制藥工程專業虛擬仿真實驗教學資源建設研究＊

李璇

（江蘇省徐州醫藥高等職業學校實訓中心，江蘇 徐州221008）

實驗教學是職業院校培養技能型和創新型人才的重要途徑[1-2]。目前國內已有200余所職業院校開設制藥工程專業，由于該專業實驗成本高、實驗耗時長等原因，針對其實驗教學資源的建設仍在探索之中，現階段的授課方式普遍依托理論教學，學生難以在短時間內對制藥設備的結構特征形成感觀認知，更難以掌握復雜的制藥工藝流程、制藥設備操作方式與故障維修方法[3-4]。因此，如何構建實驗教學資源，進而提升實驗教學質量和水平，成為當前制藥工程專業建設和發展過程中亟待解決的問題。

隨著信息技術的廣泛應用，云計算、互聯網+、大數據等現代信息技術為職業院校提供了全新的實驗教學手段[5]。基于現代教育技術的虛擬仿真實驗資源已成為“互聯網+”背景下實驗教學的重要組成部分，可以在制藥工程專業實踐教學中發揮重要作用。本研究擬針對制藥工程實體實驗存在的問題，探索虛擬仿真資源的內容體系、建設方法和管理機制，為虛擬仿真技術在制藥行業的推廣應用提供參考。

1 實體實驗存在的問題

江蘇省徐州醫藥高等職業學校致力于培養具有較強實踐能力的制藥工程技能型人才。依托書本授課等理論教學方式，學生難以快速掌握制藥設備結構原理及制藥工藝流程，而通過實體制藥設備進行實驗（實訓）教學則存在以下問題。

1.1 實體實驗成本高昂

制藥工程實體實驗設備價格高昂，且適用于職業院校實踐教學的制藥設備須成套購置，一般由粉碎機、切片機、炒藥機、煎藥機、壓片機、制丸機、膠囊灌裝機等二十余種制藥設備組成，其價格近千萬元，同時，其制藥耗材和設備保養的費用也價格不菲[6]。而通過虛擬仿真資源開展實驗，可以減少實體設備及相應耗材的購買數量，后期僅需進行軟件升級、維護即可，可顯著減輕制藥工程實驗設備購置的經濟負擔。

1.2 實體實驗教學效率低

以江蘇省徐州醫藥高等職業學校制藥工程專業課程體系中的壓片機操作實驗為例，該實驗時長為3個學時，而受限于實驗設備的數量及實驗場地的空間，每次參加實驗的學生僅為6名，整班同學均參與一遍該實驗的時長就已超過20學時，實驗教學效率很低。而通過虛擬仿真實驗資源，學生可以在軟件中進行自主學習、自主訓練和自我考評，考評通過方能進行實體實驗。待到上機真實操作時，教師無需重復講解實體設備的操作流程和注意事項，只需指導學生參照虛擬仿真資源的教學步驟進行實驗，教學效率顯著提高。

1.3 實體實驗教學效果不佳

考慮到實體實驗的材料成本，學生即使有上機操作的機會，但操作時長往往較短，無法保證所制作樣品的良品率，且出于實驗安全方面的考慮，學生實驗過程中制作的藥品往往品類固定且制藥流程較為簡單，無法實現對學生制藥技能的全方位訓練，教學效果不佳。而通過虛擬仿真技術，可以讓學生針對多類型藥品的制藥工藝流程進行反復訓練，較之傳統實驗教學方法優勢明顯。

2 建設內容

2.1 構建“四位一體”虛擬仿真教學資源體系

本研究立足制藥工程領域，采用數字虛擬仿真、VR全景展現、人機交互等先進的教育信息化技術，以“制藥工程教學資源”為中心，構建“制藥工藝流程仿真”“制藥設備操作仿真”“制藥設備拆裝仿真”“制藥設備檢修仿真”4個方面的虛擬仿真教學資源，每個教學資源涵蓋若干實驗項目，形成“四位一體”的實驗教學體系，如圖1所示。在資源建設過程中，開發團隊以學校為建設主體，積極利用了企業的技術實力和服務支撐能力，系統建設與整合了制藥工程專業“互聯網+”虛擬仿真實驗教學項目，建設了虛擬仿真軟件資源、虛擬仿真硬件資源和虛擬仿真遠程控制資源等優質教學資源。

圖1 虛擬仿真教學資源體系

2.2 搭建“三級聯動”的虛擬仿真實驗共享平臺

依托江蘇省徐州醫藥高等職業學校國家級職業教育實訓基地，對現有的異構信息平臺和虛擬仿真實驗教學項目加以整合和數據接入。依次建立制藥工程專業實驗教學、實踐培訓和科研服務虛擬仿真平臺，如圖2所示。3個平臺功能聯動、資源共享，形成一體化相互推動關系，實現實驗、實踐和科研的有機融合。同時，在門戶網站基礎上，優化平臺技術體系，建立統一的虛擬仿真實驗教學資源開發標準和平臺接口規范，實現管理平臺和實驗項目的無縫對接與互相支撐。同時，在虛擬仿真平臺門戶網站的基礎上，優化了平臺技術體系，建立了統一的大規模在線開放共享虛擬仿真實驗技術標準、虛擬仿真實驗開發要求、虛擬仿真實驗管理信息標準等，確保了虛擬仿真實驗教學資源、軟硬件資源等各方面內容的標準化和規范化，實現了管理平臺和實驗項目的無縫對接與互相支撐[7]。

圖2 虛擬仿真實驗共享平臺

2.3 探索基于“互聯網+”的在線共享網絡架構

本研究以Unity 3D為虛擬仿真資源開發平臺，SQL Server為后臺數據庫系統，采用Tomcat服務器對外提供Web服務及接口，同時基于B/S架構（瀏覽器/數據庫）將所研發的虛擬仿真教學資源架設在高性能服務器中[8]。學生在參與實驗時，不用下載傳統的實驗教學客戶端，直接使用火狐瀏覽器、谷歌瀏覽器等即可在線訪問虛擬仿真實驗云資源。在線共享網絡架構圖如圖3所示。

圖3 在線共享網絡架構圖

2.4 建立“優化再生、持續提升”的管理體系

資源建設團隊搭建了科學的績效評價體系和完善的服務支撐體系，引入市場力量探索實驗項目運行模式，促進實驗教學資源優化再生和持續提升。依托所建設的虛擬仿真實驗教學平臺，對在線開放的“互聯網+”虛擬仿真實驗教學項目實施星級動態評價制度，并考慮有償使用原則，最終建立“互補互利、成本均攤、服務有償、收益共享”的運行模式[9]。在主管部門的指導下，采取“統一管理、統籌規劃、資源共享、有效利用”的管理模式，實現制藥工程專業虛擬仿真實驗教學資源的日常管理。運行與管理機制架構如圖4所示。

圖4 運行與管理機制架構圖

3 建設成效

江蘇省徐州醫藥高等職業學校已對虛擬仿真實驗教學資源建設進行了深入探索，聯合南京藥育、北京歐倍爾等軟件公司開發相關三維模型、視頻等教學資源近1 TB，研發虛擬仿真實驗教學資源共計6套，建設虛擬仿真實驗網絡共享平臺1個。基于以上教學資源開展實驗，學生的實際動手能力以及解決工程實際問題的能力顯著提升，近兩年，學生獲省市級以上技能大賽獎項20余項、獲江蘇省“互聯網+”大學生創新創業大賽等獎項10余項。

限于篇幅，本文僅將部分虛擬仿真實驗教學軟件資源簡述如下。

3.1 制藥設備與生產環境虛擬仿真教學資源

制藥設備與生產環境虛擬仿真教學資源，以現代藥廠布局為參照，以2015版GMP為標準，采用Unity 3D技術對現代制藥工廠、固體制劑的生產環境和生產工藝進行仿真模擬，如圖5所示，包含了中藥恒溫提取和雙效濃縮，片劑、顆粒劑等劑型，同時設計了生產輔助單元，例如純化水制備、中控檢測系統、空壓系統的3D仿真模擬，實現了工廠仿真實訓的輔助教學功能。設計了系統的知識點模塊，包含有豐富的教學素材，借助文字、圖片、三維模型等形式，對藥品生產質量管理規范等相關知識進行講解。

圖5 制藥設備與生產環境虛擬仿真實驗資源交互界面

3.2 固體制劑虛擬仿真實驗教學資源

固體制劑生產實訓虛擬仿真實驗教學課程將虛擬仿真技術納入到現有的實踐教學課程內容中，如圖6所示。實驗內容圍繞藥廠固體制劑（片劑和膠囊劑）“一頭兩尾”的不同工藝生產為主線，構建或囊括了片劑和膠囊劑一頭的主工藝，兩尾的不同分流工藝生產全過程的一體化生產體系和不同工藝生產的工程設計理念。仿真教學內容分別從制藥工程專業各學科課程的不同角度展現或模擬了藥品生產全生命周期的運營過程和管理維護機制。

圖6 固體制劑虛擬仿真實驗教學資源交互界面

3.3 現代中藥制藥過程虛擬仿真實驗教學資源

現代中藥制藥過程虛擬仿真實驗教學資源以甘草水提濃縮干燥制粒過程為研究對象，通過實際工業數據的研究，結合過程理論的優化，構建了符合工業生產過程的工藝仿真數學模型，將其導入本仿真模擬實訓軟件中，力求使實訓軟件相關數據貼近實際工業過程數據，使學生能夠在較短的時間內就體驗到龐雜的中藥工業生產過程，如圖7所示。根據實際工業生產流程，本仿真項目共包括中藥水提、水提液濃縮、乙醇溶媒回收、粉碎、干燥、整粒以及總混7個模擬車間，在知識點上實現從現代中藥制劑前工藝流程到現代制劑工藝全面覆蓋。本仿真資源既可以作為中藥相關專業的實訓軟件，也可以作為藥學相關領域的實訓參考平臺。

圖7 現代中藥制藥過程虛擬仿真實驗教學資源交互界面

4 結語

面向職業教育領域的制藥工程專業實驗教學資源相對匱乏，且傳統實體實驗教學設備教學成本高、教學效率低差、無法滿足“互聯網+”時代實驗教學的需求。江蘇省徐州醫藥高等職業學校基于Unity 3D技術研發出制藥設備操作、拆裝、檢修、工藝流程等虛擬仿真實驗教學資源，形成了“四位一體”的教學資源體系及“三級聯動”的教學資源平臺，實現了制藥工程專業在線式虛擬仿真教學資源的深度開發。進一步推進了現代信息技術融入實驗教學，拓展了實驗教學的廣度和深度，延伸了實驗教學的時間和空間，對解決目前制藥工程專業傳統實驗教學存在的弊端具有一定意義，并可為相關高校虛擬仿真實驗教學資源的建設與共享提供參考。