虚拟仿真技术在药学专业实验教学中的应用

王义翠 曹明卓 刘雅敏

(河南中医药大学中药学实验教学中心，河南 郑州 450046)

随着网络及计算机技术的迅猛发展，教育的信息化也越来越受到国家的重视，虚拟仿真实验教学方法应运而生。虚拟仿真实验教学是依托计算机、多媒体软件、人机交互、大数据和网络通信等技术，搭建的高度仿真的虚拟实验平台，学生在虚拟环境中进行实验，可以完成真实实验条件不具备或难以操作的教学方式[1]。虚拟仿真实验教学方法在教学领域得到广泛的应用，是教育信息化及其重要的组成部分[2]。

自2013年8月教育部正式开启国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作以来，河南中医药大学就紧跟时代步伐，根据实验教学需要，结合学校自身情况，积极筹建药学虚拟仿真实验教学中心。目前已建成理化虚拟仿真实验教学平台、生化与分子生物学虚拟仿真实验教学平台、药用植物虚拟仿真实验教学平台、制药工程虚拟仿真实验教学平台、中药炮制虚拟仿真实验教学平台、中药制药虚拟仿真实验教学平台[3]，并初步建设了各平台对的虚拟仿真课程群。

现以青霉素的生产为例，对比虚拟仿真技术引进前后的情况，介绍河南中医药大学开展青霉素虚拟仿真实验带来的教学成效。

一、传统教学方法存在的问题

青霉素的生产是《制药工艺学》课程的重要内容，该部分内容要求学生掌握青霉素发酵工艺、发酵所用设备、发酵原理、发酵方法、发酵过程中参数的调控、发酵仪表的使用方法和维护技巧。

发酵过程是一个非常复杂的化学变化和生理变化的串联生物反应过程，是一种典型的复杂演化系统[4]。现实中，青霉素发酵生产工艺复杂，所需设备很多且都价格不菲，生产过程中每个操作都有严格的标准，决不允许工人任意开、停机，更不可能为了熟悉操作而故意去制造事故。所以，学生动手机会很少，独立操作就更不可能，无法实现其想真正参与生产过程的愿望。

传统方法教学中，同学们对青霉素生产认识是很模糊的，上课的内容似懂非懂，上课积极性较差，教学效果很不好。在这种情况下，想让学生仅凭书本描述和经验公式来掌握青霉素生产反应过程的优化与控制基本上就是纸上谈兵。

二、青霉素虚拟仿真实验平台建设

(一)青霉素仿真车间

青霉素生产流程复杂、反应过程抽象，学生仅凭课堂上老师讲的理论知识很难达到掌握生产工艺、熟悉生产设备的要求。针对这种情况，学校引进了青霉素仿真车间。它是根据真实的青霉素生产车间按照一定比例缩小而建。该仿真车间建在实验教学楼2楼的大厅内，全天24小时对学生开放。打开仿真车间的电源开关，学生可以顺着信号指示逐一熟悉生产设备，了解生产流程，这不但能加深课堂理论知识的理解，还能为下一步的仿真实验提前做好准备。

(二)青霉素发酵仿真软件

青霉素发酵所需设备众多，价格昂贵，很难满足每个学生都想动手参加实验的要求。针对这种情况，学校购买了一批计算机，引进了青霉素发酵仿真软件，建成了发酵仿真实验室。

通过一对一亲自动手操作，观察工艺反应现象，进行开车操作，该软件可以使参加实验的学生都能充分的理解青霉素生产的工艺流程，同时还能对操作过程和结果进行客观的考核和评定。

三、开展青霉素虚拟仿真实验教学的成效

(一)有助于理论联系实际，加深理论知识的掌握

借助仿真车间学生可以熟悉青霉素生产流程，感性认识设备形态、大小及设备参数，知道青霉素生产的主要设备名称，有效地将老师课堂上讲的理论知识与实际相结合。借助虚拟仿真实验，学生对青霉素生产工艺流程有了更深一步的理解，达到考试时能够准确绘制青霉素生产工艺流程图和箭头图。

通过仿真实验过程中的反复操作掌握青霉素发酵工艺、发酵设备、发酵原理、发酵方法、发酵过程中参数控制、发酵仪表的使用和维护技巧，为以后自主解决青霉素发酵工艺过程中参数分析、参数调节、参数监控打下坚实的基础。

(二)节省实验经费，节约实验时间

利用虚拟仿真软件，可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足。以100个学生来计算，若要达到人人都有机会动手做实验的话，光制药设备就需上千万的资金，而建仿真实验室只需40万左右就能满足一人一机的目标，即使操作失误也不会损坏制药设备、危及人员安全，并且同样能起到真实的教学效果[5]。

青霉素仿真车间全天对外开放，学生可以自由安排时间进行学习，避免一次在场人员过多，造成不能仔细观察的不良效果。青霉素仿真软件是根据青霉素的实际生产时间按比例缩短的，学生利用两节课的时间就能完成实际几天甚至一个月才能做完的实验，大大缩短了实验时间。

(三)提高了学生的学习兴趣

仿真操作系统安装到电脑后，可以每人一台机器，人人亲自动手操作，点击按钮就可以进入工艺操作的要点和设置参数，感觉跟游戏闯关一样，期待看到自己设计的参数最后生产出的产品是个什么样子，是不是达到了预想的要求和结果。整个实验过程，学生通过自己的对实验关键点及参数的调控，生产出来产品，这种学习模式极大的激发了学生学习的主动性和积极性。

(四)降低实验成本，提高学生动手能力

学生通过仿真软件可以反复地进行练习，克服了传统生产实践中因发酵罐数量有限，材料涉及费用等问题，极大的降低了实验成本。

该仿真软件以学生动手为主，教师指导为辅，通过生产出理想产品为最终目的，大大提高了学生学习的主动性、自主性、创造性、完成产品的成就感。

(五)人才培养质量和社会评价

实践能力强的药学专业人才能够较好地适应社会需求的变化，受到用人单位的欢迎。虚拟仿真技术引进以后，用人单位普遍反映，毕业生理论功底深厚、动手操作能力强，具有发展后劲。仿真软件在教学中发挥了极其重要的作用，因此我们要不断完善并充分利用这一有效资源，让它大大提高教学效果，尽量满足零距离上岗的期望。

*基金项目：药学类实验教学的信息化平台构建与实践(No：GZS316)。

[1]杨大柱，李成学.虚拟实验的现状及发展趋势研究[J].青年与社会·中外教育研究，2011(1)：105-106.

[2]李平，毛昌杰，徐进，等.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11)：5-8.

[3]苏成福，刘雅敏，李玉贤，等.创建中药学类虚拟仿真实验教学中心的思考和建设思路[J].中国中医药现代远程教育，2016，14(17)：1-3.

[4]K Zuo，W T Wu.Semi-realtime optimization and control of afed-batch fermentation system[J].Computers and Chemical Eng.(S0098—1354)，2000，24(2)：1105-1109.

[5]唐英玲，肖海群.青霉素生产仿真在药学教学中的优势效果[J].中国科教创新导刊，2014(4)：151-152.