項(xiàng)目的建設(shè)和應(yīng)用，讓學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，牢固掌握制藥工藝研究思維以及樹(shù)立綠色制藥工藝的理念。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)代左氟沙星原料藥藥企實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合GMP標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制作可以讓學(xué)生在電腦端進(jìn)行左氟沙星原料藥合成工藝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究的虛擬化操作。學(xué)生以第一人稱或第三人稱視角模擬生產(chǎn)，將制藥工藝?yán)碚?、綠色工藝?yán)砟睢⒄粚?shí)驗(yàn)法融入到一起，仿佛置身于現(xiàn)實(shí)的原料藥工藝研究過(guò)程中。整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)包含左氟沙星原料藥的合成路線中各步實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程演示、影響參數(shù)和影響因子分析、正交設(shè)計(jì)的原理意義及正交設(shè)計(jì)流程講解和演示；對(duì)各步的影響參數(shù)和影響因子進(jìn)行正交設(shè)計(jì)；紅外、液相、旋光、熔點(diǎn)儀等儀器的分析操作演示；按照正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和使用分析儀器，分析得出每步最佳合成工藝路線、最佳工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。整個(gè)項(xiàng)目分為2大模塊：知識(shí)講解模塊、實(shí)驗(yàn)仿真模塊。

知識(shí)講解模塊中，通過(guò)組織整理大量相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，以及針對(duì)左氟沙星原料藥的合成路線中各步實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程演示、影響參數(shù)和影響因子分析、正交設(shè)計(jì)的原理意義及正交設(shè)計(jì)流程講解和演示建設(shè)相應(yīng)的微課視頻，組織成項(xiàng)目知識(shí)庫(kù)。

實(shí)驗(yàn)仿真模塊中，以左氟沙星原料藥合成的重點(diǎn)工段左氟羧酸的制備作為一期開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)工段的仿真操作開(kāi)發(fā)，同時(shí)建設(shè)正交設(shè)計(jì)流程仿真，學(xué)生可通過(guò)自主設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工藝的正交設(shè)計(jì)和分析。建議以上平臺(tái)取得了良好反響和效果，我們后期將補(bǔ)充建設(shè)2，3，4，5-四氟苯甲酰氯的制備、一步法制備環(huán)合酯、左氧氟沙星的制備、左氧氟沙星的制備改進(jìn)、檢測(cè)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，進(jìn)一步完善。

五 虛擬實(shí)踐教學(xué)給學(xué)生帶來(lái)身臨其境的安全的車間體驗(yàn)

虛擬仿真技術(shù)除了可以用于建立校內(nèi)課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式與方法，同樣可以用于模擬、還原制藥企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景，有效克服企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中存在的成本高、風(fēng)險(xiǎn)大的痛點(diǎn)問(wèn)題。依據(jù)虛擬仿真技術(shù)對(duì)制藥企業(yè)藥物生產(chǎn)工藝進(jìn)行模擬，在計(jì)算機(jī)上形成一個(gè)沉浸式的虛擬仿真環(huán)境，學(xué)生可以漫游在仿真的制藥工廠環(huán)境中，根據(jù)需求進(jìn)行制藥生產(chǎn)操作，認(rèn)識(shí)生產(chǎn)過(guò)程中各設(shè)備組件及其作用，在虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)[11]。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官功能，使用者不僅能夠通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)體驗(yàn)到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性及超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性，而且能夠與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間；通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)習(xí)工廠，達(dá)到了“將工廠搬進(jìn)學(xué)?！钡哪康模瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了“教室-實(shí)驗(yàn)室-工廠”三位一體的工程教育理念[12]。

為適應(yīng)新形勢(shì)下的教育教學(xué)改革，我校的制藥工程專業(yè)積極設(shè)立虛擬仿真工廠實(shí)習(xí)平臺(tái)，引進(jìn)了制藥工程的全息數(shù)字沙盤(pán)平臺(tái)展示系統(tǒng)。利用該全息數(shù)字沙盤(pán)平臺(tái)展示系統(tǒng)，通過(guò)聲、光、電等多種形式對(duì)現(xiàn)代制藥企業(yè)的原料藥及制劑生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)各元素進(jìn)行表達(dá)，可以在學(xué)生面前呈現(xiàn)出真實(shí)的生產(chǎn)場(chǎng)景，同時(shí)通過(guò)同步的三維虛擬仿真場(chǎng)景，可讓學(xué)生同步學(xué)習(xí)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)所涉及的“人、機(jī)、料、環(huán)、法、檢”藥品生產(chǎn)六大要素。通過(guò)對(duì)此電子沙盤(pán)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)一個(gè)從理論到實(shí)踐再到理論的上升過(guò)程，借助沙盤(pán)將自己代入到每一生產(chǎn)崗位，熟悉整個(gè)生產(chǎn)流程，提升對(duì)藥品生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題分析以及將風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí)用于藥品生產(chǎn)過(guò)程的能力，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力、提升學(xué)生綜合素質(zhì)的目的[13]。

利用該全息數(shù)字沙盤(pán)平臺(tái)展示系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)習(xí)教學(xué)活動(dòng)，能夠避免傳統(tǒng)工廠實(shí)習(xí)模式的弊端，同時(shí)達(dá)到制藥工程專業(yè)實(shí)習(xí)的目的，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐思維與能力，成為制藥工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革的重要舉措。

六 結(jié)語(yǔ)

在信息化教學(xué)背景下，虛擬仿真教學(xué)模式因其方便性以及技術(shù)的新穎性等優(yōu)勢(shì)，是高等教育變革中重要的新生力量，尤其在實(shí)踐性較強(qiáng)的制藥工程實(shí)踐教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景，充分使用虛擬仿真技術(shù)有望能夠克服傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的不足，但是目前該項(xiàng)技術(shù)還不夠完善，投入成本也相對(duì)較大，因此完全摒棄傳統(tǒng)實(shí)習(xí)模式也并非明智之舉，應(yīng)該各取所長(zhǎng)，發(fā)揮1+1＞2的效果。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與日趨成熟，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)新模式必將給未來(lái)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)帶來(lái)革命性的變化。