制藥工程專業虛擬仿真實驗室的建設探討

錢建瑛+蔣敏+史勁松

摘 要：本文分析了虛擬仿真實驗室的應用背景和優勢，針對藥學實踐教學領域介紹了江南大學藥學院虛擬仿真實驗室的建設情況及特色，提出虛擬仿真實驗室作為傳統實驗室教學的補充，將發揮越來越重要的作用，對理工科實踐教學具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：虛擬仿真實驗室；制藥工程專業；實踐教學

一、研究背景

自2013年教育部頒布《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（高教司函[2013]94號）以來，全國各高校掀起了建設虛擬仿真實驗室的熱潮。虛擬實驗室（Virtually laboratory）最早于1989年在美國弗吉尼亞大學由威廉·沃爾夫教授提出。最初的虛擬仿真實驗室基于計算機網絡的虛擬實驗環境，現在的虛擬仿真實驗室是借助于圖形圖像、仿真和虛擬現實操作流程等技術，在計算機上所營造的可輔助或部分代替，甚至全部代替傳統實驗各個操作環節的相關軟硬件環境。虛擬仿真實驗室這一新型教育手段的出現原本是作為傳統實驗的輔助，然而隨著現代化通信和網絡技術的發展，虛擬實驗的內容越來越豐富，虛擬仿真實驗室不僅可以模擬實驗現象、操作流程，讓學生身臨其境地操作，還能形象地展示原本無法觸及的實驗原理、設備構造等，在培養學生學習興趣的同時，降低了學生掌握相關內容的難度，革新了實驗教學的思想和理念。

在藥學實踐教學領域，虛擬仿真實驗室的建設尤為重要。隨著制藥技術的快速發展，藥物制備的方法、劑型越來越多，生產過程對設備控制要求越來越高，而進入藥廠進行實際動手操作的機會越來越少，本科生藥廠實習往往淪為生產部門走馬觀花式的“一日游”；另一方面，藥廠對畢業生的動手能力要求越來越高。因此，僅靠傳統的實驗設備和教學方法，已經無法滿足人才培養的需要。虛擬仿真實驗教學依托專業軟件、多媒體技術和數據庫技術，能將實際的藥廠設備對象“放大”或“縮小”，將難以觀察的設備內部結構可視化，將高成本、高危環境的實驗、實訓項目常規化，通過與現有大型設備、實驗儀器的結合，起到相互補充、相互促進的效果。

二、虛擬仿真實驗室的優勢

虛擬仿真實驗室的優勢主要體現在以下幾個方面。

1.實驗過程更安全

以藥物合成中試實驗為例，合成反應釜一般工作壓力超過10Mpa，反應溫度大多處于150℃～250℃，釜體外部溫度也極高。作為實驗教學內容，讓學生操作既不安全也不現實，因此需在虛擬仿真環境下，突破實驗條件的制約，開展實驗教學。

將傳統的反應裝置改為程序控制的軟件系統，在計算機上開展虛擬仿真教學，從投料、溫度、壓力、攪拌速度等反應的設定，到排氣、出料、冷卻水的循環使用等參數，都能通過軟件模擬進行，并能直觀地看到各個條件下的運行狀態，通過軟件計算出產量、能耗等數據。

2.實驗消耗更節約

以生物制藥用的發酵罐為例，中試級別耗費原料達到噸級以上，并且每批次生產周期長達數周，實驗成本巨大。該類實驗通過虛實結合，采用小型仿真設備的操作，結合計算機模擬中試生產，可以大大節約成本，即便學生操作失誤，也可以重復進行，不必擔心實驗消耗的問題。

3.教學內容更直觀

如制藥工程與設備類課程，需要教會學生了解制藥設備的作用，掌握其中零部件的構造。由于形體復雜，有些零部件內部結構之間存在觀察盲區。通過創建仿真模型庫，對復雜零部件任意位置、任意角度剖切，能幫助學生全面把握復雜零部件內部結構特征，從而更容易掌握生產原理。

4.學習興趣更濃厚

如藥廠與車間設計類課程，傳統的教學采用課堂教學和機房CAD制圖的形式，學生對于藥廠車間布局、物料流通、空氣裝置等核心因素沒有直觀的感受。通過仿真模型裝配與實體拆裝相結合，可以提高學生的學習興趣，加深其對藥學工業設計的整體認知，深化對專業知識的理解。

三、江南大學制藥工程專業虛擬仿真實驗室的特色

江南大學藥學院所建設的制藥工程專業虛擬仿真實驗室，開設有虛擬仿真實驗項目，涉及模型演示藥廠布局，結合3D動畫演示，解析從原料藥合成到制劑產品出廠的每一操作過程。學生通過完成虛擬仿真實驗項目，加深了對相關課程的理解。在計算機虛擬實驗之后，學生再到藥廠實習，大大提高了實習效果，降低了辦學成本。

制藥工程專業仿真展示中心全面建設完成后，可以成為江蘇省公開化制藥工程專業仿真展示中心：在實驗教學方面，加速藥學院大一、大二學生對藥物生產過程的理解，使學生在接觸藥學專業課之前建立藥物的概念，提升藥學專業課程的教學效果；社會公益方面，定期組織高中生、初中生參觀仿真展示藥物生產中心，激發學生對藥學專業的興趣、熱情，擴大江蘇省藥學專業人才儲備，保持江蘇省制藥工業的先進性。

制藥工程專業教學內容貫穿了藥品研發—實驗室制備—藥理毒理—注冊申報—生產—質量檢查的全流程，在制藥工程專業虛擬仿真實驗室建立前，已經成功建設了江南大學制藥工程實踐教育中心。這些條件決定了虛擬仿真實驗教學中心具有以下特色。

1.實驗項目虛實結合，相互倚重

針對藥物合成中試生產等高危險、高消耗的實驗項目，虛擬仿真實驗中心重點建設，而且相應項目需要經過實際實驗驗證，保證了虛擬仿真項目的真實性；對于大型設備或綜合型實訓項目，則用開發的虛擬實驗項目進行補充。

2.理論教學與虛擬實驗相輔相承

制藥工程各專業中有些課程理論教學難以達到直觀明了的教學目的，如藥廠與車間設計。通過典型車間、設備、物料管線的模型配制，結合傳統的CAD制圖，學生將所學理論知識融合到仿真實例中，并與藥廠的實際建設情況對比，可驗證所學理論，使理論知識學以致用。

3.實驗項目貫穿藥物生產全流程，為專業教學提供支撐

制藥工程專業仿真展示中心設置了藥物合成、制劑、藥廠與車間設計三個模塊，各實驗系統以實際的生產線、設備及藥廠場景為模擬對象，具有很強的工程性、情景性與互動性，不同理論課及實驗課方向可選取所需模塊的虛擬實驗項目開展教學，充分考慮了專業共享，有助于提升教學質量。

4.培養工程人才，適應企業需要

在制藥工程專業仿真展示中心，學生可以直觀地學習和感受到藥品生產企業的實景情境，通過仿真設備的學習和操作，大大提高實際動手能力，為進藥廠實習打好基礎。

實驗教學是各學科，尤其是理工科教學的一個重要組成部分，對于保證教學質量、培養學生動手能力和創新能力具有重要意義，實驗教學甚至決定了理工科教學效果的優劣。江南大學藥學院通過建設制藥工程專業的虛擬仿真實驗室，大大提高了學生實驗的主動性和積極性，打破了現有的實驗教學模式的限制，更有助于提高學生的發散思維能力和創新能力。隨著虛擬仿真實驗室數據庫和模型庫的不斷充實，這種教學模式將在教學中發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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