信息技術(shù)時代制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺的建設(shè)與教育教學(xué)實(shí)踐

楚會 陳建 趙云輝 陳核章 劉雄

摘要：先進(jìn)的信息技術(shù)，對高校的教育教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，特別是對于制藥工程專業(yè)這一對實(shí)踐性要求較高的學(xué)科而言，如何有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是高校教育教學(xué)中亟需解決的問題。面對突發(fā)情況，虛擬仿真平臺的建設(shè)已成為時代之需和專業(yè)發(fā)展之需，能創(chuàng)新教學(xué)方式方法，拓展知識傳播路徑，提高教學(xué)質(zhì)量，同時也能有效降低實(shí)驗(yàn)成本，有效地解決好特殊背景下制藥工程專業(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的要求，不斷提升學(xué)生的專業(yè)能力和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：制藥工程；虛擬仿真平臺；教學(xué)改革

引言

在當(dāng)今信息時代，教育教學(xué)正迎來前所未有的變革與挑戰(zhàn)。特別是在制藥工程專業(yè)領(lǐng)域，隨著醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn)，對高素質(zhì)制藥人才的需求日益增加。為了適應(yīng)這一趨勢，建設(shè)符合現(xiàn)代教學(xué)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(shù)在制藥工程教育中的應(yīng)用，以及其對教學(xué)質(zhì)量提升、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(diǎn)、實(shí)現(xiàn)途徑以及在信息化教學(xué)下的輻射帶動作用，旨在為高校制藥工程專業(yè)的教學(xué)改革提供有益思路和實(shí)踐指導(dǎo)。

一、現(xiàn)實(shí)背景：制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺建設(shè)的生成邏輯

（一）是特殊情況下線上教學(xué)發(fā)展所需

線上教學(xué)的特點(diǎn)明顯，一方面可以不受時間、地點(diǎn)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(diǎn)也很突出，網(wǎng)絡(luò)授課是一種新的教學(xué)模式，對老師們來說，很難把控學(xué)生對知識的掌握程度，缺少相互交流。對學(xué)生們來說，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性不強(qiáng)，可能邊上網(wǎng)課邊干其他事情，學(xué)習(xí)效率也不高。因此信息技術(shù)背景下制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺如何更加合理的建設(shè)以及其教育教學(xué)如何更好的去實(shí)踐，需有更深的思考^[1]。

（二）是制藥工程專業(yè)學(xué)科發(fā)展所需

從制藥工程專業(yè)的角度來說，我國醫(yī)藥行業(yè)高速發(fā)展，并一直保持強(qiáng)勁的增長趨勢，成規(guī)模以上企業(yè)達(dá)8000家，但仍以仿制藥或原料藥為主，工藝水準(zhǔn)低，且規(guī)模較小，與發(fā)達(dá)國家相比，技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動力不足，生產(chǎn)工藝相對落后，競爭力不強(qiáng)，制藥企業(yè)難以適應(yīng)新工藝、新品種、新劑型的創(chuàng)新發(fā)展，其主要原因是制藥工程專業(yè)技術(shù)人才不足。因此實(shí)現(xiàn)新形勢下制藥工程專門人才的培養(yǎng)，為國家、企業(yè)培養(yǎng)高質(zhì)量的制藥人才，是大多數(shù)高校制藥工程專業(yè)教學(xué)改革關(guān)注的重點(diǎn)^[2]。因此，結(jié)合專業(yè)特色與學(xué)科優(yōu)勢，及學(xué)生創(chuàng)新發(fā)展的需求，建設(shè)具有專業(yè)特色的制藥工程虛擬仿真平臺，覆蓋虛擬仿真實(shí)訓(xùn)情景系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)資源共享，并貫穿應(yīng)用于制藥工程專業(yè)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)技能、競賽活動等培養(yǎng)過程中，能顯著提高學(xué)生對復(fù)雜工程問題的解析能力與工程應(yīng)用實(shí)踐能力，滿足社會對制藥工程專業(yè)人才的需求，對促進(jìn)制藥工程專業(yè)的發(fā)展具有重大意義^[3]。

（三）虛擬仿真技術(shù)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(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難題，也解決中國大學(xué)生動手能力不足這樣一個短板問題”。教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》，將國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)。世界慕課大會在清華大學(xué)召開，旨在凝聚發(fā)展共識、匯聚創(chuàng)新力量、分享實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、展現(xiàn)技術(shù)前景，以推動世界慕課與在線教育建設(shè)、發(fā)展和共享，探討了“虛擬仿真技術(shù)與教育”，分享了虛擬仿真的本質(zhì)和關(guān)鍵技術(shù)，利用虛擬仿真技術(shù)和裝備進(jìn)行教學(xué)的方案和體驗(yàn)。因此，虛擬仿真適應(yīng)信息時代高等教育開發(fā)辦學(xué)、資源共享的要求，是信息化教學(xué)的一個有效手段，補(bǔ)充實(shí)體教學(xué)的不足，節(jié)約成本^[4]。

二、實(shí)踐與創(chuàng)新：制藥工程專業(yè)虛擬仿真平臺的獨(dú)到優(yōu)勢

（一）虛擬仿真平臺的特征

利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以切實(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造力，利用實(shí)驗(yàn)軟件，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)的過程通過虛擬仿真系統(tǒng)就能迎刃而解。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺具有幾個特征：通過視覺和聽覺，產(chǎn)生一種非常接近真實(shí)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(tǒng)，系統(tǒng)接收信號又可以反饋過來，就好比我們通過鼠標(biāo)、鍵盤控制各種實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)就會作出相應(yīng)處理。虛擬仿真平臺的實(shí)現(xiàn)需要三維建模軟件、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)設(shè)計軟件。仿真模型是利用計算機(jī)建立的關(guān)于研究對象的邏輯模型，是系統(tǒng)或者對象本質(zhì)的簡化和抽象，是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的核心和基礎(chǔ)，通過3D Max、SketchUp等軟件構(gòu)建三維立體模型，通過Unity構(gòu)建三維互動場景。

虛擬仿真平臺建設(shè)的最終目的也是為了培養(yǎng)我們的青年學(xué)生，它涉及到青年學(xué)生以后的整個職業(yè)生涯，所以我們在虛擬仿真平臺建設(shè)過程中就要做好維護(hù)教育立場的問題，以各種形式賦予虛擬仿真課題人才培養(yǎng)的使命。虛擬仿真平臺建設(shè)是一種非常復(fù)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(shè)過程把知識講透，讓它貼近實(shí)際、貼近生活，同時能夠在學(xué)生學(xué)習(xí)的過程形成知識的共鳴、價值的共鳴，使得學(xué)生在通過虛擬仿真平臺建構(gòu)起豐富的知識體系，構(gòu)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(yǎng)觀，通過價值構(gòu)建、正確引領(lǐng)，培養(yǎng)能夠民族復(fù)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(shè)過程中，需要把提高人才培養(yǎng)質(zhì)量放在一個核心位置，因?yàn)樗幌窬€下教學(xué)，可以去言傳身教，在虛擬仿真平臺的建設(shè)過程內(nèi)容都是非常具體的，應(yīng)該做到樹人為核心，通過平臺建設(shè)與學(xué)生聯(lián)系起來，既要通過知識的傳輸實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，又要在這樣的一個過程中，實(shí)現(xiàn)正確價值觀、品格、能力的構(gòu)建，所以虛擬仿真平臺涉及到一個德育要求的落實(shí)問題，要真正做到塑造人、發(fā)展人和改變?nèi)恕Ｌ摂M仿真平臺的推進(jìn)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(shè)的實(shí)現(xiàn)途徑

國內(nèi)外利用虛擬仿真技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)手段包括：多媒體技術(shù)、可視化技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，國內(nèi)外眾多高校，都開始探索虛擬仿真教學(xué)，并逐步推廣，如北京化工大學(xué)成立丙烯酸甲酯全流程生產(chǎn)仿真平臺，該平臺針對化工類實(shí)習(xí)存在遠(yuǎn)離現(xiàn)場、只能看不能操作的問題，將真實(shí)設(shè)備、管道、儀表與仿真平臺結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物料動態(tài)工況模擬；天津商業(yè)大學(xué)成立青霉素工業(yè)化生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺以GMP為主線，突出生產(chǎn)操作仿真模塊、設(shè)備仿真模塊、在線學(xué)習(xí)模塊，實(shí)現(xiàn)了青霉素工業(yè)化生產(chǎn)從工程設(shè)計到生產(chǎn)操作的全流程模擬；英國Open University是世界上第一所遠(yuǎn)程教育大學(xué)，是在線高等教育領(lǐng)域的先鋒與領(lǐng)導(dǎo)者，其虛擬仿真平臺實(shí)驗(yàn)室聞名全世界，開發(fā)的各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供遠(yuǎn)程在線虛擬實(shí)驗(yàn)室，人們通過遠(yuǎn)程就能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的各種功能，大大促進(jìn)教育資源共享和數(shù)字化^[6]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多項(xiàng)特點(diǎn)：首先，它能夠替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提供各種難以在實(shí)地教學(xué)中展開的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，克服了場地和實(shí)驗(yàn)器材等限制。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，具備高仿真性、高效率和低成本的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計，代表了新技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。再者，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，實(shí)現(xiàn)個性化教學(xué)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程、步驟和可能出現(xiàn)的錯誤主要由教師預(yù)判，但面對多名學(xué)生時監(jiān)控困難。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還需大量人力、物力和成本，且實(shí)驗(yàn)室規(guī)模限制了使用人數(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)降低了投資成本，提供了無限拓展的實(shí)驗(yàn)空間和時間，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新的可能性。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)可以大幅度解決目前高校實(shí)驗(yàn)室不足、建設(shè)實(shí)驗(yàn)室成本高、實(shí)驗(yàn)室使用頻率高導(dǎo)致成本較高、某些實(shí)驗(yàn)具有危險性、有安全隱患等問題，它可以有效彌補(bǔ)甚至取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，成為新型的實(shí)驗(yàn)室。

（三）信息技術(shù)常態(tài)化下，制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺建設(shè)對教育教學(xué)的輻射帶動

1.增強(qiáng)教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)

將傳統(tǒng)的制藥工程實(shí)驗(yàn)在虛擬仿真系統(tǒng)中以生動、逼真的三維形式表現(xiàn)出來，規(guī)范學(xué)生的基本操作要點(diǎn)，提高學(xué)生對基本操作的熟練程度，提高學(xué)生的基本操作技能，減少實(shí)驗(yàn)過程中的誤差或錯誤；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計能夠和人才培養(yǎng)相聯(lián)系，在此環(huán)節(jié)尋找一些重要連接點(diǎn)，但針對制藥工作專業(yè)實(shí)驗(yàn)，知識體系的傳授一般以貫徹做法進(jìn)行，所以實(shí)際仿真系統(tǒng)開發(fā)過程不會很順利，并且比較復(fù)雜，需要認(rèn)真構(gòu)思這個系統(tǒng)，專業(yè)知識的傳授是非常專業(yè)的，價值體系的傳授要貫穿整個實(shí)驗(yàn)過程，構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)需要充分挖掘其存在的價值觀念。

2.研究教學(xué)方法，增強(qiáng)課堂的趣味性

使學(xué)習(xí)者在虛擬仿真系統(tǒng)中如身臨其境，增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，將實(shí)驗(yàn)原理理解得更加透徹、具體，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，最大限度的激發(fā)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力；我們的日常教學(xué)是需要不斷研究的，用創(chuàng)新的方法解決舊模式下沒能解決教學(xué)問題，當(dāng)今的教學(xué)研究是相對復(fù)雜的，需要從改進(jìn)中加強(qiáng)，從創(chuàng)新中提高，針對現(xiàn)實(shí)問題，達(dá)成制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，不斷優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量，超越現(xiàn)有的教學(xué)水平，面對現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)生課堂注意力不集中，使用手機(jī)電腦等情況，對整個教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一種巨大的挑戰(zhàn)，大學(xué)生是比較張揚(yáng)的，不像中小學(xué)那么容易受到約束，會做與教學(xué)無關(guān)的事情，學(xué)生會以不同的方式對待大學(xué)課堂，怎樣通過虛擬仿真教學(xué)，增強(qiáng)與學(xué)生的互動，探討虛擬仿真教育教學(xué)方法創(chuàng)新，探尋虛擬仿真教育教學(xué)規(guī)律，思考虛擬仿真教育教學(xué)方法改進(jìn)提高。

3.進(jìn)階知識傳輸途徑，降低實(shí)驗(yàn)成本

對于實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)，成本較高、危險程度較高的實(shí)驗(yàn)或者無法觀察的細(xì)微實(shí)驗(yàn)，都可借助虛擬仿真系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；降低時間、空間和材料的限制，使用者可以利用所有的實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)器材，隨時隨地走進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，享受探索和創(chuàng)造的樂趣。時代在變，學(xué)生也在變，教育教學(xué)方法也是在不斷進(jìn)階過程，知識體系在不斷更新，在知識傳輸?shù)耐瑫r，通過虛擬仿真課堂對學(xué)生起到思想價值引領(lǐng)，由于每個人的思想價值觀念都是由無到有，從簡單到復(fù)雜的過程，通過虛擬仿真課堂用藝術(shù)的方法去感化、去建構(gòu)學(xué)生的正確觀念，老師即人生導(dǎo)師，不僅傳授學(xué)生知識，還需引領(lǐng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識外部世界，在這個過程中，讓學(xué)生形成正確的奮斗目標(biāo)，把個人的發(fā)展和國家的發(fā)展聯(lián)系在一起。所以，在虛擬仿真課堂構(gòu)建過程中，需要一步一步提升學(xué)生對知識的追求境界，既能借用外部的力量推動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，又能與學(xué)生的內(nèi)在需求一致，利用合理的系統(tǒng)構(gòu)建來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。

結(jié)語

在當(dāng)今信息技術(shù)時代，制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺的建設(shè)運(yùn)用而生，它是一種新型的教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生積極參與線上課堂，增強(qiáng)學(xué)生在線上學(xué)習(xí)中的獲得感和參與感，虛擬仿真平臺的建設(shè)有助于完善制藥工程專業(yè)的課程教學(xué)體系，提高制藥工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐技能，提高制藥工程專業(yè)學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)技能方面知識的儲備，培養(yǎng)與企業(yè)實(shí)際需求相符合的制藥工程技術(shù)人才，擴(kuò)大本專業(yè)學(xué)生的就業(yè)范圍，增強(qiáng)就業(yè)競爭力。同時，虛擬仿真平臺的每個設(shè)計人才培養(yǎng)相聯(lián)系起來，在虛擬仿真平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)學(xué)生專業(yè)知識增長，操作技能提升，引領(lǐng)學(xué)生正確的價值取向，維護(hù)好教育的歷史使命和責(zé)任，培養(yǎng)能夠擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時代新人。

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

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（作者單位：湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

（責(zé)任編輯：豆瑞超）