信息技術時代制藥工程專業實驗虛擬仿真平臺的建設與教育教學實踐

楚會 陳建 趙云輝 陳核章 劉雄

摘要：先進的信息技術，對高校的教育教學產生了深遠的影響，特別是對于制藥工程專業這一對實踐性要求較高的學科而言，如何有效地進行實驗教學，是高校教育教學中亟需解決的問題。面對突發情況，虛擬仿真平臺的建設已成為時代之需和專業發展之需，能創新教學方式方法，拓展知識傳播路徑，提高教學質量，同時也能有效降低實驗成本，有效地解決好特殊背景下制藥工程專業進行實驗實踐的要求，不斷提升學生的專業能力和實踐能力。

關鍵詞：制藥工程；虛擬仿真平臺；教學改革

引言

在當今信息時代，教育教學正迎來前所未有的變革與挑戰。特別是在制藥工程專業領域，隨著醫藥行業的快速發展和技術創新的不斷涌現，對高素質制藥人才的需求日益增加。為了適應這一趨勢，建設符合現代教學需求的制藥工程虛擬仿真平臺勢在必行。本文將探討虛擬仿真技術在制藥工程教育中的應用，以及其對教學質量提升、學生創新能力培養等方面的積極影響。通過深入分析制藥工程虛擬仿真平臺的特點、實現途徑以及在信息化教學下的輻射帶動作用，旨在為高校制藥工程專業的教學改革提供有益思路和實踐指導。

一、現實背景：制藥工程專業實驗虛擬仿真平臺建設的生成邏輯

（一）是特殊情況下線上教學發展所需

線上教學的特點明顯，一方面可以不受時間、地點的限制，另一方面大部分課程是錄制的視頻，不懂的地方可以多次回放，直到聽懂為止。但是缺點也很突出，網絡授課是一種新的教學模式，對老師們來說，很難把控學生對知識的掌握程度，缺少相互交流。對學生們來說，大部分學生的學習主動性不強，可能邊上網課邊干其他事情，學習效率也不高。因此信息技術背景下制藥工程專業實驗虛擬仿真平臺如何更加合理的建設以及其教育教學如何更好的去實踐，需有更深的思考^[1]。

（二）是制藥工程專業學科發展所需

從制藥工程專業的角度來說，我國醫藥行業高速發展，并一直保持強勁的增長趨勢，成規模以上企業達8000家，但仍以仿制藥或原料藥為主，工藝水準低，且規模較小，與發達國家相比，技術創新驅動力不足，生產工藝相對落后，競爭力不強，制藥企業難以適應新工藝、新品種、新劑型的創新發展，其主要原因是制藥工程專業技術人才不足。因此實現新形勢下制藥工程專門人才的培養，為國家、企業培養高質量的制藥人才，是大多數高校制藥工程專業教學改革關注的重點^[2]。因此，結合專業特色與學科優勢，及學生創新發展的需求，建設具有專業特色的制藥工程虛擬仿真平臺，覆蓋虛擬仿真實訓情景系統，實現實踐教學資源共享，并貫穿應用于制藥工程專業學生的理論學習、實驗技能、競賽活動等培養過程中，能顯著提高學生對復雜工程問題的解析能力與工程應用實踐能力，滿足社會對制藥工程專業人才的需求，對促進制藥工程專業的發展具有重大意義^[3]。

（三）虛擬仿真技術是信息時代高等教育的有效手段

教育部高等教育司司長吳巖就指出“虛擬仿真解決了世界性的實驗教學、實踐教學、實訓教學的難題，也解決中國大學生動手能力不足這樣一個短板問題”。教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》，將國家虛擬仿真實驗教學項目納入一流本科課程建設。世界慕課大會在清華大學召開，旨在凝聚發展共識、匯聚創新力量、分享實踐經驗、展現技術前景，以推動世界慕課與在線教育建設、發展和共享，探討了“虛擬仿真技術與教育”，分享了虛擬仿真的本質和關鍵技術，利用虛擬仿真技術和裝備進行教學的方案和體驗。因此，虛擬仿真適應信息時代高等教育開發辦學、資源共享的要求，是信息化教學的一個有效手段，補充實體教學的不足，節約成本^[4]。

二、實踐與創新：制藥工程專業虛擬仿真平臺的獨到優勢

（一）虛擬仿真平臺的特征

利用現代化信息技術手段進行實驗教學可以切實提高學生的創新和創造力，利用實驗軟件，將傳統實驗不易實現的過程通過虛擬仿真系統就能迎刃而解。虛擬仿真實訓平臺具有幾個特征：通過視覺和聽覺，產生一種非常接近真實的感受，仿佛整個人就置身其中，所思所想可以通過傳感器傳遞給虛擬仿真系統，系統接收信號又可以反饋過來，就好比我們通過鼠標、鍵盤控制各種實驗裝置，系統就會作出相應處理。虛擬仿真平臺的實現需要三維建模軟件、數據庫和系統設計軟件。仿真模型是利用計算機建立的關于研究對象的邏輯模型，是系統或者對象本質的簡化和抽象，是實現虛擬仿真的核心和基礎，通過3D Max、SketchUp等軟件構建三維立體模型，通過Unity構建三維互動場景。

虛擬仿真平臺建設的最終目的也是為了培養我們的青年學生，它涉及到青年學生以后的整個職業生涯，所以我們在虛擬仿真平臺建設過程中就要做好維護教育立場的問題，以各種形式賦予虛擬仿真課題人才培養的使命。虛擬仿真平臺建設是一種非常復雜的工程，虛擬仿真平臺作為知識承受的載體，在平臺的建設過程把知識講透，讓它貼近實際、貼近生活，同時能夠在學生學習的過程形成知識的共鳴、價值的共鳴，使得學生在通過虛擬仿真平臺建構起豐富的知識體系，構建起正確的價值追求，也是對我們教育工作需要樹立起正確的人才培養觀，通過價值構建、正確引領，培養能夠民族復興大任的時代新人，真正做到以文化人，以文育人的具體要求。在虛擬仿真平臺的建設過程中，需要把提高人才培養質量放在一個核心位置，因為它不像線下教學，可以去言傳身教，在虛擬仿真平臺的建設過程內容都是非常具體的，應該做到樹人為核心，通過平臺建設與學生聯系起來，既要通過知識的傳輸實現教學目標，又要在這樣的一個過程中，實現正確價值觀、品格、能力的構建，所以虛擬仿真平臺涉及到一個德育要求的落實問題，要真正做到塑造人、發展人和改變人。虛擬仿真平臺的推進過程中，需要做到知識與價值的傳授同向同行^[5]。

（二）虛擬仿真平臺建設的實現途徑

國內外利用虛擬仿真技術主要實現手段包括：多媒體技術、可視化技術、人機交互技術、增強現實技術等，國內外眾多高校，都開始探索虛擬仿真教學，并逐步推廣，如北京化工大學成立丙烯酸甲酯全流程生產仿真平臺，該平臺針對化工類實習存在遠離現場、只能看不能操作的問題，將真實設備、管道、儀表與仿真平臺結合，實現物料動態工況模擬；天津商業大學成立青霉素工業化生產仿真實驗平臺，該平臺以GMP為主線，突出生產操作仿真模塊、設備仿真模塊、在線學習模塊，實現了青霉素工業化生產從工程設計到生產操作的全流程模擬；英國Open University是世界上第一所遠程教育大學，是在線高等教育領域的先鋒與領導者，其虛擬仿真平臺實驗室聞名全世界，開發的各種科學實驗室提供遠程在線虛擬實驗室，人們通過遠程就能實現實驗室的各種功能，大大促進教育資源共享和數字化^[6]。

虛擬現實技術具有多項特點：首先，它能夠替代傳統實驗教學環境，提供各種難以在實地教學中展開的實驗實踐教學，克服了場地和實驗器材等限制。其次，虛擬現實技術與信息技術和實驗教學深度融合，具備高仿真性、高效率和低成本的實驗環節設計，代表了新技術在教學中的應用。再者，虛擬現實技術拓展了實驗教學的深度和廣度，實現個性化教學。傳統實驗教學中，學生的實驗過程、步驟和可能出現的錯誤主要由教師預判，但面對多名學生時監控困難。傳統實驗教學還需大量人力、物力和成本，且實驗室規模限制了使用人數。虛擬現實技術降低了投資成本，提供了無限拓展的實驗空間和時間，為傳統實驗教學帶來了新的可能性。

虛擬仿真實驗教學系統的出現可以大幅度解決目前高校實驗室不足、建設實驗室成本高、實驗室使用頻率高導致成本較高、某些實驗具有危險性、有安全隱患等問題，它可以有效彌補甚至取代傳統的實驗室，成為新型的實驗室。

（三）信息技術常態化下，制藥工程專業實驗虛擬仿真平臺建設對教育教學的輻射帶動

1.增強教學效果，實現人才培養目標

將傳統的制藥工程實驗在虛擬仿真系統中以生動、逼真的三維形式表現出來，規范學生的基本操作要點，提高學生對基本操作的熟練程度，提高學生的基本操作技能，減少實驗過程中的誤差或錯誤；虛擬仿真實驗的每一個環節的設計能夠和人才培養相聯系，在此環節尋找一些重要連接點，但針對制藥工作專業實驗，知識體系的傳授一般以貫徹做法進行，所以實際仿真系統開發過程不會很順利，并且比較復雜，需要認真構思這個系統，專業知識的傳授是非常專業的，價值體系的傳授要貫穿整個實驗過程，構建虛擬仿真系統需要充分挖掘其存在的價值觀念。

2.研究教學方法，增強課堂的趣味性

使學習者在虛擬仿真系統中如身臨其境，增強了學生的動手能力和理論聯系實際的能力，將實驗原理理解得更加透徹、具體，培養學生的邏輯思維能力，最大限度的激發學生的科研和創新能力；我們的日常教學是需要不斷研究的，用創新的方法解決舊模式下沒能解決教學問題，當今的教學研究是相對復雜的，需要從改進中加強，從創新中提高，針對現實問題，達成制藥工程專業實驗教學要求，不斷優化教學質量，超越現有的教學水平，面對現實環境中學生課堂注意力不集中，使用手機電腦等情況，對整個教育目標的實現是一種巨大的挑戰，大學生是比較張揚的，不像中小學那么容易受到約束，會做與教學無關的事情，學生會以不同的方式對待大學課堂，怎樣通過虛擬仿真教學，增強與學生的互動，探討虛擬仿真教育教學方法創新，探尋虛擬仿真教育教學規律，思考虛擬仿真教育教學方法改進提高。

3.進階知識傳輸途徑，降低實驗成本

對于實驗室難以實現，成本較高、危險程度較高的實驗或者無法觀察的細微實驗，都可借助虛擬仿真系統來實現；降低時間、空間和材料的限制，使用者可以利用所有的實驗藥品和實驗器材，隨時隨地走進虛擬仿真實驗，享受探索和創造的樂趣。時代在變，學生也在變，教育教學方法也是在不斷進階過程，知識體系在不斷更新，在知識傳輸的同時，通過虛擬仿真課堂對學生起到思想價值引領，由于每個人的思想價值觀念都是由無到有，從簡單到復雜的過程，通過虛擬仿真課堂用藝術的方法去感化、去建構學生的正確觀念，老師即人生導師，不僅傳授學生知識，還需引領學生的創新思維，帶領學生認識外部世界，在這個過程中，讓學生形成正確的奮斗目標，把個人的發展和國家的發展聯系在一起。所以，在虛擬仿真課堂構建過程中，需要一步一步提升學生對知識的追求境界，既能借用外部的力量推動學生自主學習，又能與學生的內在需求一致，利用合理的系統構建來實現教學目的。

結語

在當今信息技術時代，制藥工程專業實驗虛擬仿真平臺的建設運用而生，它是一種新型的教學理念和教學設計，讓學生積極參與線上課堂，增強學生在線上學習中的獲得感和參與感，虛擬仿真平臺的建設有助于完善制藥工程專業的課程教學體系，提高制藥工程專業學生的實踐技能，提高制藥工程專業學生對于實驗技能方面知識的儲備，培養與企業實際需求相符合的制藥工程技術人才，擴大本專業學生的就業范圍，增強就業競爭力。同時，虛擬仿真平臺的每個設計人才培養相聯系起來，在虛擬仿真平臺建設的基礎上實現學生專業知識增長，操作技能提升，引領學生正確的價值取向，維護好教育的歷史使命和責任，培養能夠擔當民族復興大任的時代新人。

本文系1.湖南科技大學2021年教學改革研究項目（項目編號：G32112）；2.2020年湖南省普通高等學校教學改革研究項目（項目編號：HNJG-2020-0490）；3.2018年湖南省普通高校教學改革研究項目（項目編號：湘教通[2018]436號389）階段性研究成果。

參考文獻：

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[4]俞冠伊.信息時代背景下的虛擬仿真技術在環境設計教學中的應用研究[J].電腦知識與技術，2021，17（01）：97-98.

[5]趙紅，李忠，彭成松等.制藥工程專業虛擬現實仿真平臺的特點及對學生進行實踐教學的優勢[J].安徽醫藥，2021，25（02）：422-424.

[6]李英芹，馬文婷.基于虛擬仿真的教學做合一的教學平臺在職業本科專業建設中的應用[J].上海輕工業，2024（01）：135-137.

（作者單位：湖南科技大學化學化工學院）

（責任編輯：豆瑞超）