3D虛擬仿真訓(xùn)練在生物制藥專業(yè)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

隋 毅，田 威，陳 光，沙露平，張怡軒*

（1. 沈陽藥科大學(xué) 生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院，遼寧 沈陽，110016；2. 沈陽藥科大學(xué) 制藥工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110016)

2011年生物制藥專業(yè)經(jīng)教育部批準(zhǔn)成為“戰(zhàn)略性新興專業(yè)”，生物制藥作為一種知識(shí)密集、技術(shù)含量高的新興產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)今發(fā)展最活躍和最迅速的產(chǎn)業(yè)。中國作為人口大國，有1.7萬人從事生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究與開發(fā)，0.9萬人從事生產(chǎn)和經(jīng)營，僅相當(dāng)于美國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)人數(shù)的1/4[1-3]。而從事生物醫(yī)藥產(chǎn)品研究與開發(fā)的人才更是嚴(yán)重不足，這已經(jīng)成為制約我國醫(yī)藥發(fā)展的瓶頸[4]。

未來生物制藥行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在復(fù)合型人才的競(jìng)爭(zhēng)，提高生物制藥專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、動(dòng)手能力，培養(yǎng)“一專多能”的人才是對(duì)教育工作者提出的新挑戰(zhàn)[5]。信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代教育新技術(shù)，新方法，新模式不斷地涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)已日漸被新的現(xiàn)代化技術(shù)手段所取代。以提高教學(xué)質(zhì)量為核心，不斷的探索與創(chuàng)新，讓學(xué)生們走出課堂，走進(jìn)工廠，發(fā)展成為符合時(shí)代需要的復(fù)合型人才。在科學(xué)技術(shù)的帶動(dòng)下，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的模式已經(jīng)應(yīng)用于生物制藥專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中。3D虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的，具有視、聽、觸、味等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可以通過其自然技能使用各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用的一種技術(shù)。本文就3D仿真虛擬平臺(tái)在生物制藥工程實(shí)訓(xùn)中的難點(diǎn)和應(yīng)用做一簡(jiǎn)單的總結(jié)。

1 生物制藥專業(yè)學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中面臨的困難

傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，由于受到環(huán)境、設(shè)備、教學(xué)條件和師資與學(xué)生配比的影響，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)和生產(chǎn)相結(jié)合的教育目的。面臨的困難主要有：（1）生物工程類的實(shí)訓(xùn)設(shè)備較多，并且價(jià)格比較昂貴?？傮w上講，學(xué)生人均設(shè)備偏低，在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)過程中還涉及設(shè)備的消耗以及維護(hù)問題。學(xué)生首次接觸真實(shí)的設(shè)備，初期大多數(shù)的學(xué)生會(huì)處于自由散漫、不知所措的狀態(tài)，影響教學(xué)質(zhì)量和實(shí)訓(xùn)的效果；（2）在生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)過程中由于操作不規(guī)范，容易引發(fā)安全事故。雖然在實(shí)訓(xùn)開始前會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育工作，但由于在短時(shí)間內(nèi)學(xué)生不能充分的了解設(shè)備，在操作的過程中難免會(huì)造成一些損害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的開展，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)效率降低，實(shí)訓(xùn)效果不明顯；（3）實(shí)訓(xùn)周期長(zhǎng)，項(xiàng)目多。在生物制藥工程的實(shí)訓(xùn)過程中，由于涉及的科目較多，跨度廣，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，很難在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一的過程，在實(shí)訓(xùn)的過程中容易造成顧此失彼的現(xiàn)象[6]；（4）GMP是保證藥品安全性和有效性的重要手段，國家對(duì)生物藥品的生產(chǎn)環(huán)境也都是按照GMP的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行的。不正確的生產(chǎn)操作或不滿足操作條件的環(huán)境都將影響企業(yè)的正產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)習(xí)階段的學(xué)生往往由于實(shí)習(xí)時(shí)間短、未經(jīng)系統(tǒng)培訓(xùn)、缺乏操作經(jīng)驗(yàn)等原因，無法快速進(jìn)入到真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境中，使生產(chǎn)實(shí)習(xí)變得越來越困難，實(shí)習(xí)效果大打折扣[7-8]。

2 3D虛擬仿真平臺(tái)在生物制藥專業(yè)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 3D虛擬仿真平臺(tái)使學(xué)生熟悉工廠的生產(chǎn)環(huán)境

生物制藥專業(yè)是一門集合了微生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等諸多學(xué)科的綜合性學(xué)科。將上游的藥物研發(fā)，下游的發(fā)酵、分離、純化等不同的專業(yè)融合在同一條生產(chǎn)線內(nèi)[9]，并且其生產(chǎn)環(huán)境必須嚴(yán)格按照國家規(guī)定的GMP標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，對(duì)于環(huán)境車間的潔凈程度要求非常高，未經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的學(xué)生不能夠進(jìn)入到企業(yè)中進(jìn)行實(shí)際實(shí)訓(xùn)操作。3D虛擬仿真平臺(tái)可以完全按照GMP標(biāo)準(zhǔn)模擬生物制藥需要的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境、工藝和設(shè)備等，保證生產(chǎn)過程中不同車間區(qū)域的明確劃分，滿足不同等級(jí)的要求，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中就能熟悉整個(gè)藥品的生產(chǎn)流程。在此條件的保證下，學(xué)生如入真實(shí)環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)單元采取仿真模擬操作，將生物制藥企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝路線解析為多個(gè)連續(xù)操作模塊，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)不斷“試錯(cuò)”，從而熟悉不同崗位人員的崗位責(zé)任，達(dá)到與實(shí)訓(xùn)相同的效果，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的教育意義。

2.2 3D虛擬仿真平臺(tái)使學(xué)生熟悉生產(chǎn)設(shè)備以及工作原理

在生物制藥的生產(chǎn)線中，每個(gè)單元操作都涉及很多具體的操作步驟，且每步均需要按照規(guī)定逐項(xiàng)完成，操作過程較為復(fù)雜。學(xué)生對(duì)生產(chǎn)過程的理解和設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中重點(diǎn)也是難點(diǎn)。如何較好的解決這一問題是實(shí)訓(xùn)教學(xué)順利進(jìn)行的前提保證。3D虛擬仿真平臺(tái)中引入了動(dòng)畫教學(xué)，通過動(dòng)畫的播放以及相關(guān)文字的說明，使學(xué)生在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)之前可以充分的了解相應(yīng)設(shè)備工作原理和操作過程。將教學(xué)過程中抽象的問題簡(jiǎn)單化，復(fù)雜的問題直觀化，提高了學(xué)生的邏輯思維能力，讓原本枯燥的課堂變得生動(dòng)起來，加深學(xué)生對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)過程的認(rèn)識(shí)和理解。

2.3 3D虛擬仿真平臺(tái)使學(xué)生熟悉各個(gè)操作之間的聯(lián)系以及作用

生物制藥過程簡(jiǎn)單說是需要不同的單元操作協(xié)同運(yùn)行，以保證整個(gè)生產(chǎn)線正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在3D虛擬仿真平臺(tái)中，學(xué)生可以對(duì)生產(chǎn)過程中的每個(gè)單元操作進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，在操作中了解不同條件對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響。例如在生產(chǎn)青霉素的過程中，原材料需要進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵的過程中需要對(duì)溫度、含氧量和pH等各種反應(yīng)條件進(jìn)行嚴(yán)格的控制，學(xué)生可以在3D虛擬仿真平臺(tái)中根據(jù)自己的理解來控制發(fā)酵條件，從而觀測(cè)不同的條件對(duì)后續(xù)生產(chǎn)的影響，這是在傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)過程中不能夠?qū)崿F(xiàn)的。傳統(tǒng)的操作過程中學(xué)生只能夠按照預(yù)定的程序和條件進(jìn)行操作，不能夠以自己的理解操作條件進(jìn)行操作，通過3D虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生通過不斷的“試錯(cuò)”操作，對(duì)生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)條件有著更加深刻的理解和掌握。在3D虛擬仿真平臺(tái)中扮演不同的角色進(jìn)行不同的單元操作，體會(huì)到每個(gè)單元在生產(chǎn)流程中的作用，提高學(xué)生的自學(xué)能力、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力、探究能力和操作能力，為學(xué)生順利進(jìn)入工作崗位做好充足準(zhǔn)備[10]。

3 3D虛擬仿真平臺(tái)對(duì)生物制藥專業(yè)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的改革

3.1 對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定

根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)、行業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的要求，以及對(duì)生物制藥行業(yè)本科人才培養(yǎng)及知識(shí)覆蓋范圍的要求，本科生應(yīng)具備知識(shí)能力、技術(shù)能力、團(tuán)體協(xié)作能力以及優(yōu)秀的個(gè)人自我定位。通過在3D虛擬仿平臺(tái)中進(jìn)行線上的體驗(yàn)操作，會(huì)加深和鞏固學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，并掌握種子罐、發(fā)酵罐和分離罐的操作方法以及控制條件，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)體協(xié)作能力，明確自我定位，初步實(shí)現(xiàn)“新工科”背景下對(duì)生物制藥人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2 對(duì)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中教學(xué)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新

本著“以學(xué)生為中心”“突出學(xué)生主體地位”的教育理念，培養(yǎng)符合時(shí)代發(fā)展需要的“新工科”人才，必須打破傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)模式。借助“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的高速發(fā)展，依托網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)方法已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。借助于3D虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了“線上線下，虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)從“發(fā)現(xiàn)問題”到“解決問題”的教學(xué)形態(tài)。在實(shí)訓(xùn)過程中從以“教”為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W(xué)”為主，打破了原有的“教授型+參觀型”的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主，教師為輔的討論型課堂，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)訓(xùn)初期教師統(tǒng)一講授實(shí)習(xí)中的注意事項(xiàng)，涉及到的理論知識(shí)點(diǎn)。進(jìn)入實(shí)訓(xùn)階段借助于3D虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和自主操作。在實(shí)習(xí)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，教師參與討論并解決問題的討論式教學(xué)模式，促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化，提升學(xué)習(xí)效果，在愉快的討論環(huán)境中順利完成教學(xué)的難點(diǎn)。如圖1所示，在教學(xué)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生主體，教師參與教學(xué)活動(dòng)的模式。

3.3 對(duì)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中教學(xué)效果的促進(jìn)作用

Fig. 1 Teacher's teaching process圖 1 教師的教學(xué)過程

3D虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用，讓我們實(shí)現(xiàn)了“線上線下，虛實(shí)結(jié)合”的人才培養(yǎng)方式。線下我們通過帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行生產(chǎn)過程的講解，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)的介紹，使學(xué)生對(duì)生產(chǎn)流程有初步的了解和認(rèn)識(shí)，在教師的講解過程中學(xué)生可以觸摸到真實(shí)的設(shè)備了解相應(yīng)設(shè)備的操作以及在操作過程中的注意事項(xiàng)，如圖2所示，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行熟悉生產(chǎn)流程；線上我們應(yīng)用3D虛擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自己動(dòng)手操作的目的，在仿真平臺(tái)中可以完全模擬實(shí)際生產(chǎn)中的生產(chǎn)過程，生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)條件，這樣使得原本枯燥無味的機(jī)械化操作在仿真平臺(tái)上變的生動(dòng)有趣，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情和探究未知的激情，如圖3，學(xué)生在仿真平臺(tái)上進(jìn)行虛擬訓(xùn)練；同時(shí)借助于學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合教學(xué)的模式，學(xué)生在線下進(jìn)入到工廠近距離的參觀，了解企業(yè)文化并在工程師陪同并進(jìn)行參觀講解，及時(shí)解答同學(xué)提出的問題，如圖4，學(xué)生在工廠進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。在生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中，真正實(shí)現(xiàn)了“線上線下，虛實(shí)結(jié)合”的培養(yǎng)模式，大大提升生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)效果。

Fig. 2 Students are familiar with the production process in the training center圖 2 學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中心熟悉生產(chǎn)流程

經(jīng)線下生產(chǎn)流程介紹，至線上虛擬操作，再到工廠實(shí)況參觀，隨著每一步規(guī)模的擴(kuò)大、參與度的提升，都使同學(xué)大為震撼。與此同時(shí)，在企業(yè)中進(jìn)行參觀和學(xué)習(xí)不僅能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的認(rèn)識(shí)，更能使其熟悉本專業(yè)畢業(yè)就業(yè)的工作環(huán)境。這在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的同時(shí)，也將減小學(xué)校與社會(huì)之間的信息斷層，有助于學(xué)生對(duì)自己未來的規(guī)劃和職業(yè)定位。

Fig. 3 Students conduct practical training operations in the simulation platform圖 3 學(xué)生在仿真平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作

Fig. 4 Students visit and learn in the enterprise圖 4 學(xué)生在企業(yè)中進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)

3.4 生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)對(duì)考核標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化的影響

在以往的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中，教師進(jìn)行等級(jí)評(píng)定中往往帶有主觀隨意性，缺少等級(jí)之間明顯的界限，造成學(xué)生成績(jī)分布呈現(xiàn)集中的特點(diǎn)，不能全面反應(yīng)學(xué)生的實(shí)際水平。3D虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用對(duì)考核環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定可以給出更為細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

Table 1 Comparison of students' performance before and after using the virtual simulation platform表 1 學(xué)生在使用虛擬仿真平臺(tái)前后成績(jī)比較

通過對(duì)3D虛擬仿真平臺(tái)的使用：（1）細(xì)化3D虛擬仿真平臺(tái)的操作評(píng)分。在考核規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生在3D虛擬仿真平臺(tái)上對(duì)不同單元進(jìn)行實(shí)際操作，根據(jù)操作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，更加客觀的反應(yīng)出學(xué)生對(duì)不同生產(chǎn)線，不同的操作單元的掌握情況；（2）標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)生生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的實(shí)習(xí)報(bào)告。學(xué)生通過自己的線上實(shí)際操作，把自己安放在工廠環(huán)境中，體驗(yàn)了不同崗位人員的工作環(huán)境，需要掌握的技能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，并了解生物制藥行業(yè)的工廠環(huán)境，車間布局等。在報(bào)告中一切流程均按照平臺(tái)預(yù)設(shè)的流程進(jìn)行，并且字里行間會(huì)流露出學(xué)生在仿真實(shí)習(xí)后的真切感受，讓學(xué)生對(duì)自己的職業(yè)有更加清晰定位和規(guī)劃；（3）有利于學(xué)生個(gè)人能力的提升。在生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，師生共同參與討論問題并解決問題。通過學(xué)生的參與程度反應(yīng)出學(xué)生的社會(huì)能力和個(gè)人能力，一定程度上也反映出學(xué)生通過仿真生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)所獲得的收獲。

4 展望

3D虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用同時(shí)具有能耗低，安全性能高，培訓(xùn)費(fèi)用少的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生可以針對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)問題進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，有的放矢，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。3D虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用使學(xué)生擺脫了時(shí)間和空間上的限制，隨時(shí)隨地可以進(jìn)行實(shí)際的模擬演練。利用3D虛擬仿真平臺(tái)與線下教學(xué)相結(jié)合的方式，進(jìn)行生物制藥專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)。將虛擬現(xiàn)場(chǎng)變成生物藥品的生產(chǎn)車間，學(xué)生變成工廠的一名操作工，體驗(yàn)不同崗位的工作要求[11]。3D虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用解決了在傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中面臨的問題，其在生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的初步應(yīng)用給教師的培訓(xùn)授課帶來了新的思考。

“線上線下，虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)手段，教師參與其中，引領(lǐng)學(xué)生自主思考，改善了實(shí)際操作時(shí)學(xué)生出現(xiàn)的注意力不集中、效率低下和自制力差的問題，達(dá)到了良好的實(shí)訓(xùn)效果。新的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)模式的應(yīng)用既克服了傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中不可避免的問題，同時(shí)也彌補(bǔ)了單純線上仿真教學(xué)所帶來的弊端，培養(yǎng)“新工科”背景下所需要的新型人才。

學(xué)生通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的學(xué)習(xí)和3D虛擬仿真平臺(tái)環(huán)境切身感受工廠生產(chǎn)的真實(shí)狀況。學(xué)生之間通過相互交流，相互討論的學(xué)習(xí)模式達(dá)到解決問題的目的，養(yǎng)成探究發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提高學(xué)生邏輯思維分辨能力和解決問題的能力，培養(yǎng)了一批適應(yīng)性強(qiáng)，、動(dòng)手能力強(qiáng)、解決問題能力強(qiáng)的“三強(qiáng)學(xué)生”。