制藥工程專業實踐教學新模式的探索與思考

趙建宏，楊武林，冀亞飛，袁煒，任福正，羅曉燕，馬磊，任國賓，鄧衛平，宋恭華

（1.華東理工大學 藥學院，上海；2.上海醫藥集團股份有限公司，上海）

一 引言

制藥工程專業是一門由化學、藥學和工程學等多學科融合為一體的工科專業，主要培養能夠勝任制藥過程生產、經營管理、科學研究等多個方面的高素質工程技術及應用型、創新型、復合型人才[1]。對于制藥工程這樣一門工科專業培養目標，學生在掌握理論知識的基礎上，更加應該具備一定的創新實踐能力[2]。因此，這就要求高等學校在培養制藥工程這一專業的學生過程中，重視實踐教學活動，在實踐教學中培養學生的創新思維、提升學生的創新能力[3]。近年來，傳統實踐教學模式的弊端越來越明顯，新型的實踐教學模式也在不斷地探索實踐中。當今社會高速發展的信息化技術為實現實踐教學信息化提供了可能，在此背景下，虛擬仿真實踐教學應運而生，為實踐教學開創了新型模式。

二 傳統實踐教學模式及其弊端

制藥工程專業傳統的實習模式一般采取校企合作方式。通過學校與制藥企業的合作可以實現兩者的信息以及資源共享，制藥企業為學生提供參觀與見習的機會和平臺，一定程度上能夠彌補學校教學紙上談兵的缺點。學生可以借此機會走出課堂，深入企業內部體驗實驗室小試研究、多種儀器如液相等分析、中試、生產、倉儲、三廢治理等系統性的實踐。學生可以在實踐過程中，初步明確自己的就業目標和職業方向，通過實習來確定自己以后想要從事的領域。但是近年來發現，去制藥廠的實習慢慢變成了走馬觀花的形式，一方面企業的生產車間、實驗室、分析室等幾乎所有區域均具有一定的危險性，尤其是在接待大量實習學生時安全風險成倍上升，具有極大的安全隱患，從而增加了企業、學校對學生的安全管理投入；另一方面是制藥廠大多數區域均具有潔凈等級，對外來人員進入有一定的要求，如果有太多學生進行參觀，就會給企業的生產管理帶來很大的影響，增加企業的管理投入，因此越來越多的制藥廠在接待學生實習的問題上也越來越慎重，使得學生的實習變成走過場。此外，高校在安排生產實習過程中會有一些局限，導致學生經常會面臨一些問題，如部分學校會把生產實習安排在第五學期進行，然而此時很多專業課程教學并沒有開展，導致學生必要的專業基礎知識有所欠缺，從而影響實習效果；考慮到實習成本和企業接待能力，學校安排的實習周期往往時間較短，在有限的時間內，無法對制藥生產過程進行深入了解；企業在安排生產實習過程中，往往會把學生分配到文職崗位，這種情況下對學生專業知識和技能的提高幫助有限[4]。基于以上問題，探索利用新興的虛擬仿真技術，讓學生在比較安全的條件下身臨其境地體驗實驗室和生產車間等，起到實習引領作用，具有十分重要的意義。

三 疫情形勢下的線上實習新模式

2020年初，一場突如其來的疫情不僅對人民的生活、生產產生了重大的影響，也給教育系統帶來了嚴峻的考驗，高等教育同樣面臨巨大挑戰[5]。針對新冠病毒肺炎疫情對高校正常開學及課堂教學活動造成的不利影響，我校積極響應教育部提出“停課不停教、停課不停學”的號召[6]，在嚴峻的疫情防控形勢下，確保學生的實習教學能夠有效推進，為此我們嘗試了線上實習教學活動，通過視頻連線，邀請制藥企業專家給學生進行線上講解，并且通過線上連線參觀制藥企業，通過視頻方式，對工藝生產線、設備流程、生產流程、三廢治理崗位及治理原理進行全面的展示，中間穿插QC分析、QA質量管理、EHS防護和GMP理念等，讓學生對制藥企業的生產有一個全面、直觀的了解。我們還通過建立線上學習群組，利用語音、文字、視頻等在企業專家、帶隊教師、學生之間開展問答互動，學生出現疑問時，可以及時進行“一對一”交流，及時得到反饋和幫助，實習體驗堪比現場實習，也加深同學們對企業生產運營的了解，從而為日后的實地參觀企業和未來的就業工作打下了堅實基礎。

四 虛擬仿真實驗教學給學生帶來安全易懂的實驗指導

近年來，伴隨著多媒體新技術、網絡遠程教育、線上教學的興起，高校的傳統課堂教學模式受到了強烈沖擊，針對高等教育中教育理念和教學模式的深化改革勢在必行，基于虛擬仿真技術的教育信息化應運而生[7-8]。虛擬仿真技術是建立在通信、網絡、多媒體、人機交互、虛擬現實等技術的基礎上，以計算機生成的虛擬實驗環境進行人機交互和仿真的新型教學手段；虛擬仿真實驗教學可以通過完全模擬真實的實驗環境，讓學生可以直觀地感受到如現實般的實驗體驗，并且學生的學習可以不受時間與地點的約束，同時各學校之間還可以共享優質實驗教學資源[9-10]。將虛擬仿真技術應用于制藥工程專業的實踐教學過程中，將會在發揮其獨特的優勢的同時讓實踐教學變得更加豐富和生動，同時可以推動在現代信息化社會背景下的新型實驗教學方法改革，豐富教學內容，拓展實踐領域，降低實驗教學的成本和風險。

為了讓學生在綠色無污染、無風險的條件下進行相關實驗活動，完成實驗流程，在本校開設的《制藥工程及工藝實驗》專業必修課程中，我們運用虛擬仿真技術，建立了“基于正交設計基礎上的左氟沙星合成工藝虛擬仿真教學實驗”平臺。利用該平臺，既能夠保證實驗安全同時又增加了實驗的趣味性、科技含量，從而激發學生的學習興趣，使得學生的實驗活動達到更好的效果。該項目采用先進的虛擬現實、全息投影技術，設計開發制藥工藝虛擬仿真系統軟件，形象展示運用正交設計原理對原料藥左氟沙星的合成工藝進行多因素多因子的設計，并通過有限次的實驗高效地得出最佳的合成工藝條件的過程。通過本項目的建設和應用，讓學生將學到的知識運用于實際，牢固掌握制藥工藝研究思維以及樹立綠色制藥工藝的理念。本實驗根據現代左氟沙星原料藥藥企實際生產情況，結合GMP標準，設計制作可以讓學生在電腦端進行左氟沙星原料藥合成工藝實驗設計及優化研究的虛擬化操作。學生以第一人稱或第三人稱視角模擬生產，將制藥工藝理論、綠色工藝理念、正交實驗法融入到一起，仿佛置身于現實的原料藥工藝研究過程中。整個仿真實驗包含左氟沙星原料藥的合成路線中各步實驗的操作過程演示、影響參數和影響因子分析、正交設計的原理意義及正交設計流程講解和演示；對各步的影響參數和影響因子進行正交設計；紅外、液相、旋光、熔點儀等儀器的分析操作演示；按照正交設計表進行虛擬實驗和使用分析儀器，分析得出每步最佳合成工藝路線、最佳工藝驗證實驗。整個項目分為2大模塊：知識講解模塊、實驗仿真模塊。

知識講解模塊中，通過組織整理大量相關的知識內容，以及針對左氟沙星原料藥的合成路線中各步實驗的操作過程演示、影響參數和影響因子分析、正交設計的原理意義及正交設計流程講解和演示建設相應的微課視頻，組織成項目知識庫。

實驗仿真模塊中，以左氟沙星原料藥合成的重點工段左氟羧酸的制備作為一期開發重點，完成整個實驗工段的仿真操作開發，同時建設正交設計流程仿真，學生可通過自主設計，進行實驗工藝的正交設計和分析。建議以上平臺取得了良好反響和效果，我們后期將補充建設2，3，4，5-四氟苯甲酰氯的制備、一步法制備環合酯、左氧氟沙星的制備、左氧氟沙星的制備改進、檢測等多個實驗模塊，進一步完善。

五 虛擬實踐教學給學生帶來身臨其境的安全的車間體驗

虛擬仿真技術除了可以用于建立校內課程實驗平臺，改進實驗教學方式與方法，同樣可以用于模擬、還原制藥企業真實生產場景，有效克服企業生產實習過程中存在的成本高、風險大的痛點問題。依據虛擬仿真技術對制藥企業藥物生產工藝進行模擬，在計算機上形成一個沉浸式的虛擬仿真環境，學生可以漫游在仿真的制藥工廠環境中，根據需求進行制藥生產操作，認識生產過程中各設備組件及其作用，在虛擬實習環境中可以實現360°旋轉[11]。虛擬現實仿真軟件綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺等感官功能，使用者不僅能夠通過虛擬現實系統體驗到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性及超越現實的虛擬性，而且能夠與之進行實時交互，創建了一種適人化的多維信息空間；通過建設虛擬仿真實習工廠，達到了“將工廠搬進學校”的目的，從而實現了“教室-實驗室-工廠”三位一體的工程教育理念[12]。

為適應新形勢下的教育教學改革，我校的制藥工程專業積極設立虛擬仿真工廠實習平臺，引進了制藥工程的全息數字沙盤平臺展示系統。利用該全息數字沙盤平臺展示系統，通過聲、光、電等多種形式對現代制藥企業的原料藥及制劑生產車間現場各元素進行表達，可以在學生面前呈現出真實的生產場景，同時通過同步的三維虛擬仿真場景，可讓學生同步學習各生產環節所涉及的“人、機、料、環、法、檢”藥品生產六大要素。通過對此電子沙盤的學習，學生可實現一個從理論到實踐再到理論的上升過程，借助沙盤將自己代入到每一生產崗位，熟悉整個生產流程，提升對藥品生產過程中的問題分析以及將風險管理知識用于藥品生產過程的能力，達到培養學生解決實際問題能力、提升學生綜合素質的目的[13]。

利用該全息數字沙盤平臺展示系統開展實習教學活動，能夠避免傳統工廠實習模式的弊端，同時達到制藥工程專業實習的目的，強化了學生對專業理論知識的掌握和應用，培養了學生創新實踐思維與能力，成為制藥工程專業實踐教學模式改革的重要舉措。

六 結語

在信息化教學背景下，虛擬仿真教學模式因其方便性以及技術的新穎性等優勢，是高等教育變革中重要的新生力量，尤其在實踐性較強的制藥工程實踐教學中具有廣闊的應用前景，充分使用虛擬仿真技術有望能夠克服傳統實踐教學中的不足，但是目前該項技術還不夠完善，投入成本也相對較大，因此完全摒棄傳統實習模式也并非明智之舉，應該各取所長，發揮1+1＞2的效果。隨著相關技術的不斷發展與日趨成熟，基于虛擬現實的教學新模式必將給未來的實踐教學活動帶來革命性的變化。