制藥工程專業虛擬仿真實驗教學建設可行性分析

趙穎娟，劉 夢，馮祖飛

（西安理工大學，陜西 西安 710048）

2020年，教育部頒布了《普通高等學校本科專業目錄（2020年版）》，制藥工程專業為工學門類專業，屬化工與制藥類專業，本專業要求學生掌握化學、藥學、制藥工程和化學工藝等方面的基礎理論和基本知識，掌握藥物合成，有機精細化學品的基本合成、改性和配方的基本原理和基本技能，其專業建設目標是培養能夠在制藥及相關領域從事科學研究、技術開發、工藝與工程設計、生產組織、管理與服務等工作的高素質專門人才[1]。在教學儀器與實驗設備方面，工科類專業應擁有一定數量的實驗室中試規模或小型工業化設備，而制藥工程專業涉及化學制藥、生物制藥、中藥制藥等不同方面，實驗課程包含化學類、藥學類、生物類、工程類等學科跨度較大的門類，建設涵蓋全面且課時量大的傳統實驗課程難度較大。

近年來不斷發展的虛擬仿真技術為制藥工程實驗教學打開了新思路。虛擬仿真技術是利用計算機生成一種模擬環境，在該環境下，用戶通過三維動態視覺效果可以感受到真實的實驗環境[2]。借由強大的人機交互、模擬仿真技術，學生在虛擬的環境中進行實驗。隨著近年來不斷推進的教學改革工作的進行，很多高校不同專業都建立了虛擬仿真實驗教學，也推動了國家級虛擬仿真實驗教學平臺的建立，這些實驗平臺的建設為制藥工程專業虛擬仿真項目的建設提供了指導，也為其完整搭建虛擬仿真教學平臺提供了參考。

1 制藥工程專業實踐教學課程困境

工程類專業的培養目標之一是使學生能夠發現并解決工程實踐中的實際問題，這就要求在培養階段有意識地加強對學生實踐能力的培養，與此對應的實踐教學環節便成為舉足輕重的一部分。而實際教學活動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人才培養。

1）教學時長。隨著新教改的實施，制藥工程本科教學要求學生所修學分為170～180，其中實踐環節占據30～40學分。工科專業培養中的工程訓練及畢業設計占據實踐環節中較大的一部分，同時，部分實驗流程復雜，需要占據較長的教學時間，致使在培養計劃制定過程中必須對實踐環節進行選擇，實際開課很難實現全面的、深入的實踐教學需求。

2）教學成本。制藥工程所涉及的專業實驗跨越化學、生物、化工等學科。生物制藥方面以疫苗或抗體的生產為例，其實驗耗材價格昂貴（如細胞、試劑盒等），且實驗原料的運輸和儲存往往需要嚴苛的條件（如冷鏈運輸、液氮保存等）。這些都在無形中加大了教學成本。而化工方面，需要用到很多精密的大型儀器設備，如果同時開設生物發酵類藥品（胰島素等）、化學合成藥品（阿司匹林等）和中藥提取類藥品（青蒿素等）工業化小試實驗，需要大量不同類別的儀器設備。盡管各個高校都加大了對本科教學的資金投入，但單獨一個專業往往無法獲得大量資金以購買和維護這些儀器設備。

3）教學場地。工程類專業強調實踐，制藥工程專業培養的目標中要求學生畢業后能夠設計針對復雜制藥工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統、單元（部件）或工藝流程。而制藥工藝流程設計、制藥車間布局的能力需要學生在類似工廠化的環境中學習。很多制藥專業在校內設有中試車間，但這些車間的規模受場地限制往往與實際的工廠差距較大，學生也無法在其中體會全套的藥品生產和質量監管流程，這使得學生在校期間的實習教學收效不及預期。

2 國家級虛擬仿真實驗平臺應用分析

2017 年，教育部辦公廳印發了《2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》[3]，根據通知內容，截至2020年，已陸續認定了近千項虛擬仿真實驗教學項目。同時，隨著兩批國家一流課程建設評審，已有很多高校在不同領域建立了高水平的虛擬仿真教學，在第一批國家級一流本科課程評審中，有728門虛擬仿真實驗教學課程被認定為一流課程。根據國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（www.ilab-x.com）所展示的課程數據顯示，截至2023年9月，在已經認定的國家虛擬仿真實驗平臺中，化工與制藥類課程數為134門，其中，國家一流課程31門，省級一流課程50門。這些課程涉及的實驗項目有青霉素工業化生產仿真實驗（天津商業大學）、阿司匹林全流程虛擬仿真生產實訓（杭州師范大學）、中藥有效成分工業化提取仿真實驗（吉首大學）等涵蓋了生物制藥、化學制藥和中藥制藥不同學科方向。較為全面地為制藥工程虛擬仿真實驗平臺的建設創建了基礎。

其次，在生物科學類所涉及的109門課程中，有部分國家一流課程，如四川大學“23價肺炎球菌多糖疫苗GMP 生產制備實驗”，廈門大學“鼻噴流感病毒載體新冠疫苗設計與評價”，華中農業大學“單克隆抗體制備及應用”等同樣適用于制藥工程專業學生。可以補足教學過程中由于教學時長、場地條件或實驗設備等限制而不能實現的實訓教學。

目前，在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺中，教師可以以學生身份加入所選實驗進行學習。通過對平臺上相關實驗課程的學習，教師可從中篩選適用于自己課程的實驗項目建立針對課程內容的線上實驗。隨著虛擬仿真類一流課程教學系統的易用性和開放性不斷提升，不同高校虛擬仿真平臺可以實現跨校引用，這使得目前還沒有建成虛擬仿真平臺的學校/專業也可以通過引入其他高校的課程帶領學生實現虛擬仿真實驗課程學習。虛擬仿真教學資源的共享使得高校教育更加開放，能夠促進高等教育的進步，也可以避免大量同質化課程的重復建設。

3 虛擬仿真實驗教學中存在的問題

國家虛擬仿真示范項目及虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的建設，推動了高校教學改革，使得高校可以在傳統的實驗教學基礎上，進一步推動線上實驗教學及線上線下混合式教學模式，也使得不同高校的教學更加個性化，不僅延伸了實驗教學的時間和空間，也拓展了實驗教學的深度和廣度[4]。但與此同時，隨著虛擬仿真教學使用的人數逐漸增多，也暴露出了一些虛擬仿真實驗教學在實踐應用中的問題。

通過對在線虛擬仿真課程的體驗，其推動方式多為視頻化模塊方式，課程軟件會在每個模塊中間出現需要學生設置的部分參數，如果學生沒有按照正確順序進行操作，系統會判定并扣除當前步驟分，操作者正確設置后繼續。在多數視頻中雖有實體化場景，但不同軟件公司制造的視頻清晰度和細節還原度有較大差異，部分視頻過于粗糙，且互動性較差，僅以彈題選擇形式推動流程，在操作流程上不能體現操作者主觀能動性，VR 技術的強互動性在目前的虛擬仿真實驗中體現不足。

對于虛擬仿真類實驗，傳統的由出勤率、預習報告、實驗操作、數據處理和實驗報告等構成的實驗教學效果考核指標已不再適用。部分課程采用了教師課前發布課程目標和預習任務，學生通過閱讀文檔、觀看視頻等方式進行預習，并通過在線試題檢驗預習效果。課中，教師設定生產任務，學生自主設計操作方案，并實際操作，完成生產任務。課后，通過學生互評和教師綜合評價判斷學生學習效果。這種“課前—課中—課后”的三元評價體系比傳統評價指標更適于虛擬仿真實驗，但以學生為中心，更合理和多元化的評價體系還有待完善。

通過對國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（www.ilab-x.com）所展示的制藥類相關課程的體驗，發現部分課程后續實驗平臺維護較差，選擇課程后可能出現網頁不能正常瀏覽或視頻加載異常等問題，某些課程實驗中途不能繼續推進或成績不能記錄，極大地影響了選課學生的體驗感。同時，虛擬仿真類實驗課程在教學內容更新方面比傳統課程更加復雜，需要更精細的設計和更大的投入。

4 高校特色化虛擬仿真平臺建設建議

針對生物類虛擬仿真實驗教學平臺的建設，有學者提出了五類建設內容的建議[5]，包括：依托學科優勢及專業特色建設虛擬仿真實驗；結合高校培養目標及地區特色，建設特色虛擬資源；針對高危、極端環境或高消耗、高難度的實驗內容開展虛擬資源建設；與實訓實習及生產應用等結合的大型綜合訓練類的虛擬資源建設。這樣的建設方向同樣適用于制藥工程專業，目前已建成的優質虛擬仿真實驗平臺，大多發揮了該校本身的學科優勢。四川大學以生物科學為背景建立了國家一流虛擬仿真課程“23價肺炎球菌多糖疫苗GMP 生產制備實驗”；天津大學以化工學科為背景設計了“精餾綜合拓展3D 虛擬仿真實驗”；針對一些流程復雜，耗時久的實驗項目，部分高校也成功開展了虛擬仿真實驗教學。如浙江大學建成的“G 蛋白偶聯受體FPR1全基因克隆、真核表達及功能測定虛擬仿真實驗”，該實驗結合了生物信息學、分子生物學，細胞生物學及生物化學，是一個大跨度的高消耗、高難度綜合性實驗。

同時，在目前高校的教育背景下，虛擬仿真實驗的建設也應與時俱進，根據實際需求建設新項目。復旦大學公共衛生與預防醫學專業開設的“不明原因疾病暴發調查處置虛擬仿真課堂”，南京中醫藥大學生物醫學專業開設的“新冠病毒患者炎癥因子風暴防治虛擬仿真實驗”及廈門大學生物科學專業開設的“鼻噴流感病毒載體新冠疫苗設計與評價”。分別從重大流行性疾病調查處置、臨床診斷處理和疫苗生產方面設計了適用于本專業的課程，實現了理論聯系實際，培養了學生運用專業知識解決實際問題的能力。

在未來的虛擬仿真課程平臺建設中還應緊跟課程思政建設需求，在對工科類課程思政的建設中可以從科學精神、綠色環保、可持續發展、核心技術、社會倫理等5個方面的思政點出發[6]。如中國科學院天津工業生物技術研究所的原創性研究突破，從二氧化碳到淀粉分子的全合成，被認為是影響世界的顛覆性技術。這項技術對于可持續發展具有重要意義，在不涉及專利技術的條件下，可將其中部分反應設計為學生虛擬仿真實驗中的環節，使學生了解我國在該領域的領先技術，培養學生的家國情懷。

5 結束語

在制藥工程實踐教學中，虛擬仿真可作為傳統實驗課程的補充，可以做到時間瞬時化、地域無界化。通過線上虛擬仿真教學，高校可以在節約人力及時間成本下完成某些大型、高成本實踐教學。資源的開放性也使得高校之間可以通過線上虛擬仿真課堂交流互通。在制藥工程專業認證中，學生的實踐能力為一項重要的考核目標，而虛擬仿真實驗教學平臺的建設和應用無疑將會為本專業人才培養提供更多的選擇性，體現了以學生為中心，提升了專業實踐教學水平。