制药工程专业虚拟仿真实验教学建设可行性分析

赵颖娟，刘 梦，冯祖飞

（西安理工大学，陕西 西安 710048）

2020年，教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录（2020年版）》，制药工程专业为工学门类专业，属化工与制药类专业，本专业要求学生掌握化学、药学、制药工程和化学工艺等方面的基础理论和基本知识，掌握药物合成，有机精细化学品的基本合成、改性和配方的基本原理和基本技能，其专业建设目标是培养能够在制药及相关领域从事科学研究、技术开发、工艺与工程设计、生产组织、管理与服务等工作的高素质专门人才[1]。在教学仪器与实验设备方面，工科类专业应拥有一定数量的实验室中试规模或小型工业化设备，而制药工程专业涉及化学制药、生物制药、中药制药等不同方面，实验课程包含化学类、药学类、生物类、工程类等学科跨度较大的门类，建设涵盖全面且课时量大的传统实验课程难度较大。

近年来不断发展的虚拟仿真技术为制药工程实验教学打开了新思路。虚拟仿真技术是利用计算机生成一种模拟环境，在该环境下，用户通过三维动态视觉效果可以感受到真实的实验环境[2]。借由强大的人机交互、模拟仿真技术，学生在虚拟的环境中进行实验。随着近年来不断推进的教学改革工作的进行，很多高校不同专业都建立了虚拟仿真实验教学，也推动了国家级虚拟仿真实验教学平台的建立，这些实验平台的建设为制药工程专业虚拟仿真项目的建设提供了指导，也为其完整搭建虚拟仿真教学平台提供了参考。

1 制药工程专业实践教学课程困境

工程类专业的培养目标之一是使学生能够发现并解决工程实践中的实际问题，这就要求在培养阶段有意识地加强对学生实践能力的培养，与此对应的实践教学环节便成为举足轻重的一部分。而实际教学活动的开展往往面临着各种制约条件，在一定程度上影响制药工程专业人才培养。

1）教学时长。随着新教改的实施，制药工程本科教学要求学生所修学分为170～180，其中实践环节占据30～40学分。工科专业培养中的工程训练及毕业设计占据实践环节中较大的一部分，同时，部分实验流程复杂，需要占据较长的教学时间，致使在培养计划制定过程中必须对实践环节进行选择，实际开课很难实现全面的、深入的实践教学需求。

2）教学成本。制药工程所涉及的专业实验跨越化学、生物、化工等学科。生物制药方面以疫苗或抗体的生产为例，其实验耗材价格昂贵（如细胞、试剂盒等），且实验原料的运输和储存往往需要严苛的条件（如冷链运输、液氮保存等）。这些都在无形中加大了教学成本。而化工方面，需要用到很多精密的大型仪器设备，如果同时开设生物发酵类药品（胰岛素等）、化学合成药品（阿司匹林等）和中药提取类药品（青蒿素等）工业化小试实验，需要大量不同类别的仪器设备。尽管各个高校都加大了对本科教学的资金投入，但单独一个专业往往无法获得大量资金以购买和维护这些仪器设备。

3）教学场地。工程类专业强调实践，制药工程专业培养的目标中要求学生毕业后能够设计针对复杂制药工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程。而制药工艺流程设计、制药车间布局的能力需要学生在类似工厂化的环境中学习。很多制药专业在校内设有中试车间，但这些车间的规模受场地限制往往与实际的工厂差距较大，学生也无法在其中体会全套的药品生产和质量监管流程，这使得学生在校期间的实习教学收效不及预期。

2 国家级虚拟仿真实验平台应用分析

2017 年，教育部办公厅印发了《2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[3]，根据通知内容，截至2020年，已陆续认定了近千项虚拟仿真实验教学项目。同时，随着两批国家一流课程建设评审，已有很多高校在不同领域建立了高水平的虚拟仿真教学，在第一批国家级一流本科课程评审中，有728门虚拟仿真实验教学课程被认定为一流课程。根据国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（www.ilab-x.com）所展示的课程数据显示，截至2023年9月，在已经认定的国家虚拟仿真实验平台中，化工与制药类课程数为134门，其中，国家一流课程31门，省级一流课程50门。这些课程涉及的实验项目有青霉素工业化生产仿真实验（天津商业大学）、阿司匹林全流程虚拟仿真生产实训（杭州师范大学）、中药有效成分工业化提取仿真实验（吉首大学）等涵盖了生物制药、化学制药和中药制药不同学科方向。较为全面地为制药工程虚拟仿真实验平台的建设创建了基础。

其次，在生物科学类所涉及的109门课程中，有部分国家一流课程，如四川大学“23价肺炎球菌多糖疫苗GMP 生产制备实验”，厦门大学“鼻喷流感病毒载体新冠疫苗设计与评价”，华中农业大学“单克隆抗体制备及应用”等同样适用于制药工程专业学生。可以补足教学过程中由于教学时长、场地条件或实验设备等限制而不能实现的实训教学。

目前，在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台中，教师可以以学生身份加入所选实验进行学习。通过对平台上相关实验课程的学习，教师可从中筛选适用于自己课程的实验项目建立针对课程内容的线上实验。随着虚拟仿真类一流课程教学系统的易用性和开放性不断提升，不同高校虚拟仿真平台可以实现跨校引用，这使得目前还没有建成虚拟仿真平台的学校/专业也可以通过引入其他高校的课程带领学生实现虚拟仿真实验课程学习。虚拟仿真教学资源的共享使得高校教育更加开放，能够促进高等教育的进步，也可以避免大量同质化课程的重复建设。

3 虚拟仿真实验教学中存在的问题

国家虚拟仿真示范项目及虚拟仿真实验教学课程共享平台的建设，推动了高校教学改革，使得高校可以在传统的实验教学基础上，进一步推动线上实验教学及线上线下混合式教学模式，也使得不同高校的教学更加个性化，不仅延伸了实验教学的时间和空间，也拓展了实验教学的深度和广度[4]。但与此同时，随着虚拟仿真教学使用的人数逐渐增多，也暴露出了一些虚拟仿真实验教学在实践应用中的问题。

通过对在线虚拟仿真课程的体验，其推动方式多为视频化模块方式，课程软件会在每个模块中间出现需要学生设置的部分参数，如果学生没有按照正确顺序进行操作，系统会判定并扣除当前步骤分，操作者正确设置后继续。在多数视频中虽有实体化场景，但不同软件公司制造的视频清晰度和细节还原度有较大差异，部分视频过于粗糙，且互动性较差，仅以弹题选择形式推动流程，在操作流程上不能体现操作者主观能动性，VR 技术的强互动性在目前的虚拟仿真实验中体现不足。

对于虚拟仿真类实验，传统的由出勤率、预习报告、实验操作、数据处理和实验报告等构成的实验教学效果考核指标已不再适用。部分课程采用了教师课前发布课程目标和预习任务，学生通过阅读文档、观看视频等方式进行预习，并通过在线试题检验预习效果。课中，教师设定生产任务，学生自主设计操作方案，并实际操作，完成生产任务。课后，通过学生互评和教师综合评价判断学生学习效果。这种“课前—课中—课后”的三元评价体系比传统评价指标更适于虚拟仿真实验，但以学生为中心，更合理和多元化的评价体系还有待完善。

通过对国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（www.ilab-x.com）所展示的制药类相关课程的体验，发现部分课程后续实验平台维护较差，选择课程后可能出现网页不能正常浏览或视频加载异常等问题，某些课程实验中途不能继续推进或成绩不能记录，极大地影响了选课学生的体验感。同时，虚拟仿真类实验课程在教学内容更新方面比传统课程更加复杂，需要更精细的设计和更大的投入。

4 高校特色化虚拟仿真平台建设建议

针对生物类虚拟仿真实验教学平台的建设，有学者提出了五类建设内容的建议[5]，包括：依托学科优势及专业特色建设虚拟仿真实验；结合高校培养目标及地区特色，建设特色虚拟资源；针对高危、极端环境或高消耗、高难度的实验内容开展虚拟资源建设；与实训实习及生产应用等结合的大型综合训练类的虚拟资源建设。这样的建设方向同样适用于制药工程专业，目前已建成的优质虚拟仿真实验平台，大多发挥了该校本身的学科优势。四川大学以生物科学为背景建立了国家一流虚拟仿真课程“23价肺炎球菌多糖疫苗GMP 生产制备实验”；天津大学以化工学科为背景设计了“精馏综合拓展3D 虚拟仿真实验”；针对一些流程复杂，耗时久的实验项目，部分高校也成功开展了虚拟仿真实验教学。如浙江大学建成的“G 蛋白偶联受体FPR1全基因克隆、真核表达及功能测定虚拟仿真实验”，该实验结合了生物信息学、分子生物学，细胞生物学及生物化学，是一个大跨度的高消耗、高难度综合性实验。

同时，在目前高校的教育背景下，虚拟仿真实验的建设也应与时俱进，根据实际需求建设新项目。复旦大学公共卫生与预防医学专业开设的“不明原因疾病暴发调查处置虚拟仿真课堂”，南京中医药大学生物医学专业开设的“新冠病毒患者炎症因子风暴防治虚拟仿真实验”及厦门大学生物科学专业开设的“鼻喷流感病毒载体新冠疫苗设计与评价”。分别从重大流行性疾病调查处置、临床诊断处理和疫苗生产方面设计了适用于本专业的课程，实现了理论联系实际，培养了学生运用专业知识解决实际问题的能力。

在未来的虚拟仿真课程平台建设中还应紧跟课程思政建设需求，在对工科类课程思政的建设中可以从科学精神、绿色环保、可持续发展、核心技术、社会伦理等5个方面的思政点出发[6]。如中国科学院天津工业生物技术研究所的原创性研究突破，从二氧化碳到淀粉分子的全合成，被认为是影响世界的颠覆性技术。这项技术对于可持续发展具有重要意义，在不涉及专利技术的条件下，可将其中部分反应设计为学生虚拟仿真实验中的环节，使学生了解我国在该领域的领先技术，培养学生的家国情怀。

5 结束语

在制药工程实践教学中，虚拟仿真可作为传统实验课程的补充，可以做到时间瞬时化、地域无界化。通过线上虚拟仿真教学，高校可以在节约人力及时间成本下完成某些大型、高成本实践教学。资源的开放性也使得高校之间可以通过线上虚拟仿真课堂交流互通。在制药工程专业认证中，学生的实践能力为一项重要的考核目标，而虚拟仿真实验教学平台的建设和应用无疑将会为本专业人才培养提供更多的选择性，体现了以学生为中心，提升了专业实践教学水平。