虛擬仿真技術(shù)在藥劑學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院 莫鳳珍 黃建春 黃興振 孔曉龍

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論知識(shí)的提升，通過實(shí)踐，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高動(dòng)手和實(shí)踐操作能力，激發(fā)對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量是目前教學(xué)中關(guān)注的重點(diǎn)問題，教育部提出開展“國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的認(rèn)定工作，要求高校要高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息化的深度融合，大力加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，支持鼓勵(lì)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享。要進(jìn)一步完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理共享平臺(tái)，優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理體系，提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍教學(xué)和管理能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化和支持服務(wù)信息化水平。近年來，教育部批準(zhǔn)多個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和教學(xué)項(xiàng)目，因此，虛擬仿真教學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中越來越重要。

一、藥劑學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前存在的問題

藥學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)和藥學(xué)相關(guān)事業(yè)發(fā)展需要的，德、智、體、美全面發(fā)展，掌握藥品生產(chǎn)、藥品質(zhì)量分析檢驗(yàn)、藥品使用、醫(yī)藥企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理等方面的基本理論知識(shí)和專業(yè)技能，具有良好的職業(yè)道德、人文素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，也能夠在藥品檢驗(yàn)監(jiān)督部門從事藥品檢驗(yàn)監(jiān)督管理，在藥物研究機(jī)構(gòu)、醫(yī)藥院校從事醫(yī)藥科研助理、教學(xué)輔助等工作的高等技術(shù)應(yīng)用型藥學(xué)專門人才。因此，培養(yǎng)應(yīng)用型人才是教育教學(xué)的目標(biāo)。藥劑學(xué)是藥品研制與臨床使用的紐帶，是理論聯(lián)系實(shí)際的一門綜合性學(xué)科，需要通過實(shí)踐掌握藥品生產(chǎn)的流程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、邏輯思維的重要環(huán)節(jié)。因此，藥劑學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分三個(gè)模塊：液體制劑（混懸劑、乳劑的制備，注射劑的制備）、半固體制劑（軟膏劑、栓劑的制備）、固體制劑（散劑、顆粒劑和片劑的制備）。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要是學(xué)生根據(jù)進(jìn)度表提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、注意事項(xiàng)，針對(duì)儀器操作和重要步驟，邊講解邊演示。之后學(xué)生2—3 人分組進(jìn)行操作，學(xué)生在操作過程中遇到問題向教師反饋。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師進(jìn)行總結(jié)，主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分?jǐn)?shù)作為最后的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在一些問題，一是學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)教材和教師講解的內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)，循規(guī)蹈矩，有部分同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不了解，缺乏思考和質(zhì)疑。二是有部分實(shí)驗(yàn)如注射劑的制備、片劑的制備，需要的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效率下降。三是有些實(shí)驗(yàn)在操作過程中用到有毒試劑，存在安全隱患，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能順利實(shí)施，如脂質(zhì)體的制備、微囊的制備，不利于學(xué)生對(duì)新技術(shù)與新劑型知識(shí)的理解。四是現(xiàn)有儀器設(shè)備和場(chǎng)地的局限性，如注射劑的制備和片劑的制備，學(xué)生不能到GMP 車間操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能在規(guī)定的條件進(jìn)行，只能在車間外面參觀機(jī)器設(shè)備，對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)只停留在表面，理論與實(shí)際不能很好結(jié)合，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，影響了教學(xué)的效果。所以要提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，需要對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方式進(jìn)行改革，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段打破實(shí)驗(yàn)條件的局限。

二、藥劑學(xué)虛擬仿真教學(xué)的意義

隨著科技的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，是科研技術(shù)發(fā)展的一個(gè)偉大里程碑。虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)在今天的課堂已經(jīng)開始使用，并大規(guī)模推廣。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)，教育技術(shù)與教學(xué)設(shè)計(jì)的深度融合則可以提升教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（又稱VR）等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。自教育部開展國(guó)家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的評(píng)審以來，國(guó)內(nèi)高校陸續(xù)開展了多種模式的虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)項(xiàng)目。2018 年，教育部開始評(píng)審國(guó)家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以項(xiàng)目為導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)落地課堂教學(xué)，虛擬仿真技術(shù)越來越多地用于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。

藥劑學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）不受時(shí)間的約束，針對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，通過虛擬仿真技術(shù)的模擬，可以縮短時(shí)間，而且學(xué)生可以自己在課余時(shí)間完成，如片劑的制備和注射劑的制備。（2）減少有毒試劑的使用，可以設(shè)計(jì)實(shí)際不能開展的實(shí)驗(yàn)，拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性，如脂質(zhì)體的制備。（3）不受場(chǎng)地的限制，可以開展GMP 仿真教學(xué)，讓學(xué)生體驗(yàn)制劑生產(chǎn)的質(zhì)量管理要求，建立逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使枯燥難懂的實(shí)驗(yàn)變得形象化，易于理解。（4）不受儀器缺乏的限制，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)沒有用到儀器，可以避免因儀器受限帶來的影響，還可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備和高值耗材的損耗。總之，虛擬仿真教學(xué)可以設(shè)計(jì)和開展更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不足，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也豐富了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)手段，以虛擬教學(xué)為補(bǔ)充，虛實(shí)結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

三、虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用

基于藥劑學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)的不足以及虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，目前，我院采用虛擬仿真與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的模式，建立部分項(xiàng)目虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，購(gòu)進(jìn)南京藥育智能虛擬仿真平臺(tái)，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。下面以口服固體制劑片劑的制備為例，介紹虛擬仿真教學(xué)的具體實(shí)施。

（一）虛擬仿真教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)

片劑的制備工藝流程包括物料領(lǐng)取、稱量、粉碎、過篩、混合、制粒、干燥等一系列操作步驟，虛擬崗位根據(jù)步驟進(jìn)行設(shè)置，分別為稱量崗位、粉碎過篩崗位、混合崗位、制粒干燥崗位（擠壓制粒、流化床制粒、一步制粒）、整粒崗位、壓片崗位、包裝崗位。虛擬仿真平臺(tái)3D 仿真環(huán)境設(shè)置了片劑制備的整個(gè)場(chǎng)景，學(xué)生按照制備工藝流程依次獨(dú)立完成操作內(nèi)容，了解每個(gè)崗位的操作流程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有練習(xí)模式和考核模式，練習(xí)模式有提示功能，考核模式則沒有提示。

（二）虛擬仿真教學(xué)崗位任務(wù)的設(shè)置

各個(gè)崗位都有各自的崗位要求和相應(yīng)的任務(wù)，每個(gè)崗位都有知識(shí)點(diǎn)介紹、崗位操作規(guī)程、學(xué)習(xí)視頻。學(xué)生可以先觀看視頻，了解虛擬的實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)和儀器使用操作規(guī)程。進(jìn)入一個(gè)崗位后主要有生產(chǎn)前檢查、生產(chǎn)工作內(nèi)容以及完成后的清場(chǎng)工作，在操作過程中領(lǐng)取文件，填寫生產(chǎn)記錄，體驗(yàn)藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）車間生產(chǎn)的要求。片劑的制備各崗位的虛擬仿真運(yùn)用機(jī)器進(jìn)行操作，與實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)片劑接近。因?qū)嶒?yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)室中沒有流化床制粒機(jī)和一步制粒機(jī)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，流化床制粒、一步制粒機(jī)等大型設(shè)備以三維立體的形象展現(xiàn)在學(xué)生面前，進(jìn)一步加深對(duì)片劑生產(chǎn)工藝的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化了GMP 的操作，如生產(chǎn)前檢查以及填寫生產(chǎn)前記錄、清場(chǎng)工作以及填寫崗位清場(chǎng)記錄，讓同學(xué)們意識(shí)到GMP 的要求。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課效果的評(píng)價(jià)

利用虛擬仿真項(xiàng)目的考核模塊，通過考核來檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)虛擬仿真內(nèi)容的掌握程度。教師在系統(tǒng)上組卷出題，可以設(shè)置文字題和仿真題。學(xué)生在練習(xí)模塊以第一視角獨(dú)立完成每一個(gè)任務(wù)，之后進(jìn)行考核，考核的內(nèi)容與練習(xí)模塊的崗位一致，但是沒有提示內(nèi)容，學(xué)生完成考核內(nèi)容后可以查閱操作記錄，顯示操作錯(cuò)誤的地方，最后提交試卷。系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)，在教師端可以查閱分?jǐn)?shù)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的操作記錄可以迅速得到反饋信息，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解以及操作要求的熟知，也激發(fā)學(xué)生對(duì)虛擬仿真教學(xué)的興趣。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能幫助學(xué)生理解和驗(yàn)證藥劑學(xué)的基本理論，虛擬仿真教學(xué)能彌補(bǔ)儀器場(chǎng)地等資源的不足，不僅增加了教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富了學(xué)生藥劑學(xué)知識(shí)體系，還提高了實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)以及降低了實(shí)驗(yàn)成本。在開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，可以增加設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及創(chuàng)新意識(shí)。