制藥工程專業(yè)虛擬現(xiàn)實仿真平臺的特點及對學生進行實踐教學的優(yōu)勢

趙紅，李忠，彭成松，楊忠連，羅再剛

作者單位：安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南232001

安徽理工大學制藥工程專業(yè)于2001年建立，是一個多學科交叉的綜合性行業(yè)。本專業(yè)要求學生能夠將在課堂上學到的藥學與工學的基礎知識與實踐相結合，以便將來能適應工作崗位的需要，對藥廠廠房、制藥機械設備進行設計及改進。因此，本科教育中的實踐環(huán)節(jié)，即認識實習和生產實習是學生走出課堂、深入企業(yè)進行實踐訓練、理論聯(lián)系實際、強化工程意識、培養(yǎng)職業(yè)素質的重要環(huán)節(jié)。但受到藥廠生產特殊環(huán)境要求的限制，實施過程中往往不能讓學生得到充分的訓練。

虛擬現(xiàn)實仿真平臺（Virtual Reality Platform）是近些年發(fā)展起來的一類專門用于仿真的計算機軟件，該仿真軟件適用性強、操作簡單、可高度的模擬工廠操作實際過程。本專業(yè)將仿真軟件與現(xiàn)場實習相結合，有效的彌補了現(xiàn)場實習的不足，滿足了學生實習的需要。筆者基于教育認證的要求和理念，對新形勢下我校的實習模式改革過程進行了探討。

1 制藥工程專業(yè)實習存在的問題

1.1 生產實習企業(yè)落實困難

生產實習企業(yè)落實困難是國內多數(shù)工科院校在生產實習中面臨的共性問題。學生進入單位實習，非但不能給企業(yè)帶來利潤，相反，由于需要企業(yè)抽調人員對學生進行培訓并帶領學生參觀廠區(qū)，無形中就會增加企業(yè)人員的工作量。同時，由于制藥企業(yè)往往地處偏僻，食宿不便，為了方便學生，往往需要廠方安排學生的食宿，也增加了廠方后勤部門的壓力。另外，制藥企業(yè)都有GMP 的要求，不利于學生進入實習。因此，大部分制藥企業(yè)不愿意接收學生入廠實習。

1.2 實習過程簡單，學生很難自己動手操作

制藥工程專業(yè)實習基本都是藥廠，而藥廠生產有自己的特殊性，如廠區(qū)及生產車間建設要滿足GMP 要求，部分生產區(qū)要求無菌操作。因此，即便有些企業(yè)接收了學生實習，也不會讓學生進入生產車間進行實地操作。只是在車間外部進行簡單的參觀。同時由于實習時間有限，基本都是3～5周，這個時間只夠廠方對學生進行培訓，學生還沒有進入實習車間，實習時間就結束了。

1.3 實習教學目標和教學大綱不夠明確

生產實習不同于其他校內教學環(huán)節(jié)，存在著實習場所的不確定性，因此實習的實施過程往往有著一定隨意性，這就表現(xiàn)在實習的教學目標不明確、缺少具體的教學大綱，因此實習教學質量難以保證。本專業(yè)依據(jù)認證要求，重新明確了實習教學目標，根據(jù)教學目標設計了相應的教學大綱，使實習教學的實施和管理更加規(guī)范。

2 虛擬仿真技術

2.1 虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。此虛擬世界由計算機設計產生，既可以重現(xiàn)現(xiàn)實世界中的場景，也可以按用戶的需要設計構想新的模擬世界。因此，虛擬仿真軟件可按用戶需求實現(xiàn)不同教學場景的重現(xiàn)仿真，使用戶在仿真世界進行實地觀摩操作，使教學環(huán)境情景化，從而達到優(yōu)化教學過程、提高教學質量的目的。

2.2 虛擬仿真教學的特點

虛擬仿真技術將藥廠生產過程用計算機重現(xiàn)，學生可以身臨其境的觀看藥廠車間布局、各種藥物劑型生產的工藝流程，通過鼠標和鍵盤進行制藥設備操作，收集工藝參數(shù)并分析處理數(shù)據(jù)，判斷設備是否運轉正常，產品是否合格。與傳統(tǒng)的工廠現(xiàn)場實習模式相比，虛擬仿真教學模式主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.2.1 更安全的實驗過程 在虛擬仿真系統(tǒng)中進行教學，一切過程都在計算機上進行，避免了實際操作過程中可能出現(xiàn)的危險和操作不當引起的損失。如在片劑的生產過程中，需要使用的機械設備有萬能粉碎機、搖擺式顆粒機、快速攪拌制粒機、壓片機、高效包衣機等。每一種機器在現(xiàn)場使用過程中都有可能因為操作不當，引起質量事故或安全事故。通過使用計算機仿真模擬，避免了學生在工廠的實際操作，同時也規(guī)避了各類事故的發(fā)生。

2.2.2 節(jié)約了實驗消耗 以頭孢克洛原料藥的合成為例，實際生產過程中物料、熱量及動力的消耗都以數(shù)噸級計，時間往往也要耗費數(shù)周，成本巨大。虛擬仿真教學只需要一臺計算機，歷時數(shù)小時，不消耗任何資源，就可以完成在現(xiàn)實中耗費巨大的生產過程。即便學生操作失誤，也可以反復進行模擬實驗，不必擔心資源消耗的問題。

2.2.3 教學內容更直觀 在藥廠實習時，由于各種條件的限制，學生們往往不能直觀的看到所有藥品的生產過程。而很多制藥設備也不可能將其拆卸了對學生進行直觀的講解。如制藥工藝與設備課程，需要學生掌握設備中各零部件的構造，以便更深刻的掌握各反應工段的工藝原理。通過虛擬仿真軟件，能幫助學生全面了解制藥機械內部復雜零部件的結構特征，便于學生鞏固對課堂上抽象描述的理解，加深學生的印象，從而提高教學效果。

3 制藥工程專業(yè)實習新模式的探討［7］

本校的制藥工程專業(yè)實習主要依托于南京先聲東元制藥有限公司、安徽山河藥用輔料股份有限公司和蓋天力醫(yī)藥控股集團華東藥業(yè)有限公司。在進行新的實習教學模式以前，每年的實習都是一個“老大難”。實習帶隊老師要多次去實習企業(yè)聯(lián)系落實學生實習情況，而在學生進入企業(yè)實習后，由于不能實地操作，一半時間都在培訓，抱怨不斷，說“看不到東西、不能動手操作、和老師平時在課堂上講的差不多”等等問題。針對學生藥廠實習存在的各種問題，同時基于專業(yè)認證的要求，本專業(yè)建立了“現(xiàn)場實習+仿真模擬訓練”的實習教學模式，并取得了一定成效。

3.1 按照新的實習教學模式制定教學目標和教學大綱

本專業(yè)的培養(yǎng)目標就是培養(yǎng)能適應制藥工業(yè)發(fā)展的專業(yè)工程技術人才，能獨立解決制藥企業(yè)生產現(xiàn)場實際工程技術問題。在引入仿真實訓的基礎上，教學目標增加了如下內容：①通過仿真實訓，了解藥品的生產設備與工藝流程及操作規(guī)范。②會繪制工藝流程圖和車間布置圖。③了解藥品生產的GMP 管理規(guī)范，繪制的圖滿足GMP 規(guī)范。改變了以往只根據(jù)學生在企業(yè)的表現(xiàn)和實習報告兩項內容來給成績的考核方式，增加了仿真模擬考試的內容。

3.2 將模擬仿真實訓與現(xiàn)場實習有機結合，提高學生實踐能力

固定的現(xiàn)場實習基地是制藥工程專業(yè)實習的必要條件，本專業(yè)的實習基地從藥用原輔料的生產，到片劑、膠囊劑和各種針劑的生產基本都有，能夠滿足學生對制藥過程的實習需求。但由于制藥企業(yè)的特殊性，學生不能進行近距離的參觀和動手操作，從一定程度上影響了學生的積極性和實習的效果。

本學院近年來建立的仿真模擬實驗室，構建了化學原料藥生產實訓平臺、固體制劑生產實訓平臺和凍干粉針劑生產GMP 實訓平臺等三個仿真平臺。每個平臺均包括：工程設計模塊、廠區(qū)規(guī)劃與車間漫游、設備仿真模塊、工藝仿真模塊、生產操作仿真模塊、考核評價系統(tǒng)等6個功能模塊，讓學生在去藥廠實地實習前先進行仿真實訓，充分了解原料藥及制劑的廠房布置、GMP 要求及具體生產過程，并在每個模塊學習完成后自主進行測試考評。

如工程設計模塊的方案設計就包含：工藝方案設計說明書、平面方案圖、車間人物流圖、空調潔凈分區(qū)、空調系統(tǒng)劃分等，可以讓學生從宏觀上了解工程設計的整體理念；而詳細的施工設計又根據(jù)醫(yī)藥設計院的實際設計過程，按照工藝、空調、消防、給排水、電氣專業(yè)進行劃分，并提供相關圖紙（如PID 圖紙、工藝管道布置圖、設計設備清單、消防、給排水平面圖、電氣布置圖等圖紙），讓學生認識到，一個廠區(qū)的設計，需要多個部門協(xié)調合作，有利于提高學生的合作精神，這也是制藥工程專業(yè)的一個培養(yǎng)目標。由此，學生可以從基礎設計理論、三維工程設計等多個角度理解制藥工程設計的概念，建立初步的工程設計認知能力和團隊協(xié)作能力。

在考核評估模塊提供了藥品生產安全、工藝知識點、工藝操作等相關的理論題庫，學生在電腦端進行一個模塊的學習之后，服務端可選擇自動生成考卷，并對答卷自動評分，當學生一次考試未通過時，還可選擇再一次進行考試或重新學習后再考試，直到達成教學目標，為接著進行的藥廠實地實習提供基礎。

與以往過分依賴企業(yè)現(xiàn)場實訓的單一教學模式相比，這種校內外實習相結合，仿真與現(xiàn)場相結合的教學模式更能提高學生的實習興趣。同時，學生可通過在仿真軟件上的反復訓練加深對藥品生產過程的認識和理解，在進入藥廠實習時更加有的放矢，使理論知識與生產實踐的結合更加緊密。

3.3 加強生產實習教學師資隊伍建設

在企業(yè)實習過程中，學生人數(shù)較多，企業(yè)的講解員在車間對學生進行講解時，環(huán)境比較嘈雜，導致很多學生聽不清講解員的介紹，回來后問帶隊教師，而本專業(yè)的教師基本都沒有工廠工作的經驗，往往也很難把相關知識點說得清楚。

為了解決這一現(xiàn)狀，本專業(yè)主要采取了以下措施：①培養(yǎng)青年教師的工程實踐經驗，要求帶隊教師必須在企業(yè)接受為期半年以上的工程訓練。建議本專業(yè)所有教師均去制藥企業(yè)進行為期最少1個月的工程實訓。②穩(wěn)定生產實習指導教師隊伍，選擇進行工程實訓過的教師作為生產實習指導教師。③聘請企業(yè)有實踐經驗的技術人員、操作熟練的工人、環(huán)境安全管理人員以及從事企業(yè)管理的人員等作為兼職教師，定期來校把企業(yè)的安全操作知識和生產管理經驗傳授給學生，詳細講解生產工藝和設備操作原理，增加學生對企業(yè)工作條件的認識。

3.4 使用仿真軟件前后實習效果的對比

使用仿真軟件以前，很難達到專業(yè)認證對畢業(yè)目標的具體要求。使用仿真軟件后，通過軟件中包含的仿真模擬考試內容，使學生能夠運用自然科學知識和工程科學原理及制藥工程專業(yè)知識解決制藥過程中復雜的工程問題，掌握現(xiàn)代制藥技術、制藥工程原理與設備、車間設計或技術改造等基礎理論、基本知識和基本技能，加深對制藥生產基本理論和工藝原理的理解，更加具體地體現(xiàn)了教學大綱和教學目標，成績的給出也更加規(guī)模化，達到專業(yè)認證要求。同時通過先模擬仿真實訓，再與現(xiàn)場實習有機結合的方式，增加了學生在實習現(xiàn)場對廠房布置和設備選型的理解。學生的實習成績明顯提高，對知識的掌握也更加貼近工廠操作實際情況。

4 結語

隨著教育認證工作的開展，眾多本科院校由傳統(tǒng)的精英教育逐漸向應用型人才培養(yǎng)過渡。我校制藥工程專業(yè)體現(xiàn)的是“厚基礎、重應用、強素質”的培養(yǎng)原則，為藥廠、醫(yī)藥設計院、高等院校、科研院所輸送“本科應用型”人才。在此基礎上，要求學生的實驗技能和實際操作能力均有較大提升。本專業(yè)通過引用模擬仿真技術，將模擬仿真實訓與現(xiàn)場實習有機結合，同時加強生產實習教學師資隊伍建設，極大地彌補了傳統(tǒng)實習的不足與空缺，在一定程度上解決了實習難、現(xiàn)場操作更難的問題，取得了顯著的實習效果。學生和企業(yè)對生產實習的滿意度均大幅度提高。