制药工程专业实践教学新模式的探索与思考

赵建宏，杨武林，冀亚飞，袁炜，任福正，罗晓燕，马磊，任国宾，邓卫平，宋恭华

（1.华东理工大学 药学院，上海；2.上海医药集团股份有限公司，上海）

一 引言

制药工程专业是一门由化学、药学和工程学等多学科融合为一体的工科专业，主要培养能够胜任制药过程生产、经营管理、科学研究等多个方面的高素质工程技术及应用型、创新型、复合型人才[1]。对于制药工程这样一门工科专业培养目标，学生在掌握理论知识的基础上，更加应该具备一定的创新实践能力[2]。因此，这就要求高等学校在培养制药工程这一专业的学生过程中，重视实践教学活动，在实践教学中培养学生的创新思维、提升学生的创新能力[3]。近年来，传统实践教学模式的弊端越来越明显，新型的实践教学模式也在不断地探索实践中。当今社会高速发展的信息化技术为实现实践教学信息化提供了可能，在此背景下，虚拟仿真实践教学应运而生，为实践教学开创了新型模式。

二 传统实践教学模式及其弊端

制药工程专业传统的实习模式一般采取校企合作方式。通过学校与制药企业的合作可以实现两者的信息以及资源共享，制药企业为学生提供参观与见习的机会和平台，一定程度上能够弥补学校教学纸上谈兵的缺点。学生可以借此机会走出课堂，深入企业内部体验实验室小试研究、多种仪器如液相等分析、中试、生产、仓储、三废治理等系统性的实践。学生可以在实践过程中，初步明确自己的就业目标和职业方向，通过实习来确定自己以后想要从事的领域。但是近年来发现，去制药厂的实习慢慢变成了走马观花的形式，一方面企业的生产车间、实验室、分析室等几乎所有区域均具有一定的危险性，尤其是在接待大量实习学生时安全风险成倍上升，具有极大的安全隐患，从而增加了企业、学校对学生的安全管理投入；另一方面是制药厂大多数区域均具有洁净等级，对外来人员进入有一定的要求，如果有太多学生进行参观，就会给企业的生产管理带来很大的影响，增加企业的管理投入，因此越来越多的制药厂在接待学生实习的问题上也越来越慎重，使得学生的实习变成走过场。此外，高校在安排生产实习过程中会有一些局限，导致学生经常会面临一些问题，如部分学校会把生产实习安排在第五学期进行，然而此时很多专业课程教学并没有开展，导致学生必要的专业基础知识有所欠缺，从而影响实习效果；考虑到实习成本和企业接待能力，学校安排的实习周期往往时间较短，在有限的时间内，无法对制药生产过程进行深入了解；企业在安排生产实习过程中，往往会把学生分配到文职岗位，这种情况下对学生专业知识和技能的提高帮助有限[4]。基于以上问题，探索利用新兴的虚拟仿真技术，让学生在比较安全的条件下身临其境地体验实验室和生产车间等，起到实习引领作用，具有十分重要的意义。

三 疫情形势下的线上实习新模式

2020年初，一场突如其来的疫情不仅对人民的生活、生产产生了重大的影响，也给教育系统带来了严峻的考验，高等教育同样面临巨大挑战[5]。针对新冠病毒肺炎疫情对高校正常开学及课堂教学活动造成的不利影响，我校积极响应教育部提出“停课不停教、停课不停学”的号召[6]，在严峻的疫情防控形势下，确保学生的实习教学能够有效推进，为此我们尝试了线上实习教学活动，通过视频连线，邀请制药企业专家给学生进行线上讲解，并且通过线上连线参观制药企业，通过视频方式，对工艺生产线、设备流程、生产流程、三废治理岗位及治理原理进行全面的展示，中间穿插QC分析、QA质量管理、EHS防护和GMP理念等，让学生对制药企业的生产有一个全面、直观的了解。我们还通过建立线上学习群组，利用语音、文字、视频等在企业专家、带队教师、学生之间开展问答互动，学生出现疑问时，可以及时进行“一对一”交流，及时得到反馈和帮助，实习体验堪比现场实习，也加深同学们对企业生产运营的了解，从而为日后的实地参观企业和未来的就业工作打下了坚实基础。

四 虚拟仿真实验教学给学生带来安全易懂的实验指导

近年来，伴随着多媒体新技术、网络远程教育、线上教学的兴起，高校的传统课堂教学模式受到了强烈冲击，针对高等教育中教育理念和教学模式的深化改革势在必行，基于虚拟仿真技术的教育信息化应运而生[7-8]。虚拟仿真技术是建立在通信、网络、多媒体、人机交互、虚拟现实等技术的基础上，以计算机生成的虚拟实验环境进行人机交互和仿真的新型教学手段；虚拟仿真实验教学可以通过完全模拟真实的实验环境，让学生可以直观地感受到如现实般的实验体验，并且学生的学习可以不受时间与地点的约束，同时各学校之间还可以共享优质实验教学资源[9-10]。将虚拟仿真技术应用于制药工程专业的实践教学过程中，将会在发挥其独特的优势的同时让实践教学变得更加丰富和生动，同时可以推动在现代信息化社会背景下的新型实验教学方法改革，丰富教学内容，拓展实践领域，降低实验教学的成本和风险。

为了让学生在绿色无污染、无风险的条件下进行相关实验活动，完成实验流程，在本校开设的《制药工程及工艺实验》专业必修课程中，我们运用虚拟仿真技术，建立了“基于正交设计基础上的左氟沙星合成工艺虚拟仿真教学实验”平台。利用该平台，既能够保证实验安全同时又增加了实验的趣味性、科技含量，从而激发学生的学习兴趣，使得学生的实验活动达到更好的效果。该项目采用先进的虚拟现实、全息投影技术，设计开发制药工艺虚拟仿真系统软件，形象展示运用正交设计原理对原料药左氟沙星的合成工艺进行多因素多因子的设计，并通过有限次的实验高效地得出最佳的合成工艺条件的过程。通过本项目的建设和应用，让学生将学到的知识运用于实际，牢固掌握制药工艺研究思维以及树立绿色制药工艺的理念。本实验根据现代左氟沙星原料药药企实际生产情况，结合GMP标准，设计制作可以让学生在电脑端进行左氟沙星原料药合成工艺实验设计及优化研究的虚拟化操作。学生以第一人称或第三人称视角模拟生产，将制药工艺理论、绿色工艺理念、正交实验法融入到一起，仿佛置身于现实的原料药工艺研究过程中。整个仿真实验包含左氟沙星原料药的合成路线中各步实验的操作过程演示、影响参数和影响因子分析、正交设计的原理意义及正交设计流程讲解和演示；对各步的影响参数和影响因子进行正交设计；红外、液相、旋光、熔点仪等仪器的分析操作演示；按照正交设计表进行虚拟实验和使用分析仪器，分析得出每步最佳合成工艺路线、最佳工艺验证实验。整个项目分为2大模块：知识讲解模块、实验仿真模块。

知识讲解模块中，通过组织整理大量相关的知识内容，以及针对左氟沙星原料药的合成路线中各步实验的操作过程演示、影响参数和影响因子分析、正交设计的原理意义及正交设计流程讲解和演示建设相应的微课视频，组织成项目知识库。

实验仿真模块中，以左氟沙星原料药合成的重点工段左氟羧酸的制备作为一期开发重点，完成整个实验工段的仿真操作开发，同时建设正交设计流程仿真，学生可通过自主设计，进行实验工艺的正交设计和分析。建议以上平台取得了良好反响和效果，我们后期将补充建设2，3，4，5-四氟苯甲酰氯的制备、一步法制备环合酯、左氧氟沙星的制备、左氧氟沙星的制备改进、检测等多个实验模块，进一步完善。

五 虚拟实践教学给学生带来身临其境的安全的车间体验

虚拟仿真技术除了可以用于建立校内课程实验平台，改进实验教学方式与方法，同样可以用于模拟、还原制药企业真实生产场景，有效克服企业生产实习过程中存在的成本高、风险大的痛点问题。依据虚拟仿真技术对制药企业药物生产工艺进行模拟，在计算机上形成一个沉浸式的虚拟仿真环境，学生可以漫游在仿真的制药工厂环境中，根据需求进行制药生产操作，认识生产过程中各设备组件及其作用，在虚拟实习环境中可以实现360°旋转[11]。虚拟现实仿真软件综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉等感官功能，使用者不仅能够通过虚拟现实系统体验到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性及超越现实的虚拟性，而且能够与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间；通过建设虚拟仿真实习工厂，达到了“将工厂搬进学校”的目的，从而实现了“教室-实验室-工厂”三位一体的工程教育理念[12]。

为适应新形势下的教育教学改革，我校的制药工程专业积极设立虚拟仿真工厂实习平台，引进了制药工程的全息数字沙盘平台展示系统。利用该全息数字沙盘平台展示系统，通过声、光、电等多种形式对现代制药企业的原料药及制剂生产车间现场各元素进行表达，可以在学生面前呈现出真实的生产场景，同时通过同步的三维虚拟仿真场景，可让学生同步学习各生产环节所涉及的“人、机、料、环、法、检”药品生产六大要素。通过对此电子沙盘的学习，学生可实现一个从理论到实践再到理论的上升过程，借助沙盘将自己代入到每一生产岗位，熟悉整个生产流程，提升对药品生产过程中的问题分析以及将风险管理知识用于药品生产过程的能力，达到培养学生解决实际问题能力、提升学生综合素质的目的[13]。

利用该全息数字沙盘平台展示系统开展实习教学活动，能够避免传统工厂实习模式的弊端，同时达到制药工程专业实习的目的，强化了学生对专业理论知识的掌握和应用，培养了学生创新实践思维与能力，成为制药工程专业实践教学模式改革的重要举措。

六 结语

在信息化教学背景下，虚拟仿真教学模式因其方便性以及技术的新颖性等优势，是高等教育变革中重要的新生力量，尤其在实践性较强的制药工程实践教学中具有广阔的应用前景，充分使用虚拟仿真技术有望能够克服传统实践教学中的不足，但是目前该项技术还不够完善，投入成本也相对较大，因此完全摒弃传统实习模式也并非明智之举，应该各取所长，发挥1+1＞2的效果。随着相关技术的不断发展与日趋成熟，基于虚拟现实的教学新模式必将给未来的实践教学活动带来革命性的变化。