制藥工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)探討

錢(qián)建瑛+蔣敏+史勁松

摘 要：本文分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用背景和優(yōu)勢(shì)，針對(duì)藥學(xué)實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域介紹了江南大學(xué)藥學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況及特色，提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的補(bǔ)充，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，對(duì)理工科實(shí)踐教學(xué)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室；制藥工程專業(yè)；實(shí)踐教學(xué)

一、研究背景

自2013年教育部頒布《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（高教司函[2013]94號(hào)）以來(lái)，全國(guó)各高校掀起了建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的熱潮。虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtually laboratory）最早于1989年在美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)由威廉·沃爾夫教授提出。最初的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，現(xiàn)在的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是借助于圖形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)操作流程等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上所營(yíng)造的可輔助或部分代替，甚至全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)各個(gè)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室這一新型教育手段的出現(xiàn)原本是作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的輔助，然而隨著現(xiàn)代化通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容越來(lái)越豐富，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不僅可以模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作流程，讓學(xué)生身臨其境地操作，還能形象地展示原本無(wú)法觸及的實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備構(gòu)造等，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，降低了學(xué)生掌握相關(guān)內(nèi)容的難度，革新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想和理念。

在藥學(xué)實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)尤為重要。隨著制藥技術(shù)的快速發(fā)展，藥物制備的方法、劑型越來(lái)越多，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)設(shè)備控制要求越來(lái)越高，而進(jìn)入藥廠進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)越來(lái)越少，本科生藥廠實(shí)習(xí)往往淪為生產(chǎn)部門(mén)走馬觀花式的“一日游”；另一方面，藥廠對(duì)畢業(yè)生的動(dòng)手能力要求越來(lái)越高。因此，僅靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)方法，已經(jīng)無(wú)法滿足人才培養(yǎng)的需要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托專業(yè)軟件、多媒體技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，能將實(shí)際的藥廠設(shè)備對(duì)象“放大”或“縮小”，將難以觀察的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化，將高成本、高危環(huán)境的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目常規(guī)化，通過(guò)與現(xiàn)有大型設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)合，起到相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的效果。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程更安全

以藥物合成中試實(shí)驗(yàn)為例，合成反應(yīng)釜一般工作壓力超過(guò)10Mpa，反應(yīng)溫度大多處于150℃～250℃，釜體外部溫度也極高。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生操作既不安全也不現(xiàn)實(shí)，因此需在虛擬仿真環(huán)境下，突破實(shí)驗(yàn)條件的制約，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

將傳統(tǒng)的反應(yīng)裝置改為程序控制的軟件系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)，從投料、溫度、壓力、攪拌速度等反應(yīng)的設(shè)定，到排氣、出料、冷卻水的循環(huán)使用等參數(shù)，都能通過(guò)軟件模擬進(jìn)行，并能直觀地看到各個(gè)條件下的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)軟件計(jì)算出產(chǎn)量、能耗等數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)消耗更節(jié)約

以生物制藥用的發(fā)酵罐為例，中試級(jí)別耗費(fèi)原料達(dá)到噸級(jí)以上，并且每批次生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)周，實(shí)驗(yàn)成本巨大。該類實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，采用小型仿真設(shè)備的操作，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬中試生產(chǎn)，可以大大節(jié)約成本，即便學(xué)生操作失誤，也可以重復(fù)進(jìn)行，不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)消耗的問(wèn)題。

3.教學(xué)內(nèi)容更直觀

如制藥工程與設(shè)備類課程，需要教會(huì)學(xué)生了解制藥設(shè)備的作用，掌握其中零部件的構(gòu)造。由于形體復(fù)雜，有些零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間存在觀察盲區(qū)。通過(guò)創(chuàng)建仿真模型庫(kù)，對(duì)復(fù)雜零部件任意位置、任意角度剖切，能幫助學(xué)生全面把握復(fù)雜零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，從而更容易掌握生產(chǎn)原理。

4.學(xué)習(xí)興趣更濃厚

如藥廠與車(chē)間設(shè)計(jì)類課程，傳統(tǒng)的教學(xué)采用課堂教學(xué)和機(jī)房CAD制圖的形式，學(xué)生對(duì)于藥廠車(chē)間布局、物料流通、空氣裝置等核心因素沒(méi)有直觀的感受。通過(guò)仿真模型裝配與實(shí)體拆裝相結(jié)合，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深其對(duì)藥學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)的整體認(rèn)知，深化對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解。

三、江南大學(xué)制藥工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特色

江南大學(xué)藥學(xué)院所建設(shè)的制藥工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)設(shè)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及模型演示藥廠布局，結(jié)合3D動(dòng)畫(huà)演示，解析從原料藥合成到制劑產(chǎn)品出廠的每一操作過(guò)程。學(xué)生通過(guò)完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深了對(duì)相關(guān)課程的理解。在計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生再到藥廠實(shí)習(xí)，大大提高了實(shí)習(xí)效果，降低了辦學(xué)成本。

制藥工程專業(yè)仿真展示中心全面建設(shè)完成后，可以成為江蘇省公開(kāi)化制藥工程專業(yè)仿真展示中心：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，加速藥學(xué)院大一、大二學(xué)生對(duì)藥物生產(chǎn)過(guò)程的理解，使學(xué)生在接觸藥學(xué)專業(yè)課之前建立藥物的概念，提升藥學(xué)專業(yè)課程的教學(xué)效果；社會(huì)公益方面，定期組織高中生、初中生參觀仿真展示藥物生產(chǎn)中心，激發(fā)學(xué)生對(duì)藥學(xué)專業(yè)的興趣、熱情，擴(kuò)大江蘇省藥學(xué)專業(yè)人才儲(chǔ)備，保持江蘇省制藥工業(yè)的先進(jìn)性。

制藥工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容貫穿了藥品研發(fā)—實(shí)驗(yàn)室制備—藥理毒理—注冊(cè)申報(bào)—生產(chǎn)—質(zhì)量檢查的全流程，在制藥工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建立前，已經(jīng)成功建設(shè)了江南大學(xué)制藥工程實(shí)踐教育中心。這些條件決定了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心具有以下特色。

1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛實(shí)結(jié)合，相互倚重

針對(duì)藥物合成中試生產(chǎn)等高危險(xiǎn)、高消耗的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心重點(diǎn)建設(shè)，而且相應(yīng)項(xiàng)目需要經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證了虛擬仿真項(xiàng)目的真實(shí)性；對(duì)于大型設(shè)備或綜合型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，則用開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行補(bǔ)充。

2.理論教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)相輔相承

制藥工程各專業(yè)中有些課程理論教學(xué)難以達(dá)到直觀明了的教學(xué)目的，如藥廠與車(chē)間設(shè)計(jì)。通過(guò)典型車(chē)間、設(shè)備、物料管線的模型配制，結(jié)合傳統(tǒng)的CAD制圖，學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)融合到仿真實(shí)例中，并與藥廠的實(shí)際建設(shè)情況對(duì)比，可驗(yàn)證所學(xué)理論，使理論知識(shí)學(xué)以致用。

3.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貫穿藥物生產(chǎn)全流程，為專業(yè)教學(xué)提供支撐

制藥工程專業(yè)仿真展示中心設(shè)置了藥物合成、制劑、藥廠與車(chē)間設(shè)計(jì)三個(gè)模塊，各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以實(shí)際的生產(chǎn)線、設(shè)備及藥廠場(chǎng)景為模擬對(duì)象，具有很強(qiáng)的工程性、情景性與互動(dòng)性，不同理論課及實(shí)驗(yàn)課方向可選取所需模塊的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展教學(xué)，充分考慮了專業(yè)共享，有助于提升教學(xué)質(zhì)量。

4.培養(yǎng)工程人才，適應(yīng)企業(yè)需要

在制藥工程專業(yè)仿真展示中心，學(xué)生可以直觀地學(xué)習(xí)和感受到藥品生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)景情境，通過(guò)仿真設(shè)備的學(xué)習(xí)和操作，大大提高實(shí)際動(dòng)手能力，為進(jìn)藥廠實(shí)習(xí)打好基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是各學(xué)科，尤其是理工科教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)于保證教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力具有重要意義，實(shí)驗(yàn)教學(xué)甚至決定了理工科教學(xué)效果的優(yōu)劣。江南大學(xué)藥學(xué)院通過(guò)建設(shè)制藥工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，大大提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性，打破了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的限制，更有助于提高學(xué)生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)的不斷充實(shí)，這種教學(xué)模式將在教學(xué)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]白雁，張娟，潘瑾，等.“虛擬實(shí)驗(yàn)室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，38（12）：169-172.

[2]楊帥，韓超.新時(shí)期實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的四個(gè)“面向”[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（1）：90-91.