制藥工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)可行性分析

趙穎娟，劉 夢(mèng)，馮祖飛

（西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

2020年，教育部頒布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2020年版）》，制藥工程專業(yè)為工學(xué)門類專業(yè)，屬化工與制藥類專業(yè)，本專業(yè)要求學(xué)生掌握化學(xué)、藥學(xué)、制藥工程和化學(xué)工藝等方面的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)，掌握藥物合成，有機(jī)精細(xì)化學(xué)品的基本合成、改性和配方的基本原理和基本技能，其專業(yè)建設(shè)目標(biāo)是培養(yǎng)能夠在制藥及相關(guān)領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝與工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織、管理與服務(wù)等工作的高素質(zhì)專門人才[1]。在教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，工科類專業(yè)應(yīng)擁有一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)室中試規(guī)?；蛐⌒凸I(yè)化設(shè)備，而制藥工程專業(yè)涉及化學(xué)制藥、生物制藥、中藥制藥等不同方面，實(shí)驗(yàn)課程包含化學(xué)類、藥學(xué)類、生物類、工程類等學(xué)科跨度較大的門類，建設(shè)涵蓋全面且課時(shí)量大的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程難度較大。

近年來(lái)不斷發(fā)展的虛擬仿真技術(shù)為制藥工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)打開了新思路。虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，在該環(huán)境下，用戶通過(guò)三維動(dòng)態(tài)視覺效果可以感受到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[2]。借由強(qiáng)大的人機(jī)交互、模擬仿真技術(shù)，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。隨著近年來(lái)不斷推進(jìn)的教學(xué)改革工作的進(jìn)行，很多高校不同專業(yè)都建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也推動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建立，這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)為制藥工程專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)提供了指導(dǎo)，也為其完整搭建虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)提供了參考。

1 制藥工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程困境

工程類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一是使學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)并解決工程實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題，這就要求在培養(yǎng)階段有意識(shí)地加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，與此對(duì)應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)便成為舉足輕重的一部分。而實(shí)際教學(xué)活動(dòng)的開展往往面臨著各種制約條件，在一定程度上影響制藥工程專業(yè)人才培養(yǎng)。

1）教學(xué)時(shí)長(zhǎng)。隨著新教改的實(shí)施，制藥工程本科教學(xué)要求學(xué)生所修學(xué)分為170～180，其中實(shí)踐環(huán)節(jié)占據(jù)30～40學(xué)分。工科專業(yè)培養(yǎng)中的工程訓(xùn)練及畢業(yè)設(shè)計(jì)占據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)中較大的一部分，同時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)流程復(fù)雜，需要占據(jù)較長(zhǎng)的教學(xué)時(shí)間，致使在培養(yǎng)計(jì)劃制定過(guò)程中必須對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行選擇，實(shí)際開課很難實(shí)現(xiàn)全面的、深入的實(shí)踐教學(xué)需求。

2）教學(xué)成本。制藥工程所涉及的專業(yè)實(shí)驗(yàn)跨越化學(xué)、生物、化工等學(xué)科。生物制藥方面以疫苗或抗體的生產(chǎn)為例，其實(shí)驗(yàn)耗材價(jià)格昂貴（如細(xì)胞、試劑盒等），且實(shí)驗(yàn)原料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存往往需要嚴(yán)苛的條件（如冷鏈運(yùn)輸、液氮保存等）。這些都在無(wú)形中加大了教學(xué)成本。而化工方面，需要用到很多精密的大型儀器設(shè)備，如果同時(shí)開設(shè)生物發(fā)酵類藥品（胰島素等）、化學(xué)合成藥品（阿司匹林等）和中藥提取類藥品（青蒿素等）工業(yè)化小試實(shí)驗(yàn)，需要大量不同類別的儀器設(shè)備。盡管各個(gè)高校都加大了對(duì)本科教學(xué)的資金投入，但單獨(dú)一個(gè)專業(yè)往往無(wú)法獲得大量資金以購(gòu)買和維護(hù)這些儀器設(shè)備。

3）教學(xué)場(chǎng)地。工程類專業(yè)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，制藥工程專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)中要求學(xué)生畢業(yè)后能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜制藥工程問(wèn)題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程。而制藥工藝流程設(shè)計(jì)、制藥車間布局的能力需要學(xué)生在類似工廠化的環(huán)境中學(xué)習(xí)。很多制藥專業(yè)在校內(nèi)設(shè)有中試車間，但這些車間的規(guī)模受場(chǎng)地限制往往與實(shí)際的工廠差距較大，學(xué)生也無(wú)法在其中體會(huì)全套的藥品生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)管流程，這使得學(xué)生在校期間的實(shí)習(xí)教學(xué)收效不及預(yù)期。

2 國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用分析

2017 年，教育部辦公廳印發(fā)了《2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》[3]，根據(jù)通知內(nèi)容，截至2020年，已陸續(xù)認(rèn)定了近千項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。同時(shí)，隨著兩批國(guó)家一流課程建設(shè)評(píng)審，已有很多高校在不同領(lǐng)域建立了高水平的虛擬仿真教學(xué)，在第一批國(guó)家級(jí)一流本科課程評(píng)審中，有728門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程被認(rèn)定為一流課程。根據(jù)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)（www.ilab-x.com）所展示的課程數(shù)據(jù)顯示，截至2023年9月，在已經(jīng)認(rèn)定的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，化工與制藥類課程數(shù)為134門，其中，國(guó)家一流課程31門，省級(jí)一流課程50門。這些課程涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有青霉素工業(yè)化生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)（天津商業(yè)大學(xué)）、阿司匹林全流程虛擬仿真生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)（杭州師范大學(xué)）、中藥有效成分工業(yè)化提取仿真實(shí)驗(yàn)（吉首大學(xué)）等涵蓋了生物制藥、化學(xué)制藥和中藥制藥不同學(xué)科方向。較為全面地為制藥工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)創(chuàng)建了基礎(chǔ)。

其次，在生物科學(xué)類所涉及的109門課程中，有部分國(guó)家一流課程，如四川大學(xué)“23價(jià)肺炎球菌多糖疫苗GMP 生產(chǎn)制備實(shí)驗(yàn)”，廈門大學(xué)“鼻噴流感病毒載體新冠疫苗設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)”，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)“單克隆抗體制備及應(yīng)用”等同樣適用于制藥工程專業(yè)學(xué)生?？梢匝a(bǔ)足教學(xué)過(guò)程中由于教學(xué)時(shí)長(zhǎng)、場(chǎng)地條件或?qū)嶒?yàn)設(shè)備等限制而不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

目前，在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)中，教師可以以學(xué)生身份加入所選實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)對(duì)平臺(tái)上相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，教師可從中篩選適用于自己課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建立針對(duì)課程內(nèi)容的線上實(shí)驗(yàn)。隨著虛擬仿真類一流課程教學(xué)系統(tǒng)的易用性和開放性不斷提升，不同高校虛擬仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)跨校引用，這使得目前還沒(méi)有建成虛擬仿真平臺(tái)的學(xué)校/專業(yè)也可以通過(guò)引入其他高校的課程帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)。虛擬仿真教學(xué)資源的共享使得高校教育更加開放，能夠促進(jìn)高等教育的進(jìn)步，也可以避免大量同質(zhì)化課程的重復(fù)建設(shè)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

國(guó)家虛擬仿真示范項(xiàng)目及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)的建設(shè)，推動(dòng)了高校教學(xué)改革，使得高?？梢栽趥鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推動(dòng)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)及線上線下混合式教學(xué)模式，也使得不同高校的教學(xué)更加個(gè)性化，不僅延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，也拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度[4]。但與此同時(shí)，隨著虛擬仿真教學(xué)使用的人數(shù)逐漸增多，也暴露出了一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐應(yīng)用中的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)在線虛擬仿真課程的體驗(yàn)，其推動(dòng)方式多為視頻化模塊方式，課程軟件會(huì)在每個(gè)模塊中間出現(xiàn)需要學(xué)生設(shè)置的部分參數(shù)，如果學(xué)生沒(méi)有按照正確順序進(jìn)行操作，系統(tǒng)會(huì)判定并扣除當(dāng)前步驟分，操作者正確設(shè)置后繼續(xù)。在多數(shù)視頻中雖有實(shí)體化場(chǎng)景，但不同軟件公司制造的視頻清晰度和細(xì)節(jié)還原度有較大差異，部分視頻過(guò)于粗糙，且互動(dòng)性較差，僅以彈題選擇形式推動(dòng)流程，在操作流程上不能體現(xiàn)操作者主觀能動(dòng)性，VR 技術(shù)的強(qiáng)互動(dòng)性在目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)不足。

對(duì)于虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的由出勤率、預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果考核指標(biāo)已不再適用。部分課程采用了教師課前發(fā)布課程目標(biāo)和預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)閱讀文檔、觀看視頻等方式進(jìn)行預(yù)習(xí)，并通過(guò)在線試題檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。課中，教師設(shè)定生產(chǎn)任務(wù)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)操作方案，并實(shí)際操作，完成生產(chǎn)任務(wù)。課后，通過(guò)學(xué)生互評(píng)和教師綜合評(píng)價(jià)判斷學(xué)生學(xué)習(xí)效果。這種“課前—課中—課后”的三元評(píng)價(jià)體系比傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)更適于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，但以學(xué)生為中心，更合理和多元化的評(píng)價(jià)體系還有待完善。

通過(guò)對(duì)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)（www.ilab-x.com）所展示的制藥類相關(guān)課程的體驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分課程后續(xù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)維護(hù)較差，選擇課程后可能出現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)不能正常瀏覽或視頻加載異常等問(wèn)題，某些課程實(shí)驗(yàn)中途不能繼續(xù)推進(jìn)或成績(jī)不能記錄，極大地影響了選課學(xué)生的體驗(yàn)感。同時(shí)，虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)內(nèi)容更新方面比傳統(tǒng)課程更加復(fù)雜，需要更精細(xì)的設(shè)計(jì)和更大的投入。

4 高校特色化虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)建議

針對(duì)生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，有學(xué)者提出了五類建設(shè)內(nèi)容的建議[5]，包括：依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)及專業(yè)特色建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；結(jié)合高校培養(yǎng)目標(biāo)及地區(qū)特色，建設(shè)特色虛擬資源；針對(duì)高危、極端環(huán)境或高消耗、高難度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開展虛擬資源建設(shè)；與實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)應(yīng)用等結(jié)合的大型綜合訓(xùn)練類的虛擬資源建設(shè)。這樣的建設(shè)方向同樣適用于制藥工程專業(yè)，目前已建成的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大多發(fā)揮了該校本身的學(xué)科優(yōu)勢(shì)。四川大學(xué)以生物科學(xué)為背景建立了國(guó)家一流虛擬仿真課程“23價(jià)肺炎球菌多糖疫苗GMP 生產(chǎn)制備實(shí)驗(yàn)”；天津大學(xué)以化工學(xué)科為背景設(shè)計(jì)了“精餾綜合拓展3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”；針對(duì)一些流程復(fù)雜，耗時(shí)久的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，部分高校也成功開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如浙江大學(xué)建成的“G 蛋白偶聯(lián)受體FPR1全基因克隆、真核表達(dá)及功能測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)結(jié)合了生物信息學(xué)、分子生物學(xué)，細(xì)胞生物學(xué)及生物化學(xué)，是一個(gè)大跨度的高消耗、高難度綜合性實(shí)驗(yàn)。

同時(shí)，在目前高校的教育背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，根據(jù)實(shí)際需求建設(shè)新項(xiàng)目。復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)開設(shè)的“不明原因疾病暴發(fā)調(diào)查處置虛擬仿真課堂”，南京中醫(yī)藥大學(xué)生物醫(yī)學(xué)專業(yè)開設(shè)的“新冠病毒患者炎癥因子風(fēng)暴防治虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”及廈門大學(xué)生物科學(xué)專業(yè)開設(shè)的“鼻噴流感病毒載體新冠疫苗設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)”。分別從重大流行性疾病調(diào)查處置、臨床診斷處理和疫苗生產(chǎn)方面設(shè)計(jì)了適用于本專業(yè)的課程，實(shí)現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在未來(lái)的虛擬仿真課程平臺(tái)建設(shè)中還應(yīng)緊跟課程思政建設(shè)需求，在對(duì)工科類課程思政的建設(shè)中可以從科學(xué)精神、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、核心技術(shù)、社會(huì)倫理等5個(gè)方面的思政點(diǎn)出發(fā)[6]。如中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的原創(chuàng)性研究突破，從二氧化碳到淀粉分子的全合成，被認(rèn)為是影響世界的顛覆性技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，在不涉及專利技術(shù)的條件下，可將其中部分反應(yīng)設(shè)計(jì)為學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解我國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷。

5 結(jié)束語(yǔ)

在制藥工程實(shí)踐教學(xué)中，虛擬仿真可作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的補(bǔ)充，可以做到時(shí)間瞬時(shí)化、地域無(wú)界化。通過(guò)線上虛擬仿真教學(xué)，高?？梢栽诠?jié)約人力及時(shí)間成本下完成某些大型、高成本實(shí)踐教學(xué)。資源的開放性也使得高校之間可以通過(guò)線上虛擬仿真課堂交流互通。在制藥工程專業(yè)認(rèn)證中，學(xué)生的實(shí)踐能力為一項(xiàng)重要的考核目標(biāo)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用無(wú)疑將會(huì)為本專業(yè)人才培養(yǎng)提供更多的選擇性，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，提升了專業(yè)實(shí)踐教學(xué)水平。