3D虚拟仿真训练在生物制药专业生产实训中的应用

隋 毅，田 威，陈 光，沙露平，张怡轩*

（1. 沈阳药科大学 生命科学与生物制药学院，辽宁 沈阳，110016；2. 沈阳药科大学 制药工程学院，辽宁 沈阳，110016)

2011年生物制药专业经教育部批准成为“战略性新兴专业”，生物制药作为一种知识密集、技术含量高的新兴产业，是当今发展最活跃和最迅速的产业。中国作为人口大国，有1.7万人从事生物技术产业研究与开发，0.9万人从事生产和经营，仅相当于美国生物技术产业人数的1/4[1-3]。而从事生物医药产品研究与开发的人才更是严重不足，这已经成为制约我国医药发展的瓶颈[4]。

未来生物制药行业的竞争主要集中在复合型人才的竞争，提高生物制药专业学生的专业素养、动手能力，培养“一专多能”的人才是对教育工作者提出的新挑战[5]。信息技术和互联网技术的飞速发展，以互联网为基础的现代教育新技术，新方法，新模式不断地涌现，传统的实训教学已日渐被新的现代化技术手段所取代。以提高教学质量为核心，不断的探索与创新，让学生们走出课堂，走进工厂，发展成为符合时代需要的复合型人才。在科学技术的带动下，“互联网+教育”的模式已经应用于生物制药专业的生产实训中。3D虚拟仿真技术是利用计算机生成一个逼真的，具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。本文就3D仿真虚拟平台在生物制药工程实训中的难点和应用做一简单的总结。

1 生物制药专业学生在生产实训中面临的困难

传统的生产实训，由于受到环境、设备、教学条件和师资与学生配比的影响，很难实现实训和生产相结合的教育目的。面临的困难主要有：（1）生物工程类的实训设备较多，并且价格比较昂贵。总体上讲，学生人均设备偏低，在实际的生产实训过程中还涉及设备的消耗以及维护问题。学生首次接触真实的设备，初期大多数的学生会处于自由散漫、不知所措的状态，影响教学质量和实训的效果；（2）在生产实训过程中由于操作不规范，容易引发安全事故。虽然在实训开始前会对学生进行安全教育工作，但由于在短时间内学生不能充分的了解设备，在操作的过程中难免会造成一些损害，严重时还会影响生产实训的开展，导致实训效率降低，实训效果不明显；（3）实训周期长，项目多。在生物制药工程的实训过程中，由于涉及的科目较多，跨度广，生产周期长，很难在较短时间内达到一个统一的过程，在实训的过程中容易造成顾此失彼的现象[6]；（4）GMP是保证药品安全性和有效性的重要手段，国家对生物药品的生产环境也都是按照GMP的标准严格执行的。不正确的生产操作或不满足操作条件的环境都将影响企业的正产运转，进入生产实习阶段的学生往往由于实习时间短、未经系统培训、缺乏操作经验等原因，无法快速进入到真实的生产环境中，使生产实习变得越来越困难，实习效果大打折扣[7-8]。

2 3D虚拟仿真平台在生物制药专业生产实训中的优势

2.1 3D虚拟仿真平台使学生熟悉工厂的生产环境

生物制药专业是一门集合了微生物学、化学、生物化学、生物技术、药学等诸多学科的综合性学科。将上游的药物研发，下游的发酵、分离、纯化等不同的专业融合在同一条生产线内[9]，并且其生产环境必须严格按照国家规定的GMP标准执行，对于环境车间的洁净程度要求非常高，未经过系统培训的学生不能够进入到企业中进行实际实训操作。3D虚拟仿真平台可以完全按照GMP标准模拟生物制药需要的真实生产环境、工艺和设备等，保证生产过程中不同车间区域的明确划分，满足不同等级的要求，使学生在虚拟环境中就能熟悉整个药品的生产流程。在此条件的保证下，学生如入真实环境，通过计算机对各个单元采取仿真模拟操作，将生物制药企业生产环节的工艺路线解析为多个连续操作模块，学生通过计算机不断“试错”，从而熟悉不同岗位人员的岗位责任，达到与实训相同的效果，实现生产实训的教育意义。

2.2 3D虚拟仿真平台使学生熟悉生产设备以及工作原理

在生物制药的生产线中，每个单元操作都涉及很多具体的操作步骤，且每步均需要按照规定逐项完成，操作过程较为复杂。学生对生产过程的理解和设备结构的认识是生产实训中重点也是难点。如何较好的解决这一问题是实训教学顺利进行的前提保证。3D虚拟仿真平台中引入了动画教学，通过动画的播放以及相关文字的说明，使学生在进行实训之前可以充分的了解相应设备工作原理和操作过程。将教学过程中抽象的问题简单化，复杂的问题直观化，提高了学生的逻辑思维能力，让原本枯燥的课堂变得生动起来，加深学生对设备和生产过程的认识和理解。

2.3 3D虚拟仿真平台使学生熟悉各个操作之间的联系以及作用

生物制药过程简单说是需要不同的单元操作协同运行，以保证整个生产线正常运转。在3D虚拟仿真平台中，学生可以对生产过程中的每个单元操作进行反复练习，在操作中了解不同条件对生产过程产生的影响。例如在生产青霉素的过程中，原材料需要进行发酵，在发酵的过程中需要对温度、含氧量和pH等各种反应条件进行严格的控制，学生可以在3D虚拟仿真平台中根据自己的理解来控制发酵条件，从而观测不同的条件对后续生产的影响，这是在传统的生产实训过程中不能够实现的。传统的操作过程中学生只能够按照预定的程序和条件进行操作，不能够以自己的理解操作条件进行操作，通过3D虚拟仿真平台，学生通过不断的“试错”操作，对生产过程以及生产条件有着更加深刻的理解和掌握。在3D虚拟仿真平台中扮演不同的角色进行不同的单元操作，体会到每个单元在生产流程中的作用，提高学生的自学能力、培养学生独立思考的能力、探究能力和操作能力，为学生顺利进入工作岗位做好充足准备[10]。

3 3D虚拟仿真平台对生物制药专业生产实训的改革

3.1 对人才培养目标的设定

根据“新工科”人才培养、行业技术发展现状和趋势的要求，以及对生物制药行业本科人才培养及知识覆盖范围的要求，本科生应具备知识能力、技术能力、团体协作能力以及优秀的个人自我定位。通过在3D虚拟仿平台中进行线上的体验操作，会加深和巩固学生已经学习的理论知识，并掌握种子罐、发酵罐和分离罐的操作方法以及控制条件，培养学生的团体协作能力，明确自我定位，初步实现“新工科”背景下对生物制药人才的培养目标。

3.2 对生产实训中教学环节的创新

本着“以学生为中心”“突出学生主体地位”的教育理念，培养符合时代发展需要的“新工科”人才，必须打破传统的生产实训模式。借助“互联网+”技术的高速发展，依托网络化教学平台的教学方法已经成为一种趋势。借助于3D虚拟仿真平台实现了“线上线下，虚实结合”的教学模式，实现从“发现问题”到“解决问题”的教学形态。在实训过程中从以“教”为主转变为以“学”为主，打破了原有的“教授型+参观型”的生产实训模式，转变为以学生为主，教师为辅的讨论型课堂，提高了学生的学习兴趣。实训初期教师统一讲授实习中的注意事项，涉及到的理论知识点。进入实训阶段借助于3D虚拟仿真平台实现了学生的自主学习和自主操作。在实习中及时发现问题，提出问题，教师参与讨论并解决问题的讨论式教学模式，促进知识的内化，提升学习效果，在愉快的讨论环境中顺利完成教学的难点。如图1所示，在教学活动中实现了以学生主体，教师参与教学活动的模式。

3.3 对生产实训中教学效果的促进作用

Fig. 1 Teacher's teaching process图 1 教师的教学过程

3D虚拟仿真平台的应用，让我们实现了“线上线下，虚实结合”的人才培养方式。线下我们通过带领学生在实训中心进行生产过程的讲解，对生产线进行详细的介绍，使学生对生产流程有初步的了解和认识，在教师的讲解过程中学生可以触摸到真实的设备了解相应设备的操作以及在操作过程中的注意事项，如图2所示，学生在实训中心进行熟悉生产流程；线上我们应用3D虚拟仿真平台，实现了学生自己动手操作的目的，在仿真平台中可以完全模拟实际生产中的生产过程，生产环境以及生产条件，这样使得原本枯燥无味的机械化操作在仿真平台上变的生动有趣，激发了学生自主学习的热情和探究未知的激情，如图3，学生在仿真平台上进行虚拟训练；同时借助于学校与企业联合教学的模式，学生在线下进入到工厂近距离的参观，了解企业文化并在工程师陪同并进行参观讲解，及时解答同学提出的问题，如图4，学生在工厂进行参观学习。在生产实训中，真正实现了“线上线下，虚实结合”的培养模式，大大提升生产实训效果。

Fig. 2 Students are familiar with the production process in the training center图 2 学生在实训中心熟悉生产流程

经线下生产流程介绍，至线上虚拟操作，再到工厂实况参观，随着每一步规模的扩大、参与度的提升，都使同学大为震撼。与此同时，在企业中进行参观和学习不仅能加强学生对生产实训的认识，更能使其熟悉本专业毕业就业的工作环境。这在培养学生综合能力的同时，也将减小学校与社会之间的信息断层，有助于学生对自己未来的规划和职业定位。

Fig. 3 Students conduct practical training operations in the simulation platform图 3 学生在仿真平台中进行实训操作

Fig. 4 Students visit and learn in the enterprise图 4 学生在企业中进行参观学习

3.4 生产实训对考核标准细化的影响

在以往的生产实训学生成绩评定中，教师进行等级评定中往往带有主观随意性，缺少等级之间明显的界限，造成学生成绩分布呈现集中的特点，不能全面反应学生的实际水平。3D虚拟仿真平台的应用对考核环节的评价标准制定可以给出更为细化的标准，如表1所示。

Table 1 Comparison of students' performance before and after using the virtual simulation platform表 1 学生在使用虚拟仿真平台前后成绩比较

通过对3D虚拟仿真平台的使用：（1）细化3D虚拟仿真平台的操作评分。在考核规定的时间内，学生在3D虚拟仿真平台上对不同单元进行实际操作，根据操作的技术标准给出相应的分数，更加客观的反应出学生对不同生产线，不同的操作单元的掌握情况；（2）标准化学生生产实训的实习报告。学生通过自己的线上实际操作，把自己安放在工厂环境中，体验了不同岗位人员的工作环境，需要掌握的技能，同时发现了自身存在的不足之处，并了解生物制药行业的工厂环境，车间布局等。在报告中一切流程均按照平台预设的流程进行，并且字里行间会流露出学生在仿真实习后的真切感受，让学生对自己的职业有更加清晰定位和规划；（3）有利于学生个人能力的提升。在生产实训过程中，学生及时发现问题，提出问题，师生共同参与讨论问题并解决问题。通过学生的参与程度反应出学生的社会能力和个人能力，一定程度上也反映出学生通过仿真生产实训所获得的收获。

4 展望

3D虚拟仿真平台的应用同时具有能耗低，安全性能高，培训费用少的优点，学生可以针对重点难点问题进行反复练习，有的放矢，提高学生的学习热情。3D虚拟仿真平台的应用使学生摆脱了时间和空间上的限制，随时随地可以进行实际的模拟演练。利用3D虚拟仿真平台与线下教学相结合的方式，进行生物制药专业的生产实训。将虚拟现场变成生物药品的生产车间，学生变成工厂的一名操作工，体验不同岗位的工作要求[11]。3D虚拟仿真平台的应用解决了在传统生产实训中面临的问题，其在生产实训的初步应用给教师的培训授课带来了新的思考。

“线上线下，虚实结合”的教学手段，教师参与其中，引领学生自主思考，改善了实际操作时学生出现的注意力不集中、效率低下和自制力差的问题，达到了良好的实训效果。新的生产实训模式的应用既克服了传统生产实训中不可避免的问题，同时也弥补了单纯线上仿真教学所带来的弊端，培养“新工科”背景下所需要的新型人才。

学生通过对网络信息的学习和3D虚拟仿真平台环境切身感受工厂生产的真实状况。学生之间通过相互交流，相互讨论的学习模式达到解决问题的目的，养成探究发现式学习的习惯，提高学生逻辑思维分辨能力和解决问题的能力，培养了一批适应性强，、动手能力强、解决问题能力强的“三强学生”。