虛擬仿真技術在藥劑學實驗教學中的應用

廣西醫科大學藥學院 莫鳳珍 黃建春 黃興振 孔曉龍

實驗教學是理論知識的提升，通過實踐，可以加深學生對理論知識的理解，提高動手和實踐操作能力，激發對課程的學習興趣。如何提高實驗教學的質量是目前教學中關注的重點問題，教育部提出開展“國家級虛擬仿真實驗教學中心”的認定工作，要求高校要高度重視實驗教學與信息化的深度融合，大力加強虛擬仿真實驗教學中心建設工作，支持鼓勵校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源的開放共享。要進一步完善虛擬仿真實驗教學管理共享平臺，優化虛擬仿真實驗教學中心管理體系，提升虛擬仿真實驗教學隊伍教學和管理能力，提高實驗教學管理信息化和支持服務信息化水平。近年來，教育部批準多個國家級虛擬仿真實驗教學中心和教學項目，因此，虛擬仿真教學在實驗教學中越來越重要。

一、藥劑學課程實驗教學目前存在的問題

藥學專業的人才培養目標是培養適應我國社會主義現代化建設和藥學相關事業發展需要的，德、智、體、美全面發展，掌握藥品生產、藥品質量分析檢驗、藥品使用、醫藥企業經營管理等方面的基本理論知識和專業技能，具有良好的職業道德、人文素養、實踐能力和創新精神，也能夠在藥品檢驗監督部門從事藥品檢驗監督管理，在藥物研究機構、醫藥院校從事醫藥科研助理、教學輔助等工作的高等技術應用型藥學專門人才。因此，培養應用型人才是教育教學的目標。藥劑學是藥品研制與臨床使用的紐帶，是理論聯系實際的一門綜合性學科，需要通過實踐掌握藥品生產的流程。實驗教學是培養學生實踐能力、邏輯思維的重要環節。因此，藥劑學實驗主要是驗證性試驗，實驗內容分三個模塊：液體制劑（混懸劑、乳劑的制備，注射劑的制備）、半固體制劑（軟膏劑、栓劑的制備）、固體制劑（散劑、顆粒劑和片劑的制備）。在傳統實驗教學中，主要是學生根據進度表提前預習實驗內容，教師講解實驗目的、實驗原理、實驗內容、注意事項，針對儀器操作和重要步驟，邊講解邊演示。之后學生2—3 人分組進行操作，學生在操作過程中遇到問題向教師反饋。實驗結束后教師進行總結，主要針對實驗過程中出現的問題和實驗結果進行討論。學生整理實驗數據，完成實驗報告，實驗報告的分數作為最后的實驗成績。這種傳統的實驗教學方法存在一些問題，一是學生按照實驗教材和教師講解的內容開展實驗，循規蹈矩，有部分同學對實驗內容不了解，缺乏思考和質疑。二是有部分實驗如注射劑的制備、片劑的制備，需要的時間較長，導致學生的學習效率下降。三是有些實驗在操作過程中用到有毒試劑，存在安全隱患，導致實驗不能順利實施，如脂質體的制備、微囊的制備，不利于學生對新技術與新劑型知識的理解。四是現有儀器設備和場地的局限性，如注射劑的制備和片劑的制備，學生不能到GMP 車間操作，導致實驗教學不能在規定的條件進行，只能在車間外面參觀機器設備，對儀器的認識只停留在表面，理論與實際不能很好結合，不利于學生的學習，影響了教學的效果。所以要提高實驗教學的效果，需要對現有的教學方式進行改革，利用現代化技術手段打破實驗條件的局限。

二、藥劑學虛擬仿真教學的意義

隨著科技的發展，虛擬仿真技術已經滲透到各個領域，是科研技術發展的一個偉大里程碑。虛擬實驗、虛擬現實在今天的課堂已經開始使用，并大規模推廣。虛擬仿真技術應用于課堂教學可以提高學生的學習興趣，同時，教育技術與教學設計的深度融合則可以提升教學效果。虛擬仿真實驗則是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實（又稱VR）等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。自教育部開展國家級虛擬實驗教學中心的評審以來，國內高校陸續開展了多種模式的虛擬實驗建設項目。2018 年，教育部開始評審國家級虛擬實驗項目，以項目為導向實現虛擬現實技術落地課堂教學，虛擬仿真技術越來越多地用于實驗和實踐教學。

藥劑學實驗應用虛擬仿真技術具有以下優點。（1）不受時間的約束，針對實驗學時較長的實驗，通過虛擬仿真技術的模擬，可以縮短時間，而且學生可以自己在課余時間完成，如片劑的制備和注射劑的制備。（2）減少有毒試劑的使用，可以設計實際不能開展的實驗，拓寬實驗內容，保證實驗教學的安全性，如脂質體的制備。（3）不受場地的限制，可以開展GMP 仿真教學，讓學生體驗制劑生產的質量管理要求，建立逼真的實驗場景，使枯燥難懂的實驗變得形象化，易于理解。（4）不受儀器缺乏的限制，虛擬仿真實驗沒有用到儀器，可以避免因儀器受限帶來的影響，還可以減少實驗設備和高值耗材的損耗。總之，虛擬仿真教學可以設計和開展更多的實驗內容，彌補傳統實驗內容的不足，增加學生的學習興趣，同時也豐富了實驗的教學手段，以虛擬教學為補充，虛實結合，提高實驗教學的效果。

三、虛擬仿真教學的應用

基于藥劑學傳統教學的不足以及虛擬仿真技術的優勢，目前，我院采用虛擬仿真與傳統教學相結合的模式，建立部分項目虛擬仿真實驗，購進南京藥育智能虛擬仿真平臺，拓寬實驗教學的內容。下面以口服固體制劑片劑的制備為例，介紹虛擬仿真教學的具體實施。

（一）虛擬仿真教學模塊的設計

片劑的制備工藝流程包括物料領取、稱量、粉碎、過篩、混合、制粒、干燥等一系列操作步驟，虛擬崗位根據步驟進行設置，分別為稱量崗位、粉碎過篩崗位、混合崗位、制粒干燥崗位（擠壓制粒、流化床制粒、一步制粒）、整粒崗位、壓片崗位、包裝崗位。虛擬仿真平臺3D 仿真環境設置了片劑制備的整個場景，學生按照制備工藝流程依次獨立完成操作內容，了解每個崗位的操作流程。虛擬仿真實驗設計有練習模式和考核模式，練習模式有提示功能，考核模式則沒有提示。

（二）虛擬仿真教學崗位任務的設置

各個崗位都有各自的崗位要求和相應的任務，每個崗位都有知識點介紹、崗位操作規程、學習視頻。學生可以先觀看視頻，了解虛擬的實驗要點和儀器使用操作規程。進入一個崗位后主要有生產前檢查、生產工作內容以及完成后的清場工作，在操作過程中領取文件，填寫生產記錄，體驗藥品生產質量管理規范（GMP）車間生產的要求。片劑的制備各崗位的虛擬仿真運用機器進行操作，與實際企業生產片劑接近。因實驗條件的限制，實驗室中沒有流化床制粒機和一步制粒機，通過虛擬仿真實驗，流化床制粒、一步制粒機等大型設備以三維立體的形象展現在學生面前，進一步加深對片劑生產工藝的認識。同時，虛擬仿真實驗強化了GMP 的操作，如生產前檢查以及填寫生產前記錄、清場工作以及填寫崗位清場記錄，讓同學們意識到GMP 的要求。

（三）虛擬仿真實驗課效果的評價

利用虛擬仿真項目的考核模塊，通過考核來檢驗學生對虛擬仿真內容的掌握程度。教師在系統上組卷出題，可以設置文字題和仿真題。學生在練習模塊以第一視角獨立完成每一個任務，之后進行考核，考核的內容與練習模塊的崗位一致，但是沒有提示內容，學生完成考核內容后可以查閱操作記錄，顯示操作錯誤的地方，最后提交試卷。系統自動統計分數，在教師端可以查閱分數與相應的數據。系統的操作記錄可以迅速得到反饋信息，促進學生對知識的理解以及操作要求的熟知，也激發學生對虛擬仿真教學的興趣。

綜上所述，實驗教學能幫助學生理解和驗證藥劑學的基本理論，虛擬仿真教學能彌補儀器場地等資源的不足，不僅增加了教學的實驗內容，豐富了學生藥劑學知識體系，還提高了實驗安全系數以及降低了實驗成本。在開展虛擬仿真實驗的同時，可以增加設計性試驗，加強學生對實驗教學的認識，培養學生的動手能力以及創新意識。