高校制藥工程實訓中心的現代化建設探索

郭玲玲，于燕燕，樊冬麗，張 華，吳范宏

(上海應用技術大學，上海 201418)

國家高度重視新一代信息技術與教育的融合，教育部先后出臺了《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》、《教育信息化“十三五”規劃》、《教育信息化2.0行動計劃》等綱領性文件，各高校開展了深度的探索與實踐。上海堅持教育優先發展戰略，堅持“為了每一個學生的終身發展”理念，全面深化教育綜合改革；教育支撐創新發展新高地，對標上海建成具有全球影響力的科技創新中心等戰略任務，發揮協同創新人才培養優勢；努力實現人才、產業鏈、創新鏈，圍繞集成電路、人工智能、生物醫藥等關鍵領域，培養高水平創新人才；爭取到2035年實現更高水平、更高質量的教育現代化，建成與時代發展相適應、同具有世界影響力的社會主義現代化國際大都市相匹配的一流教育；縱向銜接、產教融合、育訓并重的現代職業教育體系更加完備，創造更多更好的實踐實訓和創業條件[1]。

制藥工程專業實訓實驗室是影響制藥工程專業教學效果的重要環節，需要突出本專業的特點，貼近生產實際，把制造技術、質量觀念、市場需求、生產安全與法律規范等內容聯系起來。我國明確教育現代化、產業化，制藥行業的特殊性要求GMP管控，因此現代化的實訓中心建設才是未來的實驗室發展方向。在這種大趨勢下，各高校紛紛發展了新建仿真和VR實驗室，使學生可以在線上進行線上操作[15]。經過幾屆學生的培養，獲得了一些經驗，即單純的務虛并不可靠，實踐是基石，虛實結合才是王道，沒有實操永遠只是過眼云煙。因此將VR與實操聯系起來的全面型現代化制藥工程專業實訓中心是未來教學發展的關鍵節點。

1 現 狀

工程介于科學與社會之間，存在于科學、藝術與社會的交界。工程是具有社會性、創造性、綜合性、道德制約性、開放性等特點。工程教育是培養工程人才的社會活動。工程教育具有實踐性、復合性、倫理性、全球性等特點。工程教育應強調工程實踐能力的培養[2]。

為了最大限度的避免藥品生產過程中的污染和交叉污染，降低各種差錯的產生，提高藥品質量，因此藥品生產要嚴格遵守《藥品生產和質量管理規范》(Good Manufature practice,GMP)，相比其他學科，制藥生產工程要求更加嚴格。隨著更多的外國制藥企業進入中國市場，并帶來有關質量控制、生產流程和項目管理知識以及先進的技術等。國內高校擁有中試制藥實訓車間的不在少數，但是這些實訓中心是存在短板的。學生進入之后面對的是獨立的設備，而不是系統性的符合GMP操作的實驗培訓，更不要提創新、創造。受制于實驗室管理及教學方法、場地、經費及教師數量等因素的影響，傳統實驗實訓資源開放度及使用效率不高、實驗教學設備使用效果不好、教學手段單一、實驗教學效果不佳，不利于學生實踐能力培養。近幾年，尤其是最近因為疫情影響，很多高校開始建設線上課程以及開發線上教學手段，比如仿真和VR教學[3-4]。但是單純的線上教育過于務虛，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中心結合起來建成虛實結合的現代化教育過程是目前實踐教學發展的關鍵點。

2 PLC控制技術

實訓中心各設備的自動化控制技術是線上線下聯動的關鍵節點之一。自動化是控制對象在無人參與的情況下，依靠自動化裝置，按照一定的規律或事先設定的程序運行，自動地完成信息檢測、過程控制、故障診斷及處理的過程，完成預期的目標。我國在20世紀60年代，制藥生產過程朝著規模化、連續化、綜合化方向迅速發展。制藥生產中應用的自動控制系統主要是溫度、壓力、流量和液位等參數的控制系統。20世紀80年代以來，隨著GMP的實施，對藥品質量的要求更高，先進生產設備的大量引入，使自動化程度顯著提高。自動化技術已發展為控制和管理一體化的綜合自動化系統。綠色低碳、智能高效的先進制造體系，可以顯著提高產品集中度和生產集約化水平[5-11]。

PLC(可編程控制器)控制技術是一種可以編程的控制器，能夠調控模擬的量，控制開關的量，使使用者在操作和應用中更便捷；它的輸出端口將各種傳感器等部件關聯，輸入端口將各種傳感器和設備開關連接。采用PLC實現生產線的自動化控制，可以減少操作人員的人員誤差，降低藥品質量的風險。PLC在制藥設備種有廣泛的應用，通過標準通訊接口，整合二次儀表，附以其他體統，配合電氣工業優秀的執行部件對生產中各個環節的數據進行監控、記錄、存檔，實現高智能化的無人值守生產線，技術人員通過遠程監控完成生產。比如PLC控制的重要滴丸機、沸騰干燥床、包衣機、膠囊灌裝機等。隨著現代科技的發展，制藥設備越來越復雜，生產過程越來越自動化連續化，藥品質量在很大程度上取決于制藥設備和管理。對于還未建設實訓中心的高校可以選購具有PLC控制的相關制藥設備，已經設備的高校可以選擇對設備進行PLC組件升級，實現設備信息和操作的實時輸入和輸出。有PLC技術加持的實訓中心不僅可以推動的線上線下教育的融合，亦可以用來做創新性工作，促進科研和教學的融合[12-17]。

3 實驗室信息管理系統

PLC技術實現的是對設備的控制，但是在實際的教學中還有很多過程，比如團隊協作、報告、實訓中心管理等層次也需要進行相應的現代化改造。利用物聯網及信息技術改造實驗室，建立實驗室管理與實驗教學相融合的信息化平臺，實現實驗室管理與教學的智能化、少人化。構建多層次實驗教學系統：“體驗”教學層析、“實操”教學層次、“創造”教學層次。利用物聯網技術改造傳統實驗資源，基于數字化、信息化手段構建多層次實驗教學系統，建立線上線下融合互補與過程跟蹤評價的實驗教學模式，從而重塑了多模態融合的實驗教學資源體系與使用連接方式，進而探索專業實驗室的數字化建設模式，應用實踐表明實驗室運轉效率提升，實驗資源利用率提高，實驗室知識產出增加，學生積極性增強，知識學習與應用效果更加出色[23]。

LIMS(實驗室信息管理系統Laboratory Information Management System)以實驗室為核心符合國際規范的全方位管理系統。采用先進的數據庫技術、軟件技術、自動化技術對整個實驗室進行全面管理；對實驗室樣品管理、資源管理、事務管理、數據管理、報表管理、人員管理、設備管理、方法管理、環境和通訊管理等諸多功能為一體的全面資源管理系統；完整的實驗室綜合管理和產品質量監控體系，保證實驗室所有的檢測數據分析和管理均符合相關質量標準和規范[19-21]。

通過自動化接口，自動完成數據記錄和報告；集成化系統和儀器設備數據自動采集；提高合規性，重點關注數據完整性和可追溯性等關鍵問題；增強資源的互動性，消除信息孤島，提升合作；數據共享，可查詢。儀器設備資源網絡化共享不僅僅是信息共享，也包括對儀器設備進行遠程監控和功能上的控制。促進我國科技資源的優化和整合，促進科技水平和創新能力的提高。在這個架構下，用戶在線預約，仿真練習打卡，設備上機實操，線下實訓操作，線上產生報告，教師評定的教學模式，對于通過考核的學生，開放創新研究模式，直接在線預約，設備上機操作，遠程控制，數據共享，產生報告。

實驗室信息管理系統是國內外具有先進性的實踐教學方式，以網絡技術、遠程控制技術、傳感器技術、接口技術和通信技術等新技術為紐帶，將教學儀器設備特別是貴重儀器設備連接高遠程控制教學平臺，通過網絡進行遠程控制與互動，實現遠程實踐教學和技能培訓。通過計算機、網絡通信、物聯網、多媒體、虛擬現實等信息技術，使傳統的實驗資源數字化、聯通化，擺脫空間與時間的限制，通過各種智能決策與調度算法，提高資源使用與管理效率、提高教學與人才培養效果。

4 組 合

實踐教學基地信息化建設就是利用計算機技術、多媒體技術、網絡通信技術、遠程控制技術、虛擬仿真技術等信息化技術，將PLC技術加持的線下實訓中心、VR和仿真實驗室嵌入實驗室信息管理系統，將實訓基地的各類硬件資源、軟件資源、人力資源等有效重組，實現信息化管理，充分發揮教學資源的使用效益，實現實訓基地運行的現代化、開放化和高效化。以學生為中心，為學生提供便利學習條件，發揮實訓基地在教學、科研、等方面的重要作用。實驗室數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、管理與教學模式。

總之，現代化實驗室可以歸結為3個層面：一是信息化的管理：包括以學生為中心的在線報告、成績查閱、實驗討論等在線服務系統和以教師為中心的教學教務管理、實驗室和設備管理等的管理系統。二是以網上教學為主的教育資源和新型教育形式，如虛擬仿真、可視化教學等。三是利用以LIMS為代表的實驗室物聯網操作，結合PLC控制技術，將可視化內容實物化，虛實結合，真正實現上手操作。

教育內容凸顯網絡化、數字化、個性化特點，教育形式凸顯網格化、立體化、多維度特征[2-3]。強化實踐環節，探索和推行面向企業生產環境的任務式培養模式，形成從研發、轉化、生產到管理的創新型人才培養機制。

5 結 語

實驗室依靠人工完成數據采集、報送，存在人為影響，隨意性較強，不利于學生的GMP意識的培養；仿真和VR可以培養學生的系統性思維和工程全局思考的能力，但又過于務虛，因此依靠PLC自動控制技術和實驗室信息管理系統將線上的課程、仿真、VR教育與高校的實訓中心結合起來，建立現代化的教育和科研活動平臺是應用型本科教育的重要思路。在創新人才培養的過程中，要把學生放在中心位置，注重課內與課外相結合，加強創新性實踐環節，建立創新性人才培養基地、對學生進行基本實驗技能的培養，積極組織參加各種實驗競賽，提高學生學習積極性，提高學生自主發展的能力。將實驗教學、創新設計、工程訓練三者融合在一起，培養工程技術應用型人才[4,22-23]。

制藥工程專業建設要體現培育專業優勢和特色，這是本專業立足之本，也是培養的人才被社會認可的關鍵。因此在建設中，我學院從自身的辦學定位出發，根據具體情況制定了專業培養方案和培養目標，建設了PLC遠程控制的中藥提取中試實訓中心，并將實驗項目進行仿真和交互式VR創新實驗等線上教育資源整合，實現實訓教學的虛實結合，優化人才培養模式，逐步培育出自身的學科優勢和專業特色，為培養出專業的高層次應用技術人才奠定堅實的教育教學條件。