“三创”人才培养背景下的虚拟仿真实验平台建设

吴 莺，张南文，陈 洲，陈晓乐

(福建医科大学 药学院，福建 福州 350122)

教育工作要转变教育观念，改革人才培养模式，重视培养学生的科学精神和“三创”(创意、创新和创业)能力，是当前高校教育工作面临的一大挑战[1]。由于实验条件及生物安全的制约，一些高校在实验室无法常规开展的实验项目可以通过虚拟仿真平台来完成，学生操作不受时间和地点限制，在逼真的情景中掌握相关实验技能，拓宽知识面[2]。福建医科大学在教育部与福建省教育厅的政策支持下，积极抓住国内生物药物生产质量管理规范(Good Manufacturing Practices，GMP)虚拟仿真系统亟待开发这一机遇，在人才培养与教学创新两方面进行探索，组建师生共建虚拟仿真实验科研团队，充分调动本科生的参与积极性，尽可能发挥本科生自身优势，为培养学生的创新精神、创业意识和创业能力提供新思路。

一、师生共建团队建设项目介绍及组建条件

(一)团队组成与项目介绍

本团队由福建医科大学教师、生物制药专业大二与大三学生、福建医科大学免疫研究所GMP车间型实验室和相关生物制药企业中的企业导师组成。在校内专业教师和企业导师共同指导下，师生共同开发国内少有的基于哺乳动物细胞发酵系统的生物药物GMP生产虚拟仿真实验。本实验将生物药物的GMP生产流程分解为独立的模块化单元，包含细胞发酵、离心提取、细胞破碎(高压均浆机、高速研磨机)、纯化(盐析、凝胶脱盐、离子交换、凝胶层析、亲和层析、膜分离)、浓缩(真空减压浓缩、薄膜浓缩)和冷冻干燥等车间。学生可通过3D模型了解整个GMP车间的布局，掌握各个岗位的工作原理和设备的操作方法；通过拖拉多个模块化单元进行排序组合，这些模块如果逻辑关系正确且参数选取合理，就能构建一个可行的生产方案，实现生物药物的生产；还可根据虚拟软件中的设计方案，在实验室进行验证性操作，实现“虚实结合”及“线上—线下”相结合。

(二)师生共建团队的组建条件

师生共建虚拟仿真实验平台项目需要学校、教师、学生三方面相互支持与配合，积极推进项目建设。

1.学校的硬件及政策支持。学校可以“项目库”的形式引导项目的培育，给予项目资金、设备以及场地等支持，统筹推动且保证项目的顺利开展；在政策上大力支持项目的申报，鼓励学生积极参加各类大学生创新创业大赛，为学校及个人争得荣誉。

2.教师的引导和指导。教师是实施师生共建虚拟仿真实验平台的主要倡导者、指导者和参与者。因此，项目指导教师应具备良好的职业道德素养、崇高的敬业精神，重视平台建设，愿意投入时间和精力。同时，教师必须具备扎实的生物药物生产的理论基础知识和丰富的实践经验。为保证项目的先进性，高校教师要将自身的科研成果转化于教学之中，并将所拥有的该专业领域的资源与资料供学生参考，同时引导学生查阅相关书籍或搜索文献以扩展资料来源。拥有丰富实践经验的企业导师应保证师生收集资料的准确性及虚拟仿真平台设计的实用性。教师可通过阶段性的任务布置、检查和反馈把控项目进度，为项目平稳推进提供重要保障。

3.学生的积极参与。学生是项目的主要实施者，稳定积极的学生团队对于师生共建项目至关重要[3]。学生需要在繁重的课业任务之余，深入了解虚拟仿真平台并客观地反映自己的使用感受；查阅相关专业知识，撰写脚本；根据指导教师的安排和软件制作公司的反馈及时整改等。项目的共建会花费大量时间与精力，也需要每个团员扬长避短、各尽其责和分工合作。因此，进行团队学生选择时，在自愿报名的前提下，不仅要考虑其学习能力及创新意识，责任感、吃苦耐劳和团队合作精神的考察更为重要。(1)带头人需要有良好的管理能力。带头人在团队中起到统筹作用，安排分配任务，保证成员发挥自身优势。其需要有良好的管理能力、协调运作能力以及丰富的专业知识。(2)团队内部团结，成员优势互补。团结一心是团队的前提，只有团结才能发挥团队力量。学生群体由于接触的网络信息、兴趣爱好、教育背景、学习意愿、发展潜力以及主观能动性等的不同，个性产生较大差异[4]，团队成员拥有不同技能与特点，优势互补，可使成果最大化。(3)团队需要创新意识。大学生具有学习能力强、敢于创新的优势，要鼓励学生学习体验市场上已有的虚拟仿真系统，从使用者角度分析其优劣，提出增加虚拟平台趣味性和实用性的新想法、新思维，以增加学习兴趣，提高学习效果。

二、师生共建虚拟仿真实验平台实施模式

虚拟仿真实验以多种现代技术为依托，通过仿真各种大型仪器设备，设计各种实验场景和实验步骤，使学生在虚拟场景中通过人机交互的方式按照各种步骤开展实验，达到教师指定的各种实验项目的目的[5]。在构建虚拟仿真实验平台的过程中，教师负责平台构建的整体把控，勾画大框架，建立主干，学生负责平台的主体建设，在教师的指导下完善“枝叶”。

(一)前期准备

指导教师提供与虚拟仿真实验和本实验项目相关的资源供学生先行学习。学生进入本校已有的其他学科虚拟仿真实验平台学习操作，了解什么是虚拟仿真实验，从学生角度评价虚拟仿真手段在教学中的优势、弊端以及现有项目的优劣，取其精华，去其“糟粕”；进入“实验空间”网站，学习国家级虚拟仿真项目的设计理念和思路，继承优点，突破创新；深入学习本实验项目相关的理论知识和实验操作，结合虚拟仿真理念，提出自己的想法。

(二)项目制作

指导教师搭建实验框架，制订项目计划，整体把控项目进度，并根据学生特长与空闲时间段安排相应小组类别，分时间段布置不同的任务。学生在掌握一定理论知识后，由教师带领实地考察生物药物生产车间，了解车间布局、GMP要求及生物药物GMP生产的各个环节。整合教师提供的材料和自己搜集到的资料，按软件公司要求编写成规范脚本，交由教师和企业技术人员审核，通过后递交软件公司制作，并根据公司反馈不断修改完善。教师和学生共同审核软件公司制作的初稿，若存在问题，学生先自主开展讨论与总结，再将整改方案递交教师与专业人员进行修改与确认(图1)。

(三)项目反馈

虚拟仿真实验平台构建完成后，邀请本院3位生物制药专业教师和5位生物制药大三学生操作使用，使用后的意见为：该虚拟仿真平台实验场景逼真、操作简单流畅、知识点明确，但互动、趣味不足。师生团队根据意见加以改进：根据教学目标，在重要知识点的相关操作步骤前增加问答互动，若答题错误，则跳出相关知识点要求重新复习；以闯关学习模式配以我院卡通形象 “小药”，增加软件的趣味性。

三、师生共建模式的效果评价

以师生共建模式建设的生物药物GMP生产虚拟仿真实验平台已投入使用。在建设过程中，指导教师树立教学、科研、 服务三位一体的职能观念,在培养学生的同时，也丰富了工厂实践经验。在合作观念下的合理竞争促进了团队学生的成长,个人核心竞争力得到有效提高[6]。

(一)提高了学生综合素质

1.引导学生树立正确的合作和竞争意识。指导教师根据团队中每个学生的个性特点为其分配适宜的任务。一方面，学生间相互交流有利于集思广益，对培养学生的主体意识和团队意识，提高沟通能力和团队协作能力大有裨益；另一方面，组内成员在进行项目任务时能形成良性竞争，促进个人成长，在竞争与合作中树立正确的合作和竞争意识。同时，师生共建模式满足了学生的“参与感”和“获得感”，提高了学生的积极性，将团队的价值凝聚力以及人际凝聚力融合在一起，极大地激发了团队活力。

2.巩固、拓展学生专业知识。生物制药专业是实践性很强的工科专业。学生若只是了解书本中生物药物生产过程的理论，是感性且肤浅的，不能完全理解和把握其中的技术要领[7-8]。在本项目的建设过程中，学生通过各种资料，对虚拟仿真技术、生物药物GMP生产流程以及相关仪器使用进行了广泛而深入地学习，这使得课本的理论知识在课外时间得以延伸，锻炼提高了学生实践能力，增强了感性认识，强化了课堂学习效果，使理论知识与实践操作有机结合，有利于夯实学生的专业知识，扩展学生的知识面，为将来的学习与实践打下牢固的基础。在师生共建模式下，教师与学生的关系更加紧密，教师对学生的指导与帮助也更有针对性，更有利于学生专业知识的提高。

3.培养学生创新性思维与创新能力。实践技能培养是培养学生创新意识和能力的基础[9]。虚拟仿真实验平台在各高校已使用多年。开发一套既好用又有趣的平台需要在学习前人经验的基础上改进创新。虚拟平台建设的过程大大丰富了学生的创新经历，提高了创新能力。大量理论资料的学习和工厂的实地考察，夯实了学生创新的基础；鼓励学生自主设计虚拟实验，激发创新潜能；学生间积极交流，碰撞出创新的火花；从文字的脚本到可操作的动画，让学生感受到了创新的乐趣。

4.为创新创业项目和竞赛打下基础。师生共建的模式很大程度上调动了学生的主观能动性，项目的建成增加了学生的自信心和专业认同感，训练了多方面的能力：查阅文献、设计方案增强了学生自我学习、独立思考能力；通过对现有虚拟仿真实验的优化增强了学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力[10]。这些都为申报各级大学生创新创业训练项目和参加创新创业竞赛项目提供了技术支持和核心竞争力。团队学生依托本项目，成功获批福建省大学生创新创业项目。

(二)提高了教师的综合素养

高校教师主要教授理论和实验课程，大部分缺乏工厂实践经验[11]，在工程技术和产业实践方面投入精力不够，知识结构体系也不全面，导致并不完全了解行业技术的进展及行业对人才的真实需求，因此在实践教学中很难把握教学目标并有针对性地进行引导。生物药物GMP虚拟仿真实验的建设也是对教师工厂实践技能的训练。在资料查阅、工厂参观学习，特别是与企业教师的共同合作过程中，高校教师不但巩固了理论知识，而且能够把理论与实践、教学工作结合起来，提升教师个体的知识素养和工作能力。

四、生物药物GMP生产虚拟仿真实验平台使用效果评价

为了解本实验平台的实用性和适用性，更好地完善平台功能，笔者对使用者进行了匿名问卷调查。

(一)问卷调查

问卷共发放34份，回收有效问卷34份，问卷有效率100%。问卷内容涉及平台的学习效果、学生的接受程度以及改进措施等方面。结果表明，在使用生物药物GMP生产虚拟仿真实验平台进行学习后，多数学生认为可以从中弥补工厂实践的缺失，更形象地学习药品GMP生产流程，衔接课本理论知识与实际操作，从而更好地为步入工作岗位打基础，这与本系统的建设目的相一致。然而，本虚拟仿真实验平台建设时间不长，仍存在不足。问卷显示，实验中的知识点不足最为突出，仿真操作时间太短、仿真场景不真实和较难操作也是需要改进之处(表1)。

表1 生物药物GMP生产虚拟仿真实验平台使用情况

(二)改进措施

1.完善生物药物GMP虚拟仿真实验平台的“知识库”建设。本实验平台建设将重心放在构建GMP生产车间的框架上，而知识点教学方面略显单薄。今后将以细化生物药物生产所涉及的知识点板块作为重点内容之一，完善学前知识内容导入、学中知识点巧记、学后知识内容测验等内容。帮助使用者结合虚拟实践操作，加深其对相关知识点的理解和掌握。

2.强化虚拟仿真实验平台的真实性和可操作性。在今后的建设过程中，师生共建团队将联合企业相关技术人员优化操作界面以及操作步骤等细节内容，提高使用者在操作过程的“沉浸感”，进一步丰富使用者在学习过程的“真实感”，强化虚拟仿真实验平台的真实性和可操作性。

3.增加虚拟仿真平台的可延续性和完整性。本次建设的虚拟仿真平台只涉及生物药物的生产部分，缺乏质量控制环节，尚不完整。而生物药物在稳定性、生物活性、有效期和纯度等方面均有着更为苛刻的要求，故其质量监控项目和力度都不同于化学药物。今后将进一步完善本平台，继续建设质量控制部分，使学生了解生物药物的质控要求，并与化学药物的质控相比较，加强学生的质控意识，培养其严谨的工作态度。

随着新媒体技术的普及，虚拟仿真技术已经进入高校课堂教学领域[12]，相关平台的建成能够方便教师利用平台开展教学活动与科研项目，更好地服务学生和生物制药相关企业。师生共建模式以创新人才培养需要为导向[13],在培养本科生“三创”能力、学习自主性、团结协作和拓展学生专业知识技能等方面有着重要作用，可为各高校变革人才培育方式提供借鉴。