开放教育药学虚拟仿真实验平台的建设研究

张硕旭

（河北开放大学， 河北 石家庄 050080）

随着“互联网+”时代的到来，新的多媒体和网络技术逐步运用到教育教学的各个领域。开放教育中实践类课程的教学如果还是采用传统的教学模式，已经无法满足开放课程的实践教学需求。在以往的开放教育药学实践教学中，教师往往在课堂上进行模拟演示（图片、案例、动画、视频），只有极少数的成人院校配备实验室。原因是课堂演示成本较低，而建设和维护一个实验室往往需要付出高昂的成本，主要包括实验场地的施工，设备的购买、搭建、维护、操作及人员培训等费用。此外，实验设备的开放使用都有严格限制，无法让学生随时随地进行实验。总而言之，实验室的建设和使用成本极大地受到“时间”和“空间”的限制。[1]

因此，在开放教育实践教学过程中引进虚拟仿真技术进行教学改革，就显得尤为重要。这一技术的使用可以促使课程实践教学从传统的知识型教学向技术应用型教学转变，进而完成培养高质量、有创新能力的药学专业人才的目标。

一、药学专业实践课程教学的现状与问题

1.办学条件相对不足，实践环节中课程各项要求落实不到位

药学专业的实践教学对人员和场地有较高的要求，但是由于各成人办学单位的办学条件有限，没有实验室以及相关的实训合作单位，因此实验课开展条件较差成为共性问题，这样势必影响实验、实训课程的开展。目前，各办学单位的实践课主要是在课程中以案例形式或利用学生工作场所环境和道具来完成。而人才培养方案中的毕业实践环节，也多采用学生边工作边实训，学校配备毕业实践指导教师进行远程指导的模式来完成各项教学内容的要求。

2.实践教学的实施标准和实验方案单一，应进行总体设计

实践课程的形式单一，主要为毕业实践和毕业设计（论文）。其中毕业实践多是以学生自身的工作内容作为实践，最后完成实践报告；毕业设计（论文），也是以往的导师+学生进行选题、写作、答辩的模式。整个实践教学越来越不能满足药学行业发展对人才的要求。因此，积极推进校企合作，聘请有经验的药厂技术专家、计算机专家以及学校的专业教师组成“药学虚拟仿真实验教学开发团队”，对实践教学的标准、实验方案进行科学合理的总体设计，是解决这些问题最好的途径。

二、虚拟仿真实验室的优势

虚拟仿真（virtual reality，VR）技术，又称虚拟现实技术，是当今非常流行的一种新型教学媒体。[2]它综合利用了数学模型、人工智能、集成技术、虚拟现实、增强现实、人机交互技术，以及传感技术、计算机图形学等信息技术。虚拟仿真实验室具有以下优势：

首先，虚拟仿真技术可以模拟实验室环境并将实验操作可视化，学生通过操作虚拟的实验器材及设备来进行实验，以达到接近真实实验效果的教学目的和要求。[3]真实的实验室受“时空”限制，无法实现学生随时随地开展实验研究，但是虚拟仿真实验室却可以满足这一需求。学生可以随时随地通过任何一台移动终端，如手机、iPad、电脑等，联网登陆虚拟仿真实验室平台进行实验，将随时冒出的新想法、新创意进行实验验证，极大程度地锻炼了学生的创新能力，因此虚拟实验室又被称为“随身实验室”。

其次，避免药学实践中各种操作危险。药学实验中会涉及一些高危有毒有害的操作，所用到的各种设备成本高、消耗大，稍有不慎还会造成人身伤害。如果我们利用虚拟仿真实验室，不仅能给学生提供一个安全的实验环境，而且能节约成本。这样学生在走上工作岗位之前，就已经通过我们打造的虚拟实验环境掌握了相关操作技能，从而最大限度地消除了学生未来走上工作岗位后的安全隐患，打下了良好的实践基础。

最后，虚拟实验室可以培养学生的创新思维意识。药学实验尤其是后期的专业实验涉及多种设备，以前教师授课多是纸上谈兵，现在有了虚拟仿真实验室，教师可以利用虚拟实验室里的3D软件模拟实验生产过程，甚至可以模拟一些由不当操作引发的安全事故，还可以对实验设备进行拆分讲解。这种将课程讲解和实验操作相融合的授课模式，必定会让学生对药学枯燥的理论知识产生更强的兴趣，并能激发学生投入药学科学研究的热情。

三、虚拟仿真实验平台的设计规划

为使药学专业学生更好地获取实践知识，药学虚拟仿真实验室的建设势在必行。一个较为完善的药学虚拟仿真实验室应满足教师课程教学演示、学生仿真实验操作、综合实验实训、实验模型的设计计算、科研创新等五个方面的需求。因此，我们将药学专业课程体系内的实验教学整合起来，分成验证性实验、设计性实验、综合性实验三种形式。实验依托虚拟仿真实验室、药品生产GMP虚拟仿真实训平台来进行，并设计了基于虚拟仿真实验室的考核评价体系，构建了“三位一体”的药学实践体系。

传统文化教育是民族文化传承和民族精神建构的基础工程。文化的认同、民族精神的凝聚，必须以弘扬中华优秀传统文化为依托。习近平对中华优秀传统文化给予了高度的重视和评价，认为中华优秀传统文化“是中华民族的突出优势，是我们最深厚的文化软实力。”[26]对传统文化的地位，习近平认为，“博大精深的中华优秀传统文化是我们在世界文化激荡中站稳脚跟的根基。”[27]离开中国传统的教育是“无根的教育”，传统文化对民族精神建构的重要性不言而喻。

1.建立虚拟仿真实验室

根据本专业《药物化学》《药剂学》《药理学》等课程教学大纲的要求，学生应掌握药物反应实验、各种药物剂型的制备方法、药物的动物实验等。然而，真实药学实验操作所需的设备数量多、价格昂贵，还要喂养实验用动物，其投入的经费、人员和场地是巨大的。作为实行开放教育的院校，无法建设真实的实验室，但又要解决教学的难题，因此迫切需要建立一个针对药学专业的虚拟仿真教学实验室。

（1）课堂演示：教师使用虚拟仿真实验室中的仿真仪器设备、试剂及动物素材给学生进行课堂演示实验，其真实直观的实验操作势必会吸引学生的注意力，并激发学生的学习兴趣，便于学生理解和掌握枯燥的理论知识。

（2）仿真操作：虚拟实验平台能够无损耗地为学生模拟实验实习的全部过程，仿真性的实验操作使学生身临其境，在提高学习兴趣的同时还大大提高了学习效率。

2.建立药品生产GMP虚拟仿真实训平台

药品生产企业具有生产装置多、工艺复杂、生产安全及保密性等特点，不可能接受学生入厂参观和生产实践。以往学校多采用给学生观看药厂生产操作视频的形式来进行授课，但这种形式无法让学生获取真实的药品生产操作技能，而建立药品生产GMP虚拟实训仿真平台正好可以解决这一难题。

药品生产GMP虚拟实训仿真平台可以满足药学相关专业的实践教学要求，以药品生产管理规范（GMP）作为知识支撑，利用framework、C#、Unity3D等技术，将现代药物制剂生产工艺、岗位标准化操作（SOP）、药物制剂设备、药品生产过程的质量控制以及车间管理等内容纳入其中，并使用游戏、动画等形式吸引学生参与其中，弥补了教学脱离实际生产的弊端，进而提高了学生对药品实际生产的认识和理解。[4]

（1）片剂生产线：该生产线模拟了湿法制粒工艺，并采用高速旋转压片机、片剂四用仪为模型，构建了虚拟的片剂生产场景。学生在此生产线上可以练习原辅料的处理、制粒、压片等工序的标准操作，还可以学习使用片剂四用仪检验片剂的硬度、脆碎度、溶出度和崩解度，并进行外观、重量差异限度、主药含量等项目的药品质量检验。

（2）颗粒剂生产线：该生产线可以模拟挤压制粒、搅拌切割制粒、一步制粒三种类型的制粒生产工艺。学生可以实践软材制备、挤压制粒、搅拌切割制粒、一步制粒等工序的工艺流程及设备标准操作的虚拟实训练习。

（3）硬胶囊剂生产线：该生产线可以模拟硬胶囊剂生产流程。学生在虚拟生产环境中以第一人称或第三人称完成全自动胶囊填充机、铝塑包装机等设备标准操作及工艺过程的无限制训练。

（4）小容量注射剂生产线：该生产线主要模拟对乙酰氨基酚注射剂的生产和质量控制。学生可以实践浓配稀配、洗瓶烘干、灌封、灯检等岗位的操作流程。

（5）洗瓶烘干岗位：学生在该岗位可以模拟操作超声波洗瓶机、隧道式灭菌机，实践安瓿三洗三气操作、干燥和灭菌工艺流程，进一步强化风险管理、参数放行等教学内容。[5]

（6）灌封岗位：学生在该岗位可以模拟操作1/2安瓶灌封机，实践安瓶灌封、装量调节、装量检查、封口质量检测等标准操作训练。

（7）浓配稀配岗位：该岗位以浓配法工艺为模型，描述了配液罐、称重模块、在线清洗（CIP）、在线消毒（SIP）等系统，创建虚拟药液浓配生产场景，用于药液配制的虚拟化标准操作训练。

（8）灯检岗位：自动灯检机采用摄像机拍摄生产线上药液的序列图像，把图像传入计算机。该岗位实验通过三维仿真技术，为学生创建了一个虚拟的安瓿灯检生产场景。

3.建立基于虚拟仿真实验室的考核评价体系

基于虚拟仿真实验室的考核评价体系重点考核学生的学习过程和学习能力，从验证性实验、设计性实验、综合性实验三部分进行考核。其中，验证性实验往往在各门理论课程之中，以单元实验的形式展开，最终的成绩也计入相应课程内；设计性实验项目在倒数第二个学期开设，占4个学分；综合性实验项目难度比较大，复杂性也比较高，在最后一个学期开设，占10个学分。

（1）验证性实验：验证性实验考核以实验课内容为主，多种方法并用，主要依托虚拟仿真实验室来实施。成绩评定主要从学生的预习情况、实验操作情况、对实验结构的分析能力、实验报告的书写情况等方面进行评分。

（2）设计性实验：设计性实验可替代原药学人才培养方案中的毕业实践，主要依托虚拟仿真实验室进行实施，主要检验和考查学生的创新和探索能力。实验方案和内容可以先由教师定方向，再由学生查阅资料、进行自主设计，教师审核通过实验方案后方可进行实验。在实验完成后及时书写实验报告，最后由指导教师进行打分评定。设计性实验的评定标准主要从实验项目设计的完整性和先进性、实验项目方案的完成情况、实验报告的撰写情况三个方面进行打分，分数分别占30%、50%、20%。

（3）综合性实验：综合性实验可替代原药学人才培养方案中的毕业设计（论文），主要依托药品生产GMP虚拟仿真实训平台来进行实施。综合实验项目内容复杂，一般以小组的形式集体完成。学生可自行结组，也可以由教师进行指定分组，然后在教师的指导下，小组成员集体进行整体实验项目方案的设计，教师审核通过实验方案后方可进行实验。在实验完成后，小组成员合作书写综合实验报告，最后由指导教师进行打分评定。综合实验项目的评分主要考虑项目整体规划以及实施完成情况两个方面，分数分别占40%、60%。

四、结语

药学实验虽然可以采用虚拟仿真技术进行，实验教学效果也称得上良好，但是仿真不能替代真实。受困于计算机技术的发展水平，仿真实验还存在着许多不足，如无法呈现真实药学实验视觉、嗅觉等方面的感官体验；仿真实验的内容还不够丰富，而且多是理想化结果的呈现，学生的创新性实验方案受困于技术水平，有些还无法实现等。除此之外，学生在虚拟仿真实验平台上操作实验，无法及时进行师生之间的交流沟通，一些实验中的疑问也得不到第一时间的解答。因此，目前虚拟仿真实验不能完全替代传统的实验教学，只能作为传统实验条件不足情况下的有力补充。

未来，随着数学模型、集成技术、人机交互技术、传感技术、计算机图形学、人工智能（AI、VR或AR）等仿真技术的进步[6]，可以使软件呈现更逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等感受，理想化过程和结果可以尽量避免，更多的意外和突发情景的加入也可让学生有身临其境的体验。不断发展完善的虚拟仿真技术将会使硬件设备、软件升级的价格不断下降。不久的将来，虚拟仿真技术将会受到更多学校、教师和学生的青睐，也必将进一步推动我国教育事业的发展。