新工科背景下虚拟仿真教学在“药剂学”实验教学中的应用探索

孙少平，刘丽娟，李强

摘    要：“药剂学”是制药工程专业的核心课程，具有较强的实践性。实验教学是“药剂学”课程不可或缺的一部分，在学生实践能力和创新能力的培养中占据着重要地位。基于我国新工科发展战略对新型工程人才培养所提出的新要求，文章针对传统“药剂学”实验教学存在的弊端，探索将虚拟仿真教学应用于“药剂学”实验教学，充分发挥二者的优势，实现优势互补，以期达到较好的教学效果，最终培养出高素质、综合型制药工程人才，为制药专业的课程改革提供新的思路。

关键词：新工科；“药剂学”课程；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G640      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）04-0029-03

随着社会经济的不断发展与科学技术的不断进步，传统的工科专业人才培养模式已经不能满足社会的需求，因此，我国提出了新工科这一全新的工程教育改革方向[1-2]。而医药行业的蓬勃发展及各种新型疾病的出现，更加剧了对于制药工程专业人才的需求。

“药剂学”作为制药工程专业的核心课程之一，是一门研究药物制剂相关理论、处方设计、制备工艺及合理使用等内容的综合性应用技术学科。其理论知识较为抽象，具有较强的实践性。“药剂学”实验教学作为将理论知识向实践能力转化的桥梁，是培养学生自主创新能力的关键环节，是“药剂学”课程教学体系中十分重要的一部分。它通过实验过程，使学生理解和巩固在课堂上所学的理论知识，并初步掌握“药剂学”实验的基本技能。新工科的发展战略对于制药行业人才的实践能力和创新能力提出了更高的要求，而传统的“药剂学”实验教学中的一些问题也日渐显露出来[3-4]。

一、传统“药剂学”实验教学中存在的问题

“药剂学”实验所涉及的知识面较广，且具有较强的实践性、过程性、应用性和综合性[5]。制药工程专业教育不但强调学生的实践创新能力，还要求学生具备在制剂制备全过程中的资源整合能力和系统思维能力，这就使传统的“药剂学”实验教学在实践过程中显现出一些弊端。

1.受传统教学理念、教学条件等的限制，目前，许多高校在“药剂学”课程的教学中存在着重理论、轻实践的问题，这势必会对学生实践能力的培养产生较大的影响。

2.由于“药剂学”实验涉及多种剂型，所用到的仪器设备种类繁多、价格昂贵、体积较大、对实验场所洁净度有特殊要求等，导致实验成本较高。而且，由于制药设备更新换代较快，实验室现有仪器存在落后于企业现行工艺设备的情况，导致教学内容与学科前沿不能较好地对接，学生的认知、操作能力不能满足现代企业生产的要求。

3.“药剂学”实验对实验场所有一定要求，一些特殊剂型，如注射剂、眼用制剂、生物技术药物制剂等对环境洁净度要求较高，普通实验室难以达到。因此，很多实验无法开设，或者开设不规范，往往会给学生错误的导向，严重影响了实验课的教学效果。

4.由于实验课时有限，如试剂的配制，仪器使用前的安装、调试等准备工作，大多由授课教师或工作人员代为完成。这种方式虽然节省时间，确保了学生的安全，但是也使学生失去了宝贵的锻炼机会。另外，在传统的教学模式中，一些演示实验也往往由于班级人数较多而影响教学效果。以安瓿的熔封为例，由于演示的空间有限，在保持安全距离的条件下，前排学生因观察更加细致，能较好地掌握要点；而后排学生则由于距离远导致观察不够细致，经常会按照自己的想象进行操作，给后续实验带来一定的安全隐患。再者，大部分的“药剂学”实验往往需要学生分工合作，共同完成一个实验项目，这导致部分学生未能对实验的全过程进行实践及深入的思考，违背了实验教学设计的初衷，难以达到较好的实验训练效果。而一些较为经典的实验，如缓释制剂的制备与评价等因耗时过长更难以开设，使学生失去了重要的动手操作机会，造成相应的知识体系不够完整。

5.由于经费等问题，目前，大多数高校所开设的实验项目多为传统性、验证性实验，实验项目不够全面，致使学生简单被动操作过多、主动思考探索不足，创新能力得不到有效的锻炼[6]。同时，学生所学内容与学科前沿及企业岗位的对接不够紧密，实验资源的社会服务性严重降低。

二、虚拟仿真教学的优势

虚拟仿真平台按照GMP（药品生产质量管理规范）要求，借助3D虚拟仿真软件，将虚拟的实验场景与工艺过程融入到“药剂学”实验教学中。虚拟仿真平台模拟现代制药企业GMP车间从物料领取、制备过程单元操作，到产品包装全过程的制剂工艺生产线，学生通过角色扮演的方式进入车间进行仿真操作[7]。在新工科背景下，針对“药剂学”传统实验教学所面临的各种现实问题，将虚拟仿真教学作为一种新的教学模式引入到“药剂学”实验教学中，在注重学生基本操作训练的同时，强调知识向能力的转化，循序渐进地培养学生的实践创新能力，具有重要的现实意义[8]。

（一）有利于提高课堂效率

在传统的“药剂学”实验课堂上，由于学生课前预习的程度不同，教师需要花费较多的时间讲解相关的知识点，减少了学生实际操作的时间。而部分学生也会由于预习不充分，在实验过程中状况频发，难以达到较好的实验效果。采用虚拟仿真教学，教师在课前布置预习任务，学生充分利用平台资源，在实验前进行深入地预习，熟悉实验所涉及的相关知识点。而教师则可以通过平台反馈的数据，及时掌握学生的预习时长与质量。这种方式不但保证了预习效果，而且有利于教师了解学生在学习过程中存在的问题，进而有针对性地进行重点讲解，有利于课堂效率与教学质量的提高。尤其是对于学时较长的实验，虚拟仿真教学能够极大地缩短实验所需时间。

（二）有利于丰富实验教学内容

在虚拟仿真平台进行的实验教学无需使用真实的药品、试剂、设备，以及专业的生产车间，学生只需利用设计好的程序进行虚拟操作，实验内容、工艺流程、车间布局等可以通过视频、音频及文本等多维度展现出来[9]。尤其是对于一些危险性较大、成本较高、实验环境要求苛刻、通过传统“药剂学”实验开展有困难的实验，利用虚拟仿真技术能够实现对传统实验的有效补充与延伸，极大地丰富了实验教学的内容。

（三）有利于提升学生的学习自主性

虚拟仿真教学能够保证学生随时随地进行学习，不再受时间和空间的限制[10]。另外，将虚拟仿真技术应用于“药剂学”实验教学能够真实呈现制剂的工艺生产线，使学生深入有效地了解实际的生产工艺流程，设备的结构、原理与操作，以及人流物流的合理布局等。学生通过角色扮演，置身于高度仿真的实验环境中。虚拟仿真平台将复杂的工艺流程设计成一个个关卡，学生通过一步步正确的操作最终完成整个实验，在学习的过程中能够获得极大的成就感，进而激发学习热情。在虚拟仿真操作过程中，学生会遇到各种各样的问题，上一个问题得不到解决就难以进入下一步操作，这就促使学生通过对现有问题细致分析、主动思考，设计出合理的实验方案。这一过程也会极大地提高学生的学习积极性与主动性。

（四）有利于提升学生的实践能力

由于“藥剂学”实验项目众多，每个实验所涉及的仪器设备也相对较多，所要求的实验场所复杂多样，几乎所有高校都难以全部配备。同时，由于对制剂车间洁净度等有特殊要求，学生在毕业生产实习过程中也很难进入实际的生产车间。学生仅仅通过教师的讲解，难以建立形象的感知，无法进行切实的操作。采用虚拟仿真教学模式，将虚拟的实验场景、设备与过程融入到“药剂学”实验教学中，可以有效地解决这一问题。虚拟仿真实验不仅能够弥补传统实验教学耗时较长的缺点，同时，将更多的知识点融入实验，还有利于帮助学生建立完整的知识体系，拓宽其实验操作知识范围。学生经过多个实验项目的学习，能够更好地将理论与实践联系起来，进而应用于未来的实际工作中，有利于提高其自身的实践能力。

（五）有利于掌握学生的真实情况并提高教学效果

在传统的“药剂学”实验教学中，实验报告是评判学生学习效果的重要依据。然而，学生在书写实验报告时，常常是直接照搬实验讲义中的内容或者互相借鉴抄袭，对于实验现象、实验结果等的记录不够细致，教师很难掌握学生真实的实验情况。虚拟仿真平台提前设定正确的实验流程，学生在操作过程中如出现错误，软件会自动提示，并暂停实验，待学生解决问题、调整操作后再继续运行。如果学生自己不能解决，也可以利用平台的求助系统，或者通过网络、教科书、查阅文献进行解决，或通过观看演示视频进行解决。教师通过查阅平台反馈的数据，能够及时地了解学生实验练习的时长与质量。另外，教师可以利用平台的管理端组织考试，通过在线监控和在线答疑等方式，实时掌握学生对各种资源的使用情况，并进行在线辅导、与学生互动，有针对性地对学生加以指导，帮助学生更好地掌握相关内容，达到较好的实验效果；学生可通过平台的学员端与教师互动、分享学习经验、做课程笔记、提交实验报告和参加考试，拓展了实验的广度，增加了理解的深度。

总体来说，虚拟仿真教学具有提高课堂效率、丰富实验内容、降低实验成本、保障学生安全、减少实验垃圾，以及提升学生的学习自主性与实践能力，帮助教师及时掌握学生的真实学习情况并提高教学效果等诸多优点。因此，“药剂学”实验教学可以以传统实验教学为基础，以虚拟仿真教学为补充，通过虚实结合，来提高实验教学的效果。

三、虚拟仿真教学的实施

虚拟仿真教学借助3D仿真技术，模拟企业生产车间，严格按照GMP要求，涵盖制剂生产整个流程的全部知识点，并将质量控制贯穿生产的每个环节，真实呈现制剂的工业生产线[11]。学生以角色扮演的形式进入GMP车间，根据实验项目的要求进行生产操作，完成实验。具体实施方法如下。

1.开放运行：学生在已配套建设的共享互联网系统中登录。在学生初次登录时，系统推荐学习计划，让学生先了解整个实验项目的课程体系，了解软件的基本内容，熟悉操作方法，记录实验重点与难点，熟悉实验操作，以便在有限的课堂时间内，针对自己遇到的问题，更加高效、深入地理解实验内容、解决问题；教师利用后台的教师端可以实时掌握学生的学习情况，及时给予指导。

2.翻转课堂：采用翻转课堂的教学模式，学生课前先在网络上利用微课、仿真实验在线练习等资源熟悉实验项目，在此基础上，在课堂上借助平台系统进行实操学习，逐项完成生产所涉及的各个单元操作，系统后台对学生的操作进行自动记录与检测。如果学生在操作过程中出现错误，系统会自动提醒，学生分析原因、调整操作，直至每步顺利完成。教师可以根据后台数据的反馈，对核心内容进行有针对性地讲解。在这种教学模式下，学生能够更专注于通过自己的主动思考去解决问题，因而对知识点会有更深层次的理解。整个教学过程中，学生可以自主规划学习内容、学习进度，可以互相讨论，也可以向教师提问，进行实时的交流与反馈。实验结束后，学生记录相关数据，在教师的指导下深入分析操作中出现的问题，完成实验报告。教师则采用讲授法和协作法来满足学生的需要，促成其个性化学习。

3.仿真评价：在学生完成相关操作后，平台配套的操作指导评价系统能够按照具体的操作规范，根据学生操作的熟练程度与正确率，经过权重计算，逐项进行客观打分，学生能够得到更为详细、中肯的评价。

4.综合评价：教师结合线下实验与虚拟仿真实验，制定综合评分规则，对学生进行实验项目的综合评级。

通过对传统的“药剂学”实验教学模式进行改革，教师将虚拟仿真教学引入“药剂学”实验教学中，通过线上线下、虚实结合的教学模式，开辟出一条全新的“药剂学”实验教学思路。该教学模式能够充分发挥虚拟仿真教学的优势，弥补传统“药剂学”实验课程的不足，促进实验教学的信息化，极大地激发学生的学习热情，提高其学习自主性，真正做到理论与实践相结合，课本与实际生产相结合。将虚拟仿真教学引入“药剂学”实验中，可以有效解决原有传统模式下“药剂学”实验教学中存在的难题，学生通过身临其境的模拟操作训练，循序渐进地培养实践创新能力，以便将理论知识与实践紧密地联系在一起，更加系统、全面地掌握所学知识。在注重实验内容规范性、专业性、实用性和多样化的同时，有力促进学生实践能力与创新能力的培养，切实提高人才培养的质量，最终实现教学质量的提高，从而为新工科背景下制药工程专业应用型人才的培养及课程改革提供一些借鉴与参考，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]  钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1.

[2]  林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26.

[3]  戴玉杰，罗学刚，贾士儒，等.新工科背景下制药工程专业学生创新能力培养[J].中国轻工教育，2020（5）：17.

[4]  卢昊，刘宾，孙雄杰，等.虚拟仿真技术在药剂学实验教学中的应用[J].基础医学教育，2020，22（3）：217.

[5]  吴超.虚拟仿真在药剂学实验教学中运用初探[J].药学教育，2018，34（6）：77.

[6]  莫凤珍，黄建春，黄兴振，等.虚拟仿真技术在药剂学实验教学中的应用[J].亚太教育，2021（2）：7.

[7]  李文兰，李鑫，杨波.虚拟仿真技术在药剂学教学中的应用[J].广州化工，2019，47（24）：185.

[8]  柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020（17）：125.

[9]  汤继辉，宋珏，刘小燕，等.基于虚拟仿真及翻转课堂药剂学教学的设计及实践[J].齐齐哈尔医学院学报，2020，41（1）：106.

[10]  陈慧芝，周郁斌.药剂学线上线下实验教学中运用虚拟仿真技术的探讨[J].广东化工，2021，48（16）：351.

[11]  王刚，林清华，周改莲，等.基于虚拟仿真技术的中药药剂学实训教学研究[J].中国中医药现代远程教育，2021，19（19）：36.

编辑∕丁俊玲