制药工程专业虚拟仿真实验教学资源建设研究＊

李璇

（江苏省徐州医药高等职业学校实训中心，江苏 徐州221008）

实验教学是职业院校培养技能型和创新型人才的重要途径[1-2]。目前国内已有200余所职业院校开设制药工程专业，由于该专业实验成本高、实验耗时长等原因，针对其实验教学资源的建设仍在探索之中，现阶段的授课方式普遍依托理论教学，学生难以在短时间内对制药设备的结构特征形成感观认知，更难以掌握复杂的制药工艺流程、制药设备操作方式与故障维修方法[3-4]。因此，如何构建实验教学资源，进而提升实验教学质量和水平，成为当前制药工程专业建设和发展过程中亟待解决的问题。

随着信息技术的广泛应用，云计算、互联网+、大数据等现代信息技术为职业院校提供了全新的实验教学手段[5]。基于现代教育技术的虚拟仿真实验资源已成为“互联网+”背景下实验教学的重要组成部分，可以在制药工程专业实践教学中发挥重要作用。本研究拟针对制药工程实体实验存在的问题，探索虚拟仿真资源的内容体系、建设方法和管理机制，为虚拟仿真技术在制药行业的推广应用提供参考。

1 实体实验存在的问题

江苏省徐州医药高等职业学校致力于培养具有较强实践能力的制药工程技能型人才。依托书本授课等理论教学方式，学生难以快速掌握制药设备结构原理及制药工艺流程，而通过实体制药设备进行实验（实训）教学则存在以下问题。

1.1 实体实验成本高昂

制药工程实体实验设备价格高昂，且适用于职业院校实践教学的制药设备须成套购置，一般由粉碎机、切片机、炒药机、煎药机、压片机、制丸机、胶囊灌装机等二十余种制药设备组成，其价格近千万元，同时，其制药耗材和设备保养的费用也价格不菲[6]。而通过虚拟仿真资源开展实验，可以减少实体设备及相应耗材的购买数量，后期仅需进行软件升级、维护即可，可显著减轻制药工程实验设备购置的经济负担。

1.2 实体实验教学效率低

以江苏省徐州医药高等职业学校制药工程专业课程体系中的压片机操作实验为例，该实验时长为3个学时，而受限于实验设备的数量及实验场地的空间，每次参加实验的学生仅为6名，整班同学均参与一遍该实验的时长就已超过20学时，实验教学效率很低。而通过虚拟仿真实验资源，学生可以在软件中进行自主学习、自主训练和自我考评，考评通过方能进行实体实验。待到上机真实操作时，教师无需重复讲解实体设备的操作流程和注意事项，只需指导学生参照虚拟仿真资源的教学步骤进行实验，教学效率显著提高。

1.3 实体实验教学效果不佳

考虑到实体实验的材料成本，学生即使有上机操作的机会，但操作时长往往较短，无法保证所制作样品的良品率，且出于实验安全方面的考虑，学生实验过程中制作的药品往往品类固定且制药流程较为简单，无法实现对学生制药技能的全方位训练，教学效果不佳。而通过虚拟仿真技术，可以让学生针对多类型药品的制药工艺流程进行反复训练，较之传统实验教学方法优势明显。

2 建设内容

2.1 构建“四位一体”虚拟仿真教学资源体系

本研究立足制药工程领域，采用数字虚拟仿真、VR全景展现、人机交互等先进的教育信息化技术，以“制药工程教学资源”为中心，构建“制药工艺流程仿真”“制药设备操作仿真”“制药设备拆装仿真”“制药设备检修仿真”4个方面的虚拟仿真教学资源，每个教学资源涵盖若干实验项目，形成“四位一体”的实验教学体系，如图1所示。在资源建设过程中，开发团队以学校为建设主体，积极利用了企业的技术实力和服务支撑能力，系统建设与整合了制药工程专业“互联网+”虚拟仿真实验教学项目，建设了虚拟仿真软件资源、虚拟仿真硬件资源和虚拟仿真远程控制资源等优质教学资源。

图1 虚拟仿真教学资源体系

2.2 搭建“三级联动”的虚拟仿真实验共享平台

依托江苏省徐州医药高等职业学校国家级职业教育实训基地，对现有的异构信息平台和虚拟仿真实验教学项目加以整合和数据接入。依次建立制药工程专业实验教学、实践培训和科研服务虚拟仿真平台，如图2所示。3个平台功能联动、资源共享，形成一体化相互推动关系，实现实验、实践和科研的有机融合。同时，在门户网站基础上，优化平台技术体系，建立统一的虚拟仿真实验教学资源开发标准和平台接口规范，实现管理平台和实验项目的无缝对接与互相支撑。同时，在虚拟仿真平台门户网站的基础上，优化了平台技术体系，建立了统一的大规模在线开放共享虚拟仿真实验技术标准、虚拟仿真实验开发要求、虚拟仿真实验管理信息标准等，确保了虚拟仿真实验教学资源、软硬件资源等各方面内容的标准化和规范化，实现了管理平台和实验项目的无缝对接与互相支撑[7]。

图2 虚拟仿真实验共享平台

2.3 探索基于“互联网+”的在线共享网络架构

本研究以Unity 3D为虚拟仿真资源开发平台，SQL Server为后台数据库系统，采用Tomcat服务器对外提供Web服务及接口，同时基于B/S架构（浏览器/数据库）将所研发的虚拟仿真教学资源架设在高性能服务器中[8]。学生在参与实验时，不用下载传统的实验教学客户端，直接使用火狐浏览器、谷歌浏览器等即可在线访问虚拟仿真实验云资源。在线共享网络架构图如图3所示。

图3 在线共享网络架构图

2.4 建立“优化再生、持续提升”的管理体系

资源建设团队搭建了科学的绩效评价体系和完善的服务支撑体系，引入市场力量探索实验项目运行模式，促进实验教学资源优化再生和持续提升。依托所建设的虚拟仿真实验教学平台，对在线开放的“互联网+”虚拟仿真实验教学项目实施星级动态评价制度，并考虑有偿使用原则，最终建立“互补互利、成本均摊、服务有偿、收益共享”的运行模式[9]。在主管部门的指导下，采取“统一管理、统筹规划、资源共享、有效利用”的管理模式，实现制药工程专业虚拟仿真实验教学资源的日常管理。运行与管理机制架构如图4所示。

图4 运行与管理机制架构图

3 建设成效

江苏省徐州医药高等职业学校已对虚拟仿真实验教学资源建设进行了深入探索，联合南京药育、北京欧倍尔等软件公司开发相关三维模型、视频等教学资源近1 TB，研发虚拟仿真实验教学资源共计6套，建设虚拟仿真实验网络共享平台1个。基于以上教学资源开展实验，学生的实际动手能力以及解决工程实际问题的能力显著提升，近两年，学生获省市级以上技能大赛奖项20余项、获江苏省“互联网+”大学生创新创业大赛等奖项10余项。

限于篇幅，本文仅将部分虚拟仿真实验教学软件资源简述如下。

3.1 制药设备与生产环境虚拟仿真教学资源

制药设备与生产环境虚拟仿真教学资源，以现代药厂布局为参照，以2015版GMP为标准，采用Unity 3D技术对现代制药工厂、固体制剂的生产环境和生产工艺进行仿真模拟，如图5所示，包含了中药恒温提取和双效浓缩，片剂、颗粒剂等剂型，同时设计了生产辅助单元，例如纯化水制备、中控检测系统、空压系统的3D仿真模拟，实现了工厂仿真实训的辅助教学功能。设计了系统的知识点模块，包含有丰富的教学素材，借助文字、图片、三维模型等形式，对药品生产质量管理规范等相关知识进行讲解。

图5 制药设备与生产环境虚拟仿真实验资源交互界面

3.2 固体制剂虚拟仿真实验教学资源

固体制剂生产实训虚拟仿真实验教学课程将虚拟仿真技术纳入到现有的实践教学课程内容中，如图6所示。实验内容围绕药厂固体制剂（片剂和胶囊剂）“一头两尾”的不同工艺生产为主线，构建或囊括了片剂和胶囊剂一头的主工艺，两尾的不同分流工艺生产全过程的一体化生产体系和不同工艺生产的工程设计理念。仿真教学内容分别从制药工程专业各学科课程的不同角度展现或模拟了药品生产全生命周期的运营过程和管理维护机制。

图6 固体制剂虚拟仿真实验教学资源交互界面

3.3 现代中药制药过程虚拟仿真实验教学资源

现代中药制药过程虚拟仿真实验教学资源以甘草水提浓缩干燥制粒过程为研究对象，通过实际工业数据的研究，结合过程理论的优化，构建了符合工业生产过程的工艺仿真数学模型，将其导入本仿真模拟实训软件中，力求使实训软件相关数据贴近实际工业过程数据，使学生能够在较短的时间内就体验到庞杂的中药工业生产过程，如图7所示。根据实际工业生产流程，本仿真项目共包括中药水提、水提液浓缩、乙醇溶媒回收、粉碎、干燥、整粒以及总混7个模拟车间，在知识点上实现从现代中药制剂前工艺流程到现代制剂工艺全面覆盖。本仿真资源既可以作为中药相关专业的实训软件，也可以作为药学相关领域的实训参考平台。

图7 现代中药制药过程虚拟仿真实验教学资源交互界面

4 结语

面向职业教育领域的制药工程专业实验教学资源相对匮乏，且传统实体实验教学设备教学成本高、教学效率低差、无法满足“互联网+”时代实验教学的需求。江苏省徐州医药高等职业学校基于Unity 3D技术研发出制药设备操作、拆装、检修、工艺流程等虚拟仿真实验教学资源，形成了“四位一体”的教学资源体系及“三级联动”的教学资源平台，实现了制药工程专业在线式虚拟仿真教学资源的深度开发。进一步推进了现代信息技术融入实验教学，拓展了实验教学的广度和深度，延伸了实验教学的时间和空间，对解决目前制药工程专业传统实验教学存在的弊端具有一定意义，并可为相关高校虚拟仿真实验教学资源的建设与共享提供参考。