趙建宏，楊武林，冀亞飛，袁煒，任福正，羅曉燕，馬磊，任國賓，鄧衛(wèi)平，宋恭華

（1.華東理工大學(xué) 藥學(xué)院，上海；2.上海醫(yī)藥集團股份有限公司，上海）

一 引言

制藥工程專業(yè)是一門由化學(xué)、藥學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科融合為一體的工科專業(yè)，主要培養(yǎng)能夠勝任制藥過程生產(chǎn)、經(jīng)營管理、科學(xué)研究等多個方面的高素質(zhì)工程技術(shù)及應(yīng)用型、創(chuàng)新型、復(fù)合型人才[1]。對于制藥工程這樣一門工科專業(yè)培養(yǎng)目標，學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，更加應(yīng)該具備一定的創(chuàng)新實踐能力[2]。因此，這就要求高等學(xué)校在培養(yǎng)制藥工程這一專業(yè)的學(xué)生過程中，重視實踐教學(xué)活動，在實踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提升學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。近年來，傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的弊端越來越明顯，新型的實踐教學(xué)模式也在不斷地探索實踐中。當今社會高速發(fā)展的信息化技術(shù)為實現(xiàn)實踐教學(xué)信息化提供了可能，在此背景下，虛擬仿真實踐教學(xué)應(yīng)運而生，為實踐教學(xué)開創(chuàng)了新型模式。

二 傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式及其弊端

制藥工程專業(yè)傳統(tǒng)的實習(xí)模式一般采取校企合作方式。通過學(xué)校與制藥企業(yè)的合作可以實現(xiàn)兩者的信息以及資源共享，制藥企業(yè)為學(xué)生提供參觀與見習(xí)的機會和平臺，一定程度上能夠彌補學(xué)校教學(xué)紙上談兵的缺點。學(xué)生可以借此機會走出課堂，深入企業(yè)內(nèi)部體驗實驗室小試研究、多種儀器如液相等分析、中試、生產(chǎn)、倉儲、三廢治理等系統(tǒng)性的實踐。學(xué)生可以在實踐過程中，初步明確自己的就業(yè)目標和職業(yè)方向，通過實習(xí)來確定自己以后想要從事的領(lǐng)域。但是近年來發(fā)現(xiàn)，去制藥廠的實習(xí)慢慢變成了走馬觀花的形式，一方面企業(yè)的生產(chǎn)車間、實驗室、分析室等幾乎所有區(qū)域均具有一定的危險性，尤其是在接待大量實習(xí)學(xué)生時安全風(fēng)險成倍上升，具有極大的安全隱患，從而增加了企業(yè)、學(xué)校對學(xué)生的安全管理投入；另一方面是制藥廠大多數(shù)區(qū)域均具有潔凈等級，對外來人員進入有一定的要求，如果有太多學(xué)生進行參觀，就會給企業(yè)的生產(chǎn)管理帶來很大的影響，增加企業(yè)的管理投入，因此越來越多的制藥廠在接待學(xué)生實習(xí)的問題上也越來越慎重，使得學(xué)生的實習(xí)變成走過場。此外，高校在安排生產(chǎn)實習(xí)過程中會有一些局限，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常會面臨一些問題，如部分學(xué)校會把生產(chǎn)實習(xí)安排在第五學(xué)期進行，然而此時很多專業(yè)課程教學(xué)并沒有開展，導(dǎo)致學(xué)生必要的專業(yè)基礎(chǔ)知識有所欠缺，從而影響實習(xí)效果；考慮到實習(xí)成本和企業(yè)接待能力，學(xué)校安排的實習(xí)周期往往時間較短，在有限的時間內(nèi)，無法對制藥生產(chǎn)過程進行深入了解；企業(yè)在安排生產(chǎn)實習(xí)過程中，往往會把學(xué)生分配到文職崗位，這種情況下對學(xué)生專業(yè)知識和技能的提高幫助有限[4]?；谝陨蠁栴}，探索利用新興的虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生在比較安全的條件下身臨其境地體驗實驗室和生產(chǎn)車間等，起到實習(xí)引領(lǐng)作用，具有十分重要的意義。

三 疫情形勢下的線上實習(xí)新模式

2020年初，一場突如其來的疫情不僅對人民的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響，也給教育系統(tǒng)帶來了嚴峻的考驗，高等教育同樣面臨巨大挑戰(zhàn)[5]。針對新冠病毒肺炎疫情對高校正常開學(xué)及課堂教學(xué)活動造成的不利影響，我校積極響應(yīng)教育部提出“停課不停教、停課不停學(xué)”的號召[6]，在嚴峻的疫情防控形勢下，確保學(xué)生的實習(xí)教學(xué)能夠有效推進，為此我們嘗試了線上實習(xí)教學(xué)活動，通過視頻連線，邀請制藥企業(yè)專家給學(xué)生進行線上講解，并且通過線上連線參觀制藥企業(yè)，通過視頻方式，對工藝生產(chǎn)線、設(shè)備流程、生產(chǎn)流程、三廢治理崗位及治理原理進行全面的展示，中間穿插QC分析、QA質(zhì)量管理、EHS防護和GMP理念等，讓學(xué)生對制藥企業(yè)的生產(chǎn)有一個全面、直觀的了解。我們還通過建立線上學(xué)習(xí)群組，利用語音、文字、視頻等在企業(yè)專家、帶隊教師、學(xué)生之間開展問答互動，學(xué)生出現(xiàn)疑問時，可以及時進行“一對一”交流，及時得到反饋和幫助，實習(xí)體驗堪比現(xiàn)場實習(xí)，也加深同學(xué)們對企業(yè)生產(chǎn)運營的了解，從而為日后的實地參觀企業(yè)和未來的就業(yè)工作打下了堅實基礎(chǔ)。

四 虛擬仿真實驗教學(xué)給學(xué)生帶來安全易懂的實驗指導(dǎo)

近年來，伴隨著多媒體新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遠程教育、線上教學(xué)的興起，高校的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式受到了強烈沖擊，針對高等教育中教育理念和教學(xué)模式的深化改革勢在必行，基于虛擬仿真技術(shù)的教育信息化應(yīng)運而生[7-8]。虛擬仿真技術(shù)是建立在通信、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、人機交互、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計算機生成的虛擬實驗環(huán)境進行人機交互和仿真的新型教學(xué)手段；虛擬仿真實驗教學(xué)可以通過完全模擬真實的實驗環(huán)境，讓學(xué)生可以直觀地感受到如現(xiàn)實般的實驗體驗，并且學(xué)生的學(xué)習(xí)可以不受時間與地點的約束，同時各學(xué)校之間還可以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源[9-10]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于制藥工程專業(yè)的實踐教學(xué)過程中，將會在發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢的同時讓實踐教學(xué)變得更加豐富和生動，同時可以推動在現(xiàn)代信息化社會背景下的新型實驗教學(xué)方法改革，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展實踐領(lǐng)域，降低實驗教學(xué)的成本和風(fēng)險。

為了讓學(xué)生在綠色無污染、無風(fēng)險的條件下進行相關(guān)實驗活動，完成實驗流程，在本校開設(shè)的《制藥工程及工藝實驗》專業(yè)必修課程中，我們運用虛擬仿真技術(shù)，建立了“基于正交設(shè)計基礎(chǔ)上的左氟沙星合成工藝虛擬仿真教學(xué)實驗”平臺。利用該平臺，既能夠保證實驗安全同時又增加了實驗的趣味性、科技含量，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生的實驗活動達到更好的效果。該項目采用先進的虛擬現(xiàn)實、全息投影技術(shù)，設(shè)計開發(fā)制藥工藝虛擬仿真系統(tǒng)軟件，形象展示運用正交設(shè)計原理對原料藥左氟沙星的合成工藝進行多因素多因子的設(shè)計，并通過有限次的實驗高效地得出最佳的合成工藝條件的過程。通過本項目的建設(shè)和應(yīng)用，讓學(xué)生將學(xué)到的知識運用于實際，牢固掌握制藥工藝研究思維以及樹立綠色制藥工藝的理念。本實驗根據(jù)現(xiàn)代左氟沙星原料藥藥企實際生產(chǎn)情況，結(jié)合GMP標準，設(shè)計制作可以讓學(xué)生在電腦端進行左氟沙星原料藥合成工藝實驗設(shè)計及優(yōu)化研究的虛擬化操作。學(xué)生以第一人稱或第三人稱視角模擬生產(chǎn)，將制藥工藝理論、綠色工藝理念、正交實驗法融入到一起，仿佛置身于現(xiàn)實的原料藥工藝研究過程中。整個仿真實驗包含左氟沙星原料藥的合成路線中各步實驗的操作過程演示、影響參數(shù)和影響因子分析、正交設(shè)計的原理意義及正交設(shè)計流程講解和演示；對各步的影響參數(shù)和影響因子進行正交設(shè)計；紅外、液相、旋光、熔點儀等儀器的分析操作演示；按照正交設(shè)計表進行虛擬實驗和使用分析儀器，分析得出每步最佳合成工藝路線、最佳工藝驗證實驗。整個項目分為2大模塊：知識講解模塊、實驗仿真模塊。

知識講解模塊中，通過組織整理大量相關(guān)的知識內(nèi)容，以及針對左氟沙星原料藥的合成路線中各步實驗的操作過程演示、影響參數(shù)和影響因子分析、正交設(shè)計的原理意義及正交設(shè)計流程講解和演示建設(shè)相應(yīng)的微課視頻，組織成項目知識庫。

實驗仿真模塊中，以左氟沙星原料藥合成的重點工段左氟羧酸的制備作為一期開發(fā)重點，完成整個實驗工段的仿真操作開發(fā)，同時建設(shè)正交設(shè)計流程仿真，學(xué)生可通過自主設(shè)計，進行實驗工藝的正交設(shè)計和分析。建議以上平臺取得了良好反響和效果，我們后期將補充建設(shè)2，3，4，5-四氟苯甲酰氯的制備、一步法制備環(huán)合酯、左氧氟沙星的制備、左氧氟沙星的制備改進、檢測等多個實驗?zāi)K，進一步完善。

五 虛擬實踐教學(xué)給學(xué)生帶來身臨其境的安全的車間體驗

虛擬仿真技術(shù)除了可以用于建立校內(nèi)課程實驗平臺，改進實驗教學(xué)方式與方法，同樣可以用于模擬、還原制藥企業(yè)真實生產(chǎn)場景，有效克服企業(yè)生產(chǎn)實習(xí)過程中存在的成本高、風(fēng)險大的痛點問題。依據(jù)虛擬仿真技術(shù)對制藥企業(yè)藥物生產(chǎn)工藝進行模擬，在計算機上形成一個沉浸式的虛擬仿真環(huán)境，學(xué)生可以漫游在仿真的制藥工廠環(huán)境中，根據(jù)需求進行制藥生產(chǎn)操作，認識生產(chǎn)過程中各設(shè)備組件及其作用，在虛擬實習(xí)環(huán)境中可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)[11]。虛擬現(xiàn)實仿真軟件綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺等感官功能，使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)體驗到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性及超越現(xiàn)實的虛擬性，而且能夠與之進行實時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間；通過建設(shè)虛擬仿真實習(xí)工廠，達到了“將工廠搬進學(xué)?！钡哪康?，從而實現(xiàn)了“教室-實驗室-工廠”三位一體的工程教育理念[12]。

為適應(yīng)新形勢下的教育教學(xué)改革，我校的制藥工程專業(yè)積極設(shè)立虛擬仿真工廠實習(xí)平臺，引進了制藥工程的全息數(shù)字沙盤平臺展示系統(tǒng)。利用該全息數(shù)字沙盤平臺展示系統(tǒng)，通過聲、光、電等多種形式對現(xiàn)代制藥企業(yè)的原料藥及制劑生產(chǎn)車間現(xiàn)場各元素進行表達，可以在學(xué)生面前呈現(xiàn)出真實的生產(chǎn)場景，同時通過同步的三維虛擬仿真場景，可讓學(xué)生同步學(xué)習(xí)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)所涉及的“人、機、料、環(huán)、法、檢”藥品生產(chǎn)六大要素。通過對此電子沙盤的學(xué)習(xí)，學(xué)生可實現(xiàn)一個從理論到實踐再到理論的上升過程，借助沙盤將自己代入到每一生產(chǎn)崗位，熟悉整個生產(chǎn)流程，提升對藥品生產(chǎn)過程中的問題分析以及將風(fēng)險管理知識用于藥品生產(chǎn)過程的能力，達到培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題能力、提升學(xué)生綜合素質(zhì)的目的[13]。

利用該全息數(shù)字沙盤平臺展示系統(tǒng)開展實習(xí)教學(xué)活動，能夠避免傳統(tǒng)工廠實習(xí)模式的弊端，同時達到制藥工程專業(yè)實習(xí)的目的，強化了學(xué)生對專業(yè)理論知識的掌握和應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實踐思維與能力，成為制藥工程專業(yè)實踐教學(xué)模式改革的重要舉措。

六 結(jié)語

在信息化教學(xué)背景下，虛擬仿真教學(xué)模式因其方便性以及技術(shù)的新穎性等優(yōu)勢，是高等教育變革中重要的新生力量，尤其在實踐性較強的制藥工程實踐教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景，充分使用虛擬仿真技術(shù)有望能夠克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)中的不足，但是目前該項技術(shù)還不夠完善，投入成本也相對較大，因此完全摒棄傳統(tǒng)實習(xí)模式也并非明智之舉，應(yīng)該各取所長，發(fā)揮1+1＞2的效果。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與日趨成熟，基于虛擬現(xiàn)實的教學(xué)新模式必將給未來的實踐教學(xué)活動帶來革命性的變化。