基于產教深度融合的智能裝備工程虛擬仿真實踐與探索
——以數字賦能中藥制藥智能裝備工程能力培養高層次人才為例

粟華生，張學常，黃衛萍

（1.廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007；2.北京歐貝爾軟件技術開發有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著信息數字技術、人工智能、大數據等領域的飛速發展，傳統制造業正經歷著前所未有的變革，我國已致力于從“制造”向“智造”轉型，以提升產業競爭力和技術創新能力[1-3]。同時，工廠智能化是實現產業升級的重要路徑之一，通過引入智能裝備、自動化生產線和數字化智能操控技術，企業生產過程逐步實現機械化、智能化，生產效率的大幅提升，產品質量的穩定提升，對復合型、職業型人才的需求逐漸增加。隨著我國工廠智能化的推進，職業智能型人才培養顯得尤為迫切，傳統的實踐操作技能教學模式已不能適應產業智能化、數字化的發展需求。而智能化是工程能力主要體現形式，它能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題[4]。可以通過校企共建工程中心加強信息化建設實踐，實現校企雙方的多元化信息對接，對培養學生實踐能力、工程素養、專業知識體系具有至關重要的作用[5]。

2022 年3 月，國務院辦公廳印發《“十四五”中醫藥發展規劃》，其中將高素質中醫藥人才隊伍建設作為一項重點任務[6]。制藥工程作為一個工科類專業，實踐教學是制藥工程專業建設的重中之重[7]，它的生產場景、智能設備、工藝流程相對較為復雜，存在設備多、場地大、工藝復雜、用時久等問題，職業本科院校很難在校內進行智能化“人機料法環”融合的生產實踐，因此，如何利用實踐環節培養符合行業需求的高素質智能型人才，是當前職業本科教育工作面臨一大挑戰[8]。本研究通過中藥制藥智能裝備虛擬仿真實驗實訓建設、數字智能工程化實踐，進一步推動虛擬仿真技術與實驗實踐教學的虛實結合、產教融合、校企聯合的“三合”模式的構建[8]。在基于校企合作的虛擬仿真教學實踐評估過程中，以企業崗位需求為中心，以學生的實踐為評估主體，充分結合智能制造虛擬仿真實訓基礎，學生對“人機料法環”各生產元素掌握評估，構建“五元素知識”的綜合評估機制。

以培養高層次工程化人才為基礎目標，以校企共建工程中心為橋梁，軟件以同比例還原真實工業生產場景，具有可視化操作界面，仿真模擬現代化中藥提取工藝。2D 智能控制與3D 仿真控制相結合、多層次立體化生產操作、工藝參數自主設置動態變化真實展現生產過程，為生產實踐提供條件。利用虛擬仿真技術對產品制造的虛擬環境進行構建，通過設計一系列制造加工參數，利用NC 代碼翻譯器驅動仿過程，最終實現了將虛擬仿真技術應用于智能自動化制造領域中[9]。本研究總結了中藥制藥智能裝備虛擬仿真實訓的建設、應用和管理實踐經驗，系統闡述職業本科院校如何利用虛擬仿真實驗教學資源，融匯企業“人機料法環”多元素知識能力，提升職業本科高層次人才的工程能力，為職業本科專業的智能化裝備的教學改革提供參考和借鑒。

1 職業本科中藥制藥專業智能裝備虛擬仿真教學模式

1.1 智能裝備虛擬仿真教學模式的內涵

智能裝備虛擬仿真教學模式是指利用計算機技術、虛擬現實技術、人工智能等手段，通過建立虛擬的智能裝備操作、生產與工藝、數字化等情景環境，融匯了生產企業的人、機、料、法、環等元素知識，使學生能夠在虛擬環境中進行操作、實驗、訓練，以獲得真實工程化的實際操作體驗和技能提升。智能裝備虛擬仿真教學模式在教育中具有廣泛的應用，包括智能制造業實訓、職業本科教育實訓、數字化教學訓練等領域。它可以有效提高學生的復雜操作技能，增強學習興趣，培養解決復雜問題的能力，促進工程化實踐與理論相結合的教學模式。

“智能裝備虛擬仿真教學模式”在提高學生工程化和數字智能化的實踐能力方面發揮著積極的作用，它能夠提高學生的解決復雜設備操作和復雜工藝問題，在虛擬仿真環境中，學生可以主動選擇學習內容和學習方式，通過智能裝備、工程化虛擬場景的自主探索和實踐，加深對生產企業“人機料法環”知識的理解和記憶。與傳統的教學模式相比，學生更容易產生學習的興趣和動力，提高工程化能力和解決復雜問題能力。在虛擬仿真環境中，學生可以面臨各種復雜工程化的情境和問題，并進行相應的決策和解決方案，學生需要綜合運用所學知識和技能，分析問題、制定解決方案，并進行實際操作，這樣的訓練能夠培養學生的綜合能力和創新思維，提高問題解決能力。

總體而言，智能裝備虛擬仿真教學模式有效地促進了學生智能化和工程化實踐能力的提高。通過將虛擬教育資源與實際工程化的場景相結合滿足產業升級對中藥制藥智能裝備應用的高層次人才的需求，學生能夠在不同維度和層面上進行全面發展，更好地適應未來職業對高層次人才的需求和社會挑戰。

1.2 中藥制藥類專業的實訓教學特點

職業本科中藥制藥類專業的實訓教學特點主要表現在其工程化特性和培養目標上，工程化的理論和實踐兩方面對于中藥制藥類專業都至關重要。由于中藥制藥崗位、場景、設施設備、工藝流程等復雜性，傳統獨立學科知識較難完成學生培養模式，工程化的多學科交叉理論知識不融通，同時也需要他們具備數字化、智能化的能力，以解決復雜設備智能操作及復雜工藝問題。因此，“智能裝備虛擬仿真”教學在中藥制藥類專業實訓教學中具有很高的可行性，它能融合各種先進的新技術、新方法、新設備，實現以數字賦能中藥制藥智能裝備工程能力培養高層次人才培養。

中藥制藥工程化的理論與實踐相結合是職業本科專業教育的核心原則之一，“人機料法環”多元化的理論知識是學生掌握工程化基礎的關鍵，藥物生產以及質量檢驗分析需要大量的真實數據來幫助學生理解生產工藝、分析方法，僅有理論知識是不夠的，還需將多元化的理論知識應用于工程化的生產實際中。同時，中藥制藥工程化是一條完整復雜的生產線，需要智能化生產設備、專業化生產車間、標準化生產流程、規范化管理制度，學校真實教學資源無法滿足工程化的實訓需求。因此，虛擬教學資源可以克服以上問題，實現中藥制藥工程化虛擬仿真，減少虛擬實驗和模擬實訓實踐成本，解決教學設備不足以及場地受限問題，也在一定程度上降低實踐活動的風險，保障學生的安全。

我們開發具有自主知識產權的虛擬實驗軟件可以利用數字孿生技術模擬實際真實生產數據，讓學生在虛擬環境中接觸到真實數據。這種“虛實結合”的教學方式能培養學生的數據分析能力與處理能力，從而提高實訓效率和學習體驗。智能裝備虛擬仿真教學可以系統性保存操作數據，更方便地進行教學效果評估。通過在線平臺和虛擬實驗，教師可以收集學生的學習數據和反饋，及時發現學生的學習問題，并采取針對性的教學措施。同時，通過將課堂理論與實驗室實踐相結合，學生可以更深入地理解藥物的性質、作用機制以及生產流程，培養出能夠在實際工作中獨立思考和解決問題的能力。

綜上所述，智能裝備虛擬仿真教學在中藥制藥類專業中具有可行性，通過合理融合虛擬教學資源和實訓實踐環節，可以更好地培養學生的工程化綜合素質，提高他們的學習和實踐能力，使其更好地適應中藥制藥智慧化工廠的發展需求。但在實施過程中，需要教師合理設計虛擬教學內容，確保智能裝備虛擬仿真教學方案能夠達到預期效果。同時，教育機構也可以投入足夠的資源和技術支持，實現智能裝備虛擬仿真教學網絡版，可將中藥制藥智能裝備虛擬仿真教學資源社會共享。

2 智能裝備虛擬仿真教學的實踐與方法

2.1 虛擬仿真教學在中藥制藥類專業中的應用

隨著虛擬仿真教學技術的不斷成熟與發展，在高校中藥制藥及其相關專業中的應用逐漸得到廣泛傳播，這種更加靈活生動的教學方式提高學生學習興趣，使學生身臨其境，體驗中藥制藥工程化工作場景，智能設備數字化操作流程。同時彌補了傳統教學模式實踐教學空泛，停留在中小試試驗室場景。其優勢主要從表現為“人機料法環”多元素融匯工程化模式。見圖1。

圖1 虛擬仿真融入“人機料法環”工程化元素結構圖

（1）虛擬仿真技術同比例搭建現代化智慧工廠，將CAD 圖紙、2D 平面繪制與虛擬仿真3D 模型相結合，適配制藥工程化教學內容，學生可以自主熟悉及設計現代化工廠，快速認知工廠結構，掌握制藥工程環境。見圖2。

圖2 同比例打造現代化中藥提取車間場景圖

（2）虛擬仿真技術利用3D 仿真建模對智能生產設備進行還原，打造設備拆分單元，結合特效、flash動畫對設備工作原理進行展示，輔助學生認知制藥智能設備，掌握智能設備工作原理。見圖3。

圖3 中藥提取車間智能設備數字化操控場景圖

（3）虛擬仿真技術綁定智能后臺模塊進行數據處理，真實還原生產數據，結合現代化3D 智慧工廠場景實現3D 與2D 數據同步，遠程操控生產設備，對物料、數據管理也實現虛擬仿真模式。工藝參數自主輸入，生產數據可視化，培養學生對物料與數據管理意識。見圖4。

圖4 中藥提取車間智能設備數字化操控界面圖

（4）虛擬仿真軟件內置完備的工廠工程化SOP，融入中藥制藥行業GMP 相關法律法規，專業生產流程保證了虛擬實踐的標準性、合規性、準確性。生產記錄單功能可以隨時打開進行記錄，方便進行復盤，把握中藥提取生產的關鍵環節及關鍵參數，并且可以保存成圖片導出。見圖5。

圖5 中藥提取車間參數記錄操控界面圖

（5）虛擬仿真教學的平臺網站集仿真軟件下載操作，仿真課程創建管理，仿真試卷的考核與搜集，將虛擬仿真軟件與現有教學資源進行綁定，學生融入崗位操作者角色、管理者角色，實現產教融合的教育模式。考核可分為練習、考核兩種評分模式豐富了學習者的體驗與考核方式。見圖6。

圖6 中藥提取車間實訓教學評估考核操控界面圖

2.2 虛擬仿真教學對高校學生學習的影響

中藥制藥智能裝備虛擬實驗對高校學生學習的促進作用是顯著的。它在職業本科教育中發揮著重要的角色，虛擬實驗不僅有助于學生學習理論知識，還能培養學生的工程化實踐能力和解決問題的能力，使他們更好地適應現代化智能工廠的工程化發展。以下是智能裝備虛擬實驗對高校學生學習的幾個促進作用：

（1）培養學生主人翁意識，促進主動參與：虛擬仿真教學能夠激發學生的好奇心和積極性，使其更加主動地參與學習過程。學生可以在虛擬環境中自主探索，自我設計生產參數，管理生產過程，從而培養出更強的學習動力和自我管理能力。

（2）豐富新穎的交互體驗提升學習興趣：虛擬場景的真實模擬可以增加學習的趣味性和吸引力，從而提高學生的學習興趣。學生在愉悅的學習環境中更容易保持專注，更愿意深入學習。

（3）增強學生工程化實踐能力：虛擬仿真教學為學生提供了一個工程化的實踐平臺，使其能夠在虛擬環境中進行工程化生產和智能設備操作。這有助于培養學生的實際工程化應用能力，提高他們現場工程解決問題的能力。

（4）拓展學習企業資源：校企深度產教融合，通過校企共建共享工程中心的橋梁，虛擬仿真教學豐富了教學資源，使學生能夠接觸到傳統教學無法提供的企業資源和情境。這有助于拓展學生的知識視野，提升綜合素質。

（5）提高學習效率：無論是現實工廠生產實踐還是智能設備實訓學習，都耗時較久，學習周期較長。并且受場地、設備限制需要在實訓基地和儀器設備進行學習。虛擬仿真教學模式方便進行練習，不再受場地、設備等資源限制。縮減了學生的學習周期，提高了學習效率。

（6）減少安全風險發生概率。無論是工廠實訓還是儀器設備操作實訓都存在一定的安全風險，虛擬仿真操作完全避免了這些風險的發生，同時還可以在軟件中進行安全操作培訓，增加學生的生產安全意識。

2.3 高校中藥制劑專業“智能裝備虛擬仿真”教學模式的實踐方法

（1）虛擬實驗與模擬操作

利用虛擬實驗軟件和模擬操作平臺，讓學生在計算機上進行制藥設備操作和流程操作（SOP），模擬真實工程化環境中的情況。通過虛擬實訓，學生可以在安全的環境下進行多次練習和探索，提高智能設備與工藝流程的SOP 技能。

（2）虛擬實踐基地合作

智能裝備虛擬仿真校企深度產教融合，主要包括產業新設備、新技術、新方法、新需求、新標準的虛實深度融合；校企共建共享工程中心的工程化深度融合，包括工程設備、工程設施、工程隊伍等深度融合。與制藥企業共建工程中心（實踐基地）提升工程轉化能力。學生可以在工程實踐基地進行實習和實踐活動，接觸真實的工作場景，應用所學知識解決實際問題。

（3）中藥制藥智能裝備進階式教學

根據中藥制藥智能裝備崗位需求，設計多個教學設備和流程崗位模塊，涵蓋中藥制藥多種設備SOP、工藝流程SOP、崗位SOP 完整生產線虛擬仿真，從實驗室藥物制備到規模化工廠車間藥物生產過渡，學生能夠認識到工廠生產與實驗室的區別，更好地進行認知銜接和認知過渡，同時完成中藥制藥智慧工廠質量體系與工程化體系的學習，具有進階式教學模式。

（4）中藥制藥智能裝備教學資源一體化

將智能裝備虛擬實驗軟件、練習題庫、課程教材、培訓視頻等教學資源通過仿真平臺整合為完整的虛擬仿真課程，將虛擬仿真課程與學校實訓實驗室、企業生產實踐基地組成完整的“虛實結合”教學體系，確保教學資源的有效利用和高效運作。

（5）校企“雙師”教師引導與討論

校企“雙師”教師在教學過程中與學生一起進行仿真實驗操作，對智能裝備、工藝流程、崗位規程等操作軟件同時進行講解，發揮工程化的指導和引導作用，組織學生進行討論、分享實踐經驗，激發學生的學習興趣和思考能力。

（6）智能裝備參數自主設計式學習

利用開放式自主設計模塊，學生可以自主搭建智慧工廠，組裝智能設備，設計工藝流程、工藝參數。鼓勵學生在學習中進行自主實踐，可以組織學生自主進行智能裝備參數設計等，培養學生的解決復雜問題和獨立思考能力。

（7）反饋與改進

通過網絡版及時收集學生對虛實結合教學模式的反饋意見，依托校企共建工程中心橋梁，獲取企業新技術、新設備、新方法，了解產業智能化、數字化發展趨勢，不斷改進教學模式和教學內容，適應行業發展需求。

總之，通過以上中藥制藥智能裝備虛擬仿真的實踐方法，可使中藥制藥類專業更好地實現智能裝備虛擬仿真教學模式，培養出具有工程化的實踐能力和解決復雜設備操作能力的中藥制藥職業本科高層次人才。

2.4 “智能裝備虛擬仿真”教學的評估與質量保障

智能裝備虛擬仿真教學評估是為了確保教學質量和實現教學目標，同時不僅要評估學生的學習成果，還要評估教學過程和教學資源的有效利用。以下是一些常見的高校智能裝備虛擬仿真教學評估的方法和指標體系。

（1）學生學習成果評估

對于智能裝備虛擬仿真教學的評估，首要任務是評估學生的學習成果。這可以通過課程作業、操作規范、實驗報告以及現場考核等方式進行。通過定量和定性的評價，可以測量學生的知識水平、技能掌握程度以及問題解決能力。評價表和問卷調查是通過學生的自我評價和對教學質量的評價，了解學生對教學效果的認知和滿意度。

（2）教學過程評估

教學過程評估關注虛擬仿真軟件操作規范及過程問題解決能力，能否熟悉生產企業“人機料法環”多元素知識融會貫通，解決工程化的現場復雜工藝、設備等工程問題，軟件設計是否能夠有效地傳達多學科知識和技能。通過觀察軟件設計現場考核、生產記錄和操作流程規范，可以評估虛擬仿真教學的虛實性、啟發性和有效性，從而及時調整教學策略以適應學生的需求。

（3）教學資源利用評估

虛擬實驗軟件使用情況是評估虛擬實驗軟件的使用頻率和效果，確保教學軟件能夠有效輔助實驗教學；也可通過虛擬仿真在線教學資源庫平臺使用情況，評估在線教學平臺的使用情況和學生對平臺的滿意度，確保平臺能夠滿足教學需求。因此，可以通過自治區級在線教學資源庫數據評價本智能裝備虛擬仿真實訓教學資源利用情況，評估社會、學校、行業對其使用頻率和利用率，確保智能裝備軟件得到合理利用，避免資源浪費。

（4）教學反饋和改進

收集學生和教師、企業的反饋是不可或缺的環節。定期進行教學滿意度調查、企業推廣調查、小組討論和個別交流，幫助發現教學中存在的問題和不足之處。根據反饋結果，及時調整教學內容和方法，持續改進教學質量。

（5）就業率和職業發展

虛擬仿真教育的最終目標是培養具備工程化能力的高層次畢業生，能解決企業復雜智能設備操作、復雜工藝問題。評估學生的就業率和職業發展情況，可以反映出教學的實際效果。通過校企共建工程中心了解企業對畢業生的評價，有助于調整課程設置，使之更符合市場需求。

綜合運用這些評估方法和指標體系，可以全面了解高校能裝備虛擬仿真教學的質量和效果。評估結果將有助于優化教學設計和改進教學過程，確保虛擬仿真教學達到預期的教學目標，培養出適應社會發展需要的高素質職業本科工程化人才。

3 智能裝備虛擬教學的未來發展

未來職業本科智能裝備虛擬教學將面臨更多的發展機遇和挑戰，隨著虛擬技術和數字化教育的不斷發展，工程化的智能裝備虛擬教學將更受職業本科歡迎，它可以培養解決復雜設備操作、復雜工藝問題的工程化高層次人才。通過虛擬實訓、模擬操作和虛擬實踐，可以擴展學生的多學科知識的學習體驗，提高學習效率和解決問題能力。將會有更多職業本科院校投入虛擬仿真軟件資源，推動數字化和智能裝備虛擬教學技術的創新和應用。

校企共建共享虛實工程中心將是未來產教深度融合的發展趨勢，它能深度融合新設備、新技術、新方法，它能深度融合企業“人機料法環”元素。提升學生工程化交叉學科知識和實踐能力，培養具備復雜智能設備操作、解決復雜工藝問題的現場工程師，也是職業本科院校培養高層次人才目標。隨著智能化和數字化技術的發展，未來智能設備和數字化操控技術將越來越普及，學校可以通過虛擬仿真實訓實現教學數字化、智能化，深化教學模式的虛實結合度，提升教學實訓的質量。

在線教學資源庫平臺在智能裝備虛擬教學中將起著重要作用，未來應持續優化和升級教學資源平臺功能，提供更多的實踐性虛擬仿真教學資源和互動工具。同時，要保障網絡設施的穩定性和軟件不斷優化改進，確保學校學生、企業員工、產業技術人員順利進行在線學習和實驗操作。通過產校企共建共享虛擬仿真平臺，真正實現數字化教學與培訓模式，而教師是智能裝備虛擬教學的重要推動者，他們需要具備虛擬技術和實踐經驗，能夠將虛實教學有效融合，提高教師的智能裝備虛擬和數字化教學與培訓能力。

4 結語

基于校企深度融合智能裝備虛擬仿真校內共建共享工程化實訓平臺，探索適合中藥產業智能裝備工程化的虛實結合數字化教學模式。虛擬仿真平臺融匯生產企業“人機料法環”多元素知識，提升了學生實踐技能、工程化技能以及就業競爭力，對職業本科培養現場工程師蘊含著深遠的意義。智能裝備虛擬仿真教學不僅讓學生在學習理論的同時能夠親身實踐，還突破了工程化復雜的設備、工藝、管理等多學科知識融合教學瓶頸，這有助于加深學習的深度與廣度，使他們更好地領會與掌握產業前沿技術。

通過3D 仿真技術實現虛擬教學仿真，采用C#語言并通過Visual Studio 工具進行程序開發，3D 引擎在Windows 平臺下通過DirectX 技術實現3D 渲染；通過計算機圖形學（實時陰影、光照貼圖、凹凸貼圖等）和計算幾何學（碰撞檢測、射線檢測、剛體、流體模擬等）等實現現象仿真。模擬中藥制藥工程化場景，并高度還原真實工業生產場景；具有可視化操作界面，接觸先進的儀器設備及工藝流程。并依托DPSP（動態過程仿真平臺），DCS 智能控制與3D 仿真控制相結合、多層次立體化生產操作、參數自主設置動態變化真實展現生產過程，為學生了解真實工業生產走向工作崗位打下基礎。并嚴格按照制藥工程設計流程設計，重點展現中藥制藥的工藝過程、崗位規程、設備操作標準。

總之，智能裝備虛擬仿真教學與制藥行業的發展需求相契合，能夠使教育內容更緊密地貼近行業實際，從而培養出更適應行業要求的高層次人才。虛擬仿真實訓教學課程是以數字賦能中藥制藥智能裝備工程能力培養高層次人才的職業本科教育新模式，在提升學生工程能力方面發揮重要的作用，校企共建共享工程化的虛實仿真實訓平臺的建設與實踐經驗，可為我國職業本科專業課程建設和虛擬仿真實訓教學建設提供借鑒和參考。