制药工程专业虚拟仿真实验室的建设探讨

钱建瑛+蒋敏+史劲松

摘 要：本文分析了虚拟仿真实验室的应用背景和优势，针对药学实践教学领域介绍了江南大学药学院虚拟仿真实验室的建设情况及特色，提出虚拟仿真实验室作为传统实验室教学的补充，将发挥越来越重要的作用，对理工科实践教学具有一定的借鉴意义。

关键词：虚拟仿真实验室；制药工程专业；实践教学

一、研究背景

自2013年教育部颁布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（高教司函[2013]94号）以来，全国各高校掀起了建设虚拟仿真实验室的热潮。虚拟实验室（Virtually laboratory）最早于1989年在美国弗吉尼亚大学由威廉·沃尔夫教授提出。最初的虚拟仿真实验室基于计算机网络的虚拟实验环境，现在的虚拟仿真实验室是借助于图形图像、仿真和虚拟现实操作流程等技术，在计算机上所营造的可辅助或部分代替，甚至全部代替传统实验各个操作环节的相关软硬件环境。虚拟仿真实验室这一新型教育手段的出现原本是作为传统实验的辅助，然而随着现代化通信和网络技术的发展，虚拟实验的内容越来越丰富，虚拟仿真实验室不仅可以模拟实验现象、操作流程，让学生身临其境地操作，还能形象地展示原本无法触及的实验原理、设备构造等，在培养学生学习兴趣的同时，降低了学生掌握相关内容的难度，革新了实验教学的思想和理念。

在药学实践教学领域，虚拟仿真实验室的建设尤为重要。随着制药技术的快速发展，药物制备的方法、剂型越来越多，生产过程对设备控制要求越来越高，而进入药厂进行实际动手操作的机会越来越少，本科生药厂实习往往沦为生产部门走马观花式的“一日游”；另一方面，药厂对毕业生的动手能力要求越来越高。因此，仅靠传统的实验设备和教学方法，已经无法满足人才培养的需要。虚拟仿真实验教学依托专业软件、多媒体技术和数据库技术，能将实际的药厂设备对象“放大”或“缩小”，将难以观察的设备内部结构可视化，将高成本、高危环境的实验、实训项目常规化，通过与现有大型设备、实验仪器的结合，起到相互补充、相互促进的效果。

二、虚拟仿真实验室的优势

虚拟仿真实验室的优势主要体现在以下几个方面。

1.实验过程更安全

以药物合成中试实验为例，合成反应釜一般工作压力超过10Mpa，反应温度大多处于150℃～250℃，釜体外部温度也极高。作为实验教学内容，让学生操作既不安全也不现实，因此需在虚拟仿真环境下，突破实验条件的制约，开展实验教学。

将传统的反应装置改为程序控制的软件系统，在计算机上开展虚拟仿真教学，从投料、温度、压力、搅拌速度等反应的设定，到排气、出料、冷却水的循环使用等参数，都能通过软件模拟进行，并能直观地看到各个条件下的运行状态，通过软件计算出产量、能耗等数据。

2.实验消耗更节约

以生物制药用的发酵罐为例，中试级别耗费原料达到吨级以上，并且每批次生产周期长达数周，实验成本巨大。该类实验通过虚实结合，采用小型仿真设备的操作，结合计算机模拟中试生产，可以大大节约成本，即便学生操作失误，也可以重复进行，不必担心实验消耗的问题。

3.教学内容更直观

如制药工程与设备类课程，需要教会学生了解制药设备的作用，掌握其中零部件的构造。由于形体复杂，有些零部件内部结构之间存在观察盲区。通过创建仿真模型库，对复杂零部件任意位置、任意角度剖切，能帮助学生全面把握复杂零部件内部结构特征，从而更容易掌握生产原理。

4.学习兴趣更浓厚

如药厂与车间设计类课程，传统的教学采用课堂教学和机房CAD制图的形式，学生对于药厂车间布局、物料流通、空气装置等核心因素没有直观的感受。通过仿真模型装配与实体拆装相结合，可以提高学生的学习兴趣，加深其对药学工业设计的整体认知，深化对专业知识的理解。

三、江南大学制药工程专业虚拟仿真实验室的特色

江南大学药学院所建设的制药工程专业虚拟仿真实验室，开设有虚拟仿真实验项目，涉及模型演示药厂布局，结合3D动画演示，解析从原料药合成到制剂产品出厂的每一操作过程。学生通过完成虚拟仿真实验项目，加深了对相关课程的理解。在计算机虚拟实验之后，学生再到药厂实习，大大提高了实习效果，降低了办学成本。

制药工程专业仿真展示中心全面建设完成后，可以成为江苏省公开化制药工程专业仿真展示中心：在实验教学方面，加速药学院大一、大二学生对药物生产过程的理解，使学生在接触药学专业课之前建立药物的概念，提升药学专业课程的教学效果；社会公益方面，定期组织高中生、初中生参观仿真展示药物生产中心，激发学生对药学专业的兴趣、热情，扩大江苏省药学专业人才储备，保持江苏省制药工业的先进性。

制药工程专业教学内容贯穿了药品研发—实验室制备—药理毒理—注册申报—生产—质量检查的全流程，在制药工程专业虚拟仿真实验室建立前，已经成功建设了江南大學制药工程实践教育中心。这些条件决定了虚拟仿真实验教学中心具有以下特色。

1.实验项目虚实结合，相互倚重

针对药物合成中试生产等高危险、高消耗的实验项目，虚拟仿真实验中心重点建设，而且相应项目需要经过实际实验验证，保证了虚拟仿真项目的真实性；对于大型设备或综合型实训项目，则用开发的虚拟实验项目进行补充。

2.理论教学与虚拟实验相辅相承

制药工程各专业中有些课程理论教学难以达到直观明了的教学目的，如药厂与车间设计。通过典型车间、设备、物料管线的模型配制，结合传统的CAD制图，学生将所学理论知识融合到仿真实例中，并与药厂的实际建设情况对比，可验证所学理论，使理论知识学以致用。

3.实验项目贯穿药物生产全流程，为专业教学提供支撑

制药工程专业仿真展示中心设置了药物合成、制剂、药厂与车间设计三个模块，各实验系统以实际的生产线、设备及药厂场景为模拟对象，具有很强的工程性、情景性与互动性，不同理论课及实验课方向可选取所需模块的虚拟实验项目开展教学，充分考虑了专业共享，有助于提升教学质量。

4.培养工程人才，适应企业需要

在制药工程专业仿真展示中心，学生可以直观地学习和感受到药品生产企业的实景情境，通过仿真设备的学习和操作，大大提高实际动手能力，为进药厂实习打好基础。

实验教学是各学科，尤其是理工科教学的一个重要组成部分，对于保证教学质量、培养学生动手能力和创新能力具有重要意义，实验教学甚至决定了理工科教学效果的优劣。江南大学药学院通过建设制药工程专业的虚拟仿真实验室，大大提高了学生实验的主动性和积极性，打破了现有的实验教学模式的限制，更有助于提高学生的发散思维能力和创新能力。随着虚拟仿真实验室数据库和模型库的不断充实，这种教学模式将在教学中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]白雁，张娟，潘瑾，等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，38（12）：169-172.

[2]杨帅，韩超.新时期实验室建设的四个“面向”[J].实验技术与管理，2006，23（1）：90-91.