高校制藥工程實訓(xùn)中心的現(xiàn)代化建設(shè)探索

郭玲玲，于燕燕，樊冬麗，張 華，吳范宏

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418)

國家高度重視新一代信息技術(shù)與教育的融合，教育部先后出臺了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》、《教育信息化“十三五”規(guī)劃》、《教育信息化2.0行動計劃》等綱領(lǐng)性文件，各高校開展了深度的探索與實踐。上海堅持教育優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，堅持“為了每一個學(xué)生的終身發(fā)展”理念，全面深化教育綜合改革；教育支撐創(chuàng)新發(fā)展新高地，對標(biāo)上海建成具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心等戰(zhàn)略任務(wù)，發(fā)揮協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)優(yōu)勢；努力實現(xiàn)人才、產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈，圍繞集成電路、人工智能、生物醫(yī)藥等關(guān)鍵領(lǐng)域，培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才；爭取到2035年實現(xiàn)更高水平、更高質(zhì)量的教育現(xiàn)代化，建成與時代發(fā)展相適應(yīng)、同具有世界影響力的社會主義現(xiàn)代化國際大都市相匹配的一流教育；縱向銜接、產(chǎn)教融合、育訓(xùn)并重的現(xiàn)代職業(yè)教育體系更加完備，創(chuàng)造更多更好的實踐實訓(xùn)和創(chuàng)業(yè)條件[1]。

制藥工程專業(yè)實訓(xùn)實驗室是影響制藥工程專業(yè)教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)，需要突出本專業(yè)的特點，貼近生產(chǎn)實際，把制造技術(shù)、質(zhì)量觀念、市場需求、生產(chǎn)安全與法律規(guī)范等內(nèi)容聯(lián)系起來。我國明確教育現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化，制藥行業(yè)的特殊性要求GMP管控，因此現(xiàn)代化的實訓(xùn)中心建設(shè)才是未來的實驗室發(fā)展方向。在這種大趨勢下，各高校紛紛發(fā)展了新建仿真和VR實驗室，使學(xué)生可以在線上進(jìn)行線上操作[15]。經(jīng)過幾屆學(xué)生的培養(yǎng)，獲得了一些經(jīng)驗，即單純的務(wù)虛并不可靠，實踐是基石，虛實結(jié)合才是王道，沒有實操永遠(yuǎn)只是過眼云煙。因此將VR與實操聯(lián)系起來的全面型現(xiàn)代化制藥工程專業(yè)實訓(xùn)中心是未來教學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點。

1 現(xiàn) 狀

工程介于科學(xué)與社會之間，存在于科學(xué)、藝術(shù)與社會的交界。工程是具有社會性、創(chuàng)造性、綜合性、道德制約性、開放性等特點。工程教育是培養(yǎng)工程人才的社會活動。工程教育具有實踐性、復(fù)合性、倫理性、全球性等特點。工程教育應(yīng)強調(diào)工程實踐能力的培養(yǎng)[2]。

為了最大限度的避免藥品生產(chǎn)過程中的污染和交叉污染，降低各種差錯的產(chǎn)生，提高藥品質(zhì)量，因此藥品生產(chǎn)要嚴(yán)格遵守《藥品生產(chǎn)和質(zhì)量管理規(guī)范》(Good Manufature practice,GMP)，相比其他學(xué)科，制藥生產(chǎn)工程要求更加嚴(yán)格。隨著更多的外國制藥企業(yè)進(jìn)入中國市場，并帶來有關(guān)質(zhì)量控制、生產(chǎn)流程和項目管理知識以及先進(jìn)的技術(shù)等。國內(nèi)高校擁有中試制藥實訓(xùn)車間的不在少數(shù)，但是這些實訓(xùn)中心是存在短板的。學(xué)生進(jìn)入之后面對的是獨立的設(shè)備，而不是系統(tǒng)性的符合GMP操作的實驗培訓(xùn)，更不要提創(chuàng)新、創(chuàng)造。受制于實驗室管理及教學(xué)方法、場地、經(jīng)費及教師數(shù)量等因素的影響，傳統(tǒng)實驗實訓(xùn)資源開放度及使用效率不高、實驗教學(xué)設(shè)備使用效果不好、教學(xué)手段單一、實驗教學(xué)效果不佳，不利于學(xué)生實踐能力培養(yǎng)。近幾年，尤其是最近因為疫情影響，很多高校開始建設(shè)線上課程以及開發(fā)線上教學(xué)手段，比如仿真和VR教學(xué)[3-4]。但是單純的線上教育過于務(wù)虛，教育效果并不理想。因此，將線上的各種教育資源與線下的實訓(xùn)中心結(jié)合起來建成虛實結(jié)合的現(xiàn)代化教育過程是目前實踐教學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵點。

2 PLC控制技術(shù)

實訓(xùn)中心各設(shè)備的自動化控制技術(shù)是線上線下聯(lián)動的關(guān)鍵節(jié)點之一。自動化是控制對象在無人參與的情況下，依靠自動化裝置，按照一定的規(guī)律或事先設(shè)定的程序運行，自動地完成信息檢測、過程控制、故障診斷及處理的過程，完成預(yù)期的目標(biāo)。我國在20世紀(jì)60年代，制藥生產(chǎn)過程朝著規(guī)?；⑦B續(xù)化、綜合化方向迅速發(fā)展。制藥生產(chǎn)中應(yīng)用的自動控制系統(tǒng)主要是溫度、壓力、流量和液位等參數(shù)的控制系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來，隨著GMP的實施，對藥品質(zhì)量的要求更高，先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的大量引入，使自動化程度顯著提高。自動化技術(shù)已發(fā)展為控制和管理一體化的綜合自動化系統(tǒng)。綠色低碳、智能高效的先進(jìn)制造體系，可以顯著提高產(chǎn)品集中度和生產(chǎn)集約化水平[5-11]。

PLC(可編程控制器)控制技術(shù)是一種可以編程的控制器，能夠調(diào)控模擬的量，控制開關(guān)的量，使使用者在操作和應(yīng)用中更便捷；它的輸出端口將各種傳感器等部件關(guān)聯(lián)，輸入端口將各種傳感器和設(shè)備開關(guān)連接。采用PLC實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化控制，可以減少操作人員的人員誤差，降低藥品質(zhì)量的風(fēng)險。PLC在制藥設(shè)備種有廣泛的應(yīng)用，通過標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，整合二次儀表，附以其他體統(tǒng)，配合電氣工業(yè)優(yōu)秀的執(zhí)行部件對生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、記錄、存檔，實現(xiàn)高智能化的無人值守生產(chǎn)線，技術(shù)人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控完成生產(chǎn)。比如PLC控制的重要滴丸機(jī)、沸騰干燥床、包衣機(jī)、膠囊灌裝機(jī)等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，制藥設(shè)備越來越復(fù)雜，生產(chǎn)過程越來越自動化連續(xù)化，藥品質(zhì)量在很大程度上取決于制藥設(shè)備和管理。對于還未建設(shè)實訓(xùn)中心的高?？梢赃x購具有PLC控制的相關(guān)制藥設(shè)備，已經(jīng)設(shè)備的高?？梢赃x擇對設(shè)備進(jìn)行PLC組件升級，實現(xiàn)設(shè)備信息和操作的實時輸入和輸出。有PLC技術(shù)加持的實訓(xùn)中心不僅可以推動的線上線下教育的融合，亦可以用來做創(chuàng)新性工作，促進(jìn)科研和教學(xué)的融合[12-17]。

3 實驗室信息管理系統(tǒng)

PLC技術(shù)實現(xiàn)的是對設(shè)備的控制，但是在實際的教學(xué)中還有很多過程，比如團(tuán)隊協(xié)作、報告、實訓(xùn)中心管理等層次也需要進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)代化改造。利用物聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù)改造實驗室，建立實驗室管理與實驗教學(xué)相融合的信息化平臺，實現(xiàn)實驗室管理與教學(xué)的智能化、少人化。構(gòu)建多層次實驗教學(xué)系統(tǒng)：“體驗”教學(xué)層析、“實操”教學(xué)層次、“創(chuàng)造”教學(xué)層次。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)實驗資源，基于數(shù)字化、信息化手段構(gòu)建多層次實驗教學(xué)系統(tǒng)，建立線上線下融合互補與過程跟蹤評價的實驗教學(xué)模式，從而重塑了多模態(tài)融合的實驗教學(xué)資源體系與使用連接方式，進(jìn)而探索專業(yè)實驗室的數(shù)字化建設(shè)模式，應(yīng)用實踐表明實驗室運轉(zhuǎn)效率提升，實驗資源利用率提高，實驗室知識產(chǎn)出增加，學(xué)生積極性增強，知識學(xué)習(xí)與應(yīng)用效果更加出色[23]。

LIMS(實驗室信息管理系統(tǒng)Laboratory Information Management System)以實驗室為核心符合國際規(guī)范的全方位管理系統(tǒng)。采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件技術(shù)、自動化技術(shù)對整個實驗室進(jìn)行全面管理；對實驗室樣品管理、資源管理、事務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、報表管理、人員管理、設(shè)備管理、方法管理、環(huán)境和通訊管理等諸多功能為一體的全面資源管理系統(tǒng)；完整的實驗室綜合管理和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控體系，保證實驗室所有的檢測數(shù)據(jù)分析和管理均符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[19-21]。

通過自動化接口，自動完成數(shù)據(jù)記錄和報告；集成化系統(tǒng)和儀器設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集；提高合規(guī)性，重點關(guān)注數(shù)據(jù)完整性和可追溯性等關(guān)鍵問題；增強資源的互動性，消除信息孤島，提升合作；數(shù)據(jù)共享，可查詢。儀器設(shè)備資源網(wǎng)絡(luò)化共享不僅僅是信息共享，也包括對儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和功能上的控制。促進(jìn)我國科技資源的優(yōu)化和整合，促進(jìn)科技水平和創(chuàng)新能力的提高。在這個架構(gòu)下，用戶在線預(yù)約，仿真練習(xí)打卡，設(shè)備上機(jī)實操，線下實訓(xùn)操作，線上產(chǎn)生報告，教師評定的教學(xué)模式，對于通過考核的學(xué)生，開放創(chuàng)新研究模式，直接在線預(yù)約，設(shè)備上機(jī)操作，遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)共享，產(chǎn)生報告。

實驗室信息管理系統(tǒng)是國內(nèi)外具有先進(jìn)性的實踐教學(xué)方式，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)和通信技術(shù)等新技術(shù)為紐帶，將教學(xué)儀器設(shè)備特別是貴重儀器設(shè)備連接高遠(yuǎn)程控制教學(xué)平臺，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與互動，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實踐教學(xué)和技能培訓(xùn)。通過計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體、虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)，使傳統(tǒng)的實驗資源數(shù)字化、聯(lián)通化，擺脫空間與時間的限制，通過各種智能決策與調(diào)度算法，提高資源使用與管理效率、提高教學(xué)與人才培養(yǎng)效果。

4 組 合

實踐教學(xué)基地信息化建設(shè)就是利用計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等信息化技術(shù)，將PLC技術(shù)加持的線下實訓(xùn)中心、VR和仿真實驗室嵌入實驗室信息管理系統(tǒng)，將實訓(xùn)基地的各類硬件資源、軟件資源、人力資源等有效重組，實現(xiàn)信息化管理，充分發(fā)揮教學(xué)資源的使用效益，實現(xiàn)實訓(xùn)基地運行的現(xiàn)代化、開放化和高效化。以學(xué)生為中心，為學(xué)生提供便利學(xué)習(xí)條件，發(fā)揮實訓(xùn)基地在教學(xué)、科研、等方面的重要作用。實驗室數(shù)字化改變的不僅是資源的存在與連接方式，也包括了實驗室的組織架構(gòu)、管理與教學(xué)模式。

總之，現(xiàn)代化實驗室可以歸結(jié)為3個層面：一是信息化的管理：包括以學(xué)生為中心的在線報告、成績查閱、實驗討論等在線服務(wù)系統(tǒng)和以教師為中心的教學(xué)教務(wù)管理、實驗室和設(shè)備管理等的管理系統(tǒng)。二是以網(wǎng)上教學(xué)為主的教育資源和新型教育形式，如虛擬仿真、可視化教學(xué)等。三是利用以LIMS為代表的實驗室物聯(lián)網(wǎng)操作，結(jié)合PLC控制技術(shù)，將可視化內(nèi)容實物化，虛實結(jié)合，真正實現(xiàn)上手操作。

教育內(nèi)容凸顯網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化特點，教育形式凸顯網(wǎng)格化、立體化、多維度特征[2-3]。強化實踐環(huán)節(jié)，探索和推行面向企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的任務(wù)式培養(yǎng)模式，形成從研發(fā)、轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)到管理的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機(jī)制。

5 結(jié) 語

實驗室依靠人工完成數(shù)據(jù)采集、報送，存在人為影響，隨意性較強，不利于學(xué)生的GMP意識的培養(yǎng)；仿真和VR可以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維和工程全局思考的能力，但又過于務(wù)虛，因此依靠PLC自動控制技術(shù)和實驗室信息管理系統(tǒng)將線上的課程、仿真、VR教育與高校的實訓(xùn)中心結(jié)合起來，建立現(xiàn)代化的教育和科研活動平臺是應(yīng)用型本科教育的重要思路。在創(chuàng)新人才培養(yǎng)的過程中，要把學(xué)生放在中心位置，注重課內(nèi)與課外相結(jié)合，加強創(chuàng)新性實踐環(huán)節(jié)，建立創(chuàng)新性人才培養(yǎng)基地、對學(xué)生進(jìn)行基本實驗技能的培養(yǎng)，積極組織參加各種實驗競賽，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生自主發(fā)展的能力。將實驗教學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計、工程訓(xùn)練三者融合在一起，培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型人才[4,22-23]。

制藥工程專業(yè)建設(shè)要體現(xiàn)培育專業(yè)優(yōu)勢和特色，這是本專業(yè)立足之本，也是培養(yǎng)的人才被社會認(rèn)可的關(guān)鍵。因此在建設(shè)中，我學(xué)院從自身的辦學(xué)定位出發(fā)，根據(jù)具體情況制定了專業(yè)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)，建設(shè)了PLC遠(yuǎn)程控制的中藥提取中試實訓(xùn)中心，并將實驗項目進(jìn)行仿真和交互式VR創(chuàng)新實驗等線上教育資源整合，實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)的虛實結(jié)合，優(yōu)化人才培養(yǎng)模式，逐步培育出自身的學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)特色，為培養(yǎng)出專業(yè)的高層次應(yīng)用技術(shù)人才奠定堅實的教育教學(xué)條件。