開放教育藥學虛擬仿真實驗平臺的建設研究

張碩旭

（河北開放大學， 河北 石家莊 050080）

隨著“互聯網+”時代的到來，新的多媒體和網絡技術逐步運用到教育教學的各個領域。開放教育中實踐類課程的教學如果還是采用傳統的教學模式，已經無法滿足開放課程的實踐教學需求。在以往的開放教育藥學實踐教學中，教師往往在課堂上進行模擬演示（圖片、案例、動畫、視頻），只有極少數的成人院校配備實驗室。原因是課堂演示成本較低，而建設和維護一個實驗室往往需要付出高昂的成本，主要包括實驗場地的施工，設備的購買、搭建、維護、操作及人員培訓等費用。此外，實驗設備的開放使用都有嚴格限制，無法讓學生隨時隨地進行實驗。總而言之，實驗室的建設和使用成本極大地受到“時間”和“空間”的限制。[1]

因此，在開放教育實踐教學過程中引進虛擬仿真技術進行教學改革，就顯得尤為重要。這一技術的使用可以促使課程實踐教學從傳統的知識型教學向技術應用型教學轉變，進而完成培養高質量、有創新能力的藥學專業人才的目標。

一、藥學專業實踐課程教學的現狀與問題

1.辦學條件相對不足，實踐環節中課程各項要求落實不到位

藥學專業的實踐教學對人員和場地有較高的要求，但是由于各成人辦學單位的辦學條件有限，沒有實驗室以及相關的實訓合作單位，因此實驗課開展條件較差成為共性問題，這樣勢必影響實驗、實訓課程的開展。目前，各辦學單位的實踐課主要是在課程中以案例形式或利用學生工作場所環境和道具來完成。而人才培養方案中的畢業實踐環節，也多采用學生邊工作邊實訓，學校配備畢業實踐指導教師進行遠程指導的模式來完成各項教學內容的要求。

2.實踐教學的實施標準和實驗方案單一，應進行總體設計

實踐課程的形式單一，主要為畢業實踐和畢業設計（論文）。其中畢業實踐多是以學生自身的工作內容作為實踐，最后完成實踐報告；畢業設計（論文），也是以往的導師+學生進行選題、寫作、答辯的模式。整個實踐教學越來越不能滿足藥學行業發展對人才的要求。因此，積極推進校企合作，聘請有經驗的藥廠技術專家、計算機專家以及學校的專業教師組成“藥學虛擬仿真實驗教學開發團隊”，對實踐教學的標準、實驗方案進行科學合理的總體設計，是解決這些問題最好的途徑。

二、虛擬仿真實驗室的優勢

虛擬仿真（virtual reality，VR）技術，又稱虛擬現實技術，是當今非常流行的一種新型教學媒體。[2]它綜合利用了數學模型、人工智能、集成技術、虛擬現實、增強現實、人機交互技術，以及傳感技術、計算機圖形學等信息技術。虛擬仿真實驗室具有以下優勢：

首先，虛擬仿真技術可以模擬實驗室環境并將實驗操作可視化，學生通過操作虛擬的實驗器材及設備來進行實驗，以達到接近真實實驗效果的教學目的和要求。[3]真實的實驗室受“時空”限制，無法實現學生隨時隨地開展實驗研究，但是虛擬仿真實驗室卻可以滿足這一需求。學生可以隨時隨地通過任何一臺移動終端，如手機、iPad、電腦等，聯網登陸虛擬仿真實驗室平臺進行實驗，將隨時冒出的新想法、新創意進行實驗驗證，極大程度地鍛煉了學生的創新能力，因此虛擬實驗室又被稱為“隨身實驗室”。

其次，避免藥學實踐中各種操作危險。藥學實驗中會涉及一些高危有毒有害的操作，所用到的各種設備成本高、消耗大，稍有不慎還會造成人身傷害。如果我們利用虛擬仿真實驗室，不僅能給學生提供一個安全的實驗環境，而且能節約成本。這樣學生在走上工作崗位之前，就已經通過我們打造的虛擬實驗環境掌握了相關操作技能，從而最大限度地消除了學生未來走上工作崗位后的安全隱患，打下了良好的實踐基礎。

最后，虛擬實驗室可以培養學生的創新思維意識。藥學實驗尤其是后期的專業實驗涉及多種設備，以前教師授課多是紙上談兵，現在有了虛擬仿真實驗室，教師可以利用虛擬實驗室里的3D軟件模擬實驗生產過程，甚至可以模擬一些由不當操作引發的安全事故，還可以對實驗設備進行拆分講解。這種將課程講解和實驗操作相融合的授課模式，必定會讓學生對藥學枯燥的理論知識產生更強的興趣，并能激發學生投入藥學科學研究的熱情。

三、虛擬仿真實驗平臺的設計規劃

為使藥學專業學生更好地獲取實踐知識，藥學虛擬仿真實驗室的建設勢在必行。一個較為完善的藥學虛擬仿真實驗室應滿足教師課程教學演示、學生仿真實驗操作、綜合實驗實訓、實驗模型的設計計算、科研創新等五個方面的需求。因此，我們將藥學專業課程體系內的實驗教學整合起來，分成驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗三種形式。實驗依托虛擬仿真實驗室、藥品生產GMP虛擬仿真實訓平臺來進行，并設計了基于虛擬仿真實驗室的考核評價體系，構建了“三位一體”的藥學實踐體系。

傳統文化教育是民族文化傳承和民族精神建構的基礎工程。文化的認同、民族精神的凝聚，必須以弘揚中華優秀傳統文化為依托。習近平對中華優秀傳統文化給予了高度的重視和評價，認為中華優秀傳統文化“是中華民族的突出優勢，是我們最深厚的文化軟實力。”[26]對傳統文化的地位，習近平認為，“博大精深的中華優秀傳統文化是我們在世界文化激蕩中站穩腳跟的根基。”[27]離開中國傳統的教育是“無根的教育”，傳統文化對民族精神建構的重要性不言而喻。

1.建立虛擬仿真實驗室

根據本專業《藥物化學》《藥劑學》《藥理學》等課程教學大綱的要求，學生應掌握藥物反應實驗、各種藥物劑型的制備方法、藥物的動物實驗等。然而，真實藥學實驗操作所需的設備數量多、價格昂貴，還要喂養實驗用動物，其投入的經費、人員和場地是巨大的。作為實行開放教育的院校，無法建設真實的實驗室，但又要解決教學的難題，因此迫切需要建立一個針對藥學專業的虛擬仿真教學實驗室。

（1）課堂演示：教師使用虛擬仿真實驗室中的仿真儀器設備、試劑及動物素材給學生進行課堂演示實驗，其真實直觀的實驗操作勢必會吸引學生的注意力，并激發學生的學習興趣，便于學生理解和掌握枯燥的理論知識。

（2）仿真操作：虛擬實驗平臺能夠無損耗地為學生模擬實驗實習的全部過程，仿真性的實驗操作使學生身臨其境，在提高學習興趣的同時還大大提高了學習效率。

2.建立藥品生產GMP虛擬仿真實訓平臺

藥品生產企業具有生產裝置多、工藝復雜、生產安全及保密性等特點，不可能接受學生入廠參觀和生產實踐。以往學校多采用給學生觀看藥廠生產操作視頻的形式來進行授課，但這種形式無法讓學生獲取真實的藥品生產操作技能，而建立藥品生產GMP虛擬實訓仿真平臺正好可以解決這一難題。

藥品生產GMP虛擬實訓仿真平臺可以滿足藥學相關專業的實踐教學要求，以藥品生產管理規范（GMP）作為知識支撐，利用framework、C#、Unity3D等技術，將現代藥物制劑生產工藝、崗位標準化操作（SOP）、藥物制劑設備、藥品生產過程的質量控制以及車間管理等內容納入其中，并使用游戲、動畫等形式吸引學生參與其中，彌補了教學脫離實際生產的弊端，進而提高了學生對藥品實際生產的認識和理解。[4]

（1）片劑生產線：該生產線模擬了濕法制粒工藝，并采用高速旋轉壓片機、片劑四用儀為模型，構建了虛擬的片劑生產場景。學生在此生產線上可以練習原輔料的處理、制粒、壓片等工序的標準操作，還可以學習使用片劑四用儀檢驗片劑的硬度、脆碎度、溶出度和崩解度，并進行外觀、重量差異限度、主藥含量等項目的藥品質量檢驗。

（2）顆粒劑生產線：該生產線可以模擬擠壓制粒、攪拌切割制粒、一步制粒三種類型的制粒生產工藝。學生可以實踐軟材制備、擠壓制粒、攪拌切割制粒、一步制粒等工序的工藝流程及設備標準操作的虛擬實訓練習。

（3）硬膠囊劑生產線：該生產線可以模擬硬膠囊劑生產流程。學生在虛擬生產環境中以第一人稱或第三人稱完成全自動膠囊填充機、鋁塑包裝機等設備標準操作及工藝過程的無限制訓練。

（4）小容量注射劑生產線：該生產線主要模擬對乙酰氨基酚注射劑的生產和質量控制。學生可以實踐濃配稀配、洗瓶烘干、灌封、燈檢等崗位的操作流程。

（5）洗瓶烘干崗位：學生在該崗位可以模擬操作超聲波洗瓶機、隧道式滅菌機，實踐安瓿三洗三氣操作、干燥和滅菌工藝流程，進一步強化風險管理、參數放行等教學內容。[5]

（6）灌封崗位：學生在該崗位可以模擬操作1/2安瓶灌封機，實踐安瓶灌封、裝量調節、裝量檢查、封口質量檢測等標準操作訓練。

（7）濃配稀配崗位：該崗位以濃配法工藝為模型，描述了配液罐、稱重模塊、在線清洗（CIP）、在線消毒（SIP）等系統，創建虛擬藥液濃配生產場景，用于藥液配制的虛擬化標準操作訓練。

（8）燈檢崗位：自動燈檢機采用攝像機拍攝生產線上藥液的序列圖像，把圖像傳入計算機。該崗位實驗通過三維仿真技術，為學生創建了一個虛擬的安瓿燈檢生產場景。

3.建立基于虛擬仿真實驗室的考核評價體系

基于虛擬仿真實驗室的考核評價體系重點考核學生的學習過程和學習能力，從驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗三部分進行考核。其中，驗證性實驗往往在各門理論課程之中，以單元實驗的形式展開，最終的成績也計入相應課程內；設計性實驗項目在倒數第二個學期開設，占4個學分；綜合性實驗項目難度比較大，復雜性也比較高，在最后一個學期開設，占10個學分。

（1）驗證性實驗：驗證性實驗考核以實驗課內容為主，多種方法并用，主要依托虛擬仿真實驗室來實施。成績評定主要從學生的預習情況、實驗操作情況、對實驗結構的分析能力、實驗報告的書寫情況等方面進行評分。

（2）設計性實驗：設計性實驗可替代原藥學人才培養方案中的畢業實踐，主要依托虛擬仿真實驗室進行實施，主要檢驗和考查學生的創新和探索能力。實驗方案和內容可以先由教師定方向，再由學生查閱資料、進行自主設計，教師審核通過實驗方案后方可進行實驗。在實驗完成后及時書寫實驗報告，最后由指導教師進行打分評定。設計性實驗的評定標準主要從實驗項目設計的完整性和先進性、實驗項目方案的完成情況、實驗報告的撰寫情況三個方面進行打分，分數分別占30%、50%、20%。

（3）綜合性實驗：綜合性實驗可替代原藥學人才培養方案中的畢業設計（論文），主要依托藥品生產GMP虛擬仿真實訓平臺來進行實施。綜合實驗項目內容復雜，一般以小組的形式集體完成。學生可自行結組，也可以由教師進行指定分組，然后在教師的指導下，小組成員集體進行整體實驗項目方案的設計，教師審核通過實驗方案后方可進行實驗。在實驗完成后，小組成員合作書寫綜合實驗報告，最后由指導教師進行打分評定。綜合實驗項目的評分主要考慮項目整體規劃以及實施完成情況兩個方面，分數分別占40%、60%。

四、結語

藥學實驗雖然可以采用虛擬仿真技術進行，實驗教學效果也稱得上良好，但是仿真不能替代真實。受困于計算機技術的發展水平，仿真實驗還存在著許多不足，如無法呈現真實藥學實驗視覺、嗅覺等方面的感官體驗；仿真實驗的內容還不夠豐富，而且多是理想化結果的呈現，學生的創新性實驗方案受困于技術水平，有些還無法實現等。除此之外，學生在虛擬仿真實驗平臺上操作實驗，無法及時進行師生之間的交流溝通，一些實驗中的疑問也得不到第一時間的解答。因此，目前虛擬仿真實驗不能完全替代傳統的實驗教學，只能作為傳統實驗條件不足情況下的有力補充。

未來，隨著數學模型、集成技術、人機交互技術、傳感技術、計算機圖形學、人工智能（AI、VR或AR）等仿真技術的進步[6]，可以使軟件呈現更逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等感受，理想化過程和結果可以盡量避免，更多的意外和突發情景的加入也可讓學生有身臨其境的體驗。不斷發展完善的虛擬仿真技術將會使硬件設備、軟件升級的價格不斷下降。不久的將來，虛擬仿真技術將會受到更多學校、教師和學生的青睞，也必將進一步推動我國教育事業的發展。