虚拟仿真技术在药剂学实验教学中的应用

广西医科大学药学院 莫凤珍 黄建春 黄兴振 孔晓龙

实验教学是理论知识的提升，通过实践，可以加深学生对理论知识的理解，提高动手和实践操作能力，激发对课程的学习兴趣。如何提高实验教学的质量是目前教学中关注的重点问题，教育部提出开展“国家级虚拟仿真实验教学中心”的认定工作，要求高校要高度重视实验教学与信息化的深度融合，大力加强虚拟仿真实验教学中心建设工作，支持鼓励校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源的开放共享。要进一步完善虚拟仿真实验教学管理共享平台，优化虚拟仿真实验教学中心管理体系，提升虚拟仿真实验教学队伍教学和管理能力，提高实验教学管理信息化和支持服务信息化水平。近年来，教育部批准多个国家级虚拟仿真实验教学中心和教学项目，因此，虚拟仿真教学在实验教学中越来越重要。

一、药剂学课程实验教学目前存在的问题

药学专业的人才培养目标是培养适应我国社会主义现代化建设和药学相关事业发展需要的，德、智、体、美全面发展，掌握药品生产、药品质量分析检验、药品使用、医药企业经营管理等方面的基本理论知识和专业技能，具有良好的职业道德、人文素养、实践能力和创新精神，也能够在药品检验监督部门从事药品检验监督管理，在药物研究机构、医药院校从事医药科研助理、教学辅助等工作的高等技术应用型药学专门人才。因此，培养应用型人才是教育教学的目标。药剂学是药品研制与临床使用的纽带，是理论联系实际的一门综合性学科，需要通过实践掌握药品生产的流程。实验教学是培养学生实践能力、逻辑思维的重要环节。因此，药剂学实验主要是验证性试验，实验内容分三个模块：液体制剂（混悬剂、乳剂的制备，注射剂的制备）、半固体制剂（软膏剂、栓剂的制备）、固体制剂（散剂、颗粒剂和片剂的制备）。在传统实验教学中，主要是学生根据进度表提前预习实验内容，教师讲解实验目的、实验原理、实验内容、注意事项，针对仪器操作和重要步骤，边讲解边演示。之后学生2—3 人分组进行操作，学生在操作过程中遇到问题向教师反馈。实验结束后教师进行总结，主要针对实验过程中出现的问题和实验结果进行讨论。学生整理实验数据，完成实验报告，实验报告的分数作为最后的实验成绩。这种传统的实验教学方法存在一些问题，一是学生按照实验教材和教师讲解的内容开展实验，循规蹈矩，有部分同学对实验内容不了解，缺乏思考和质疑。二是有部分实验如注射剂的制备、片剂的制备，需要的时间较长，导致学生的学习效率下降。三是有些实验在操作过程中用到有毒试剂，存在安全隐患，导致实验不能顺利实施，如脂质体的制备、微囊的制备，不利于学生对新技术与新剂型知识的理解。四是现有仪器设备和场地的局限性，如注射剂的制备和片剂的制备，学生不能到GMP 车间操作，导致实验教学不能在规定的条件进行，只能在车间外面参观机器设备，对仪器的认识只停留在表面，理论与实际不能很好结合，不利于学生的学习，影响了教学的效果。所以要提高实验教学的效果，需要对现有的教学方式进行改革，利用现代化技术手段打破实验条件的局限。

二、药剂学虚拟仿真教学的意义

随着科技的发展，虚拟仿真技术已经渗透到各个领域，是科研技术发展的一个伟大里程碑。虚拟实验、虚拟现实在今天的课堂已经开始使用，并大规模推广。虚拟仿真技术应用于课堂教学可以提高学生的学习兴趣，同时，教育技术与教学设计的深度融合则可以提升教学效果。虚拟仿真实验则是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。自教育部开展国家级虚拟实验教学中心的评审以来，国内高校陆续开展了多种模式的虚拟实验建设项目。2018 年，教育部开始评审国家级虚拟实验项目，以项目为导向实现虚拟现实技术落地课堂教学，虚拟仿真技术越来越多地用于实验和实践教学。

药剂学实验应用虚拟仿真技术具有以下优点。（1）不受时间的约束，针对实验学时较长的实验，通过虚拟仿真技术的模拟，可以缩短时间，而且学生可以自己在课余时间完成，如片剂的制备和注射剂的制备。（2）减少有毒试剂的使用，可以设计实际不能开展的实验，拓宽实验内容，保证实验教学的安全性，如脂质体的制备。（3）不受场地的限制，可以开展GMP 仿真教学，让学生体验制剂生产的质量管理要求，建立逼真的实验场景，使枯燥难懂的实验变得形象化，易于理解。（4）不受仪器缺乏的限制，虚拟仿真实验没有用到仪器，可以避免因仪器受限带来的影响，还可以减少实验设备和高值耗材的损耗。总之，虚拟仿真教学可以设计和开展更多的实验内容，弥补传统实验内容的不足，增加学生的学习兴趣，同时也丰富了实验的教学手段，以虚拟教学为补充，虚实结合，提高实验教学的效果。

三、虚拟仿真教学的应用

基于药剂学传统教学的不足以及虚拟仿真技术的优势，目前，我院采用虚拟仿真与传统教学相结合的模式，建立部分项目虚拟仿真实验，购进南京药育智能虚拟仿真平台，拓宽实验教学的内容。下面以口服固体制剂片剂的制备为例，介绍虚拟仿真教学的具体实施。

（一）虚拟仿真教学模块的设计

片剂的制备工艺流程包括物料领取、称量、粉碎、过筛、混合、制粒、干燥等一系列操作步骤，虚拟岗位根据步骤进行设置，分别为称量岗位、粉碎过筛岗位、混合岗位、制粒干燥岗位（挤压制粒、流化床制粒、一步制粒）、整粒岗位、压片岗位、包装岗位。虚拟仿真平台3D 仿真环境设置了片剂制备的整个场景，学生按照制备工艺流程依次独立完成操作内容，了解每个岗位的操作流程。虚拟仿真实验设计有练习模式和考核模式，练习模式有提示功能，考核模式则没有提示。

（二）虚拟仿真教学岗位任务的设置

各个岗位都有各自的岗位要求和相应的任务，每个岗位都有知识点介绍、岗位操作规程、学习视频。学生可以先观看视频，了解虚拟的实验要点和仪器使用操作规程。进入一个岗位后主要有生产前检查、生产工作内容以及完成后的清场工作，在操作过程中领取文件，填写生产记录，体验药品生产质量管理规范（GMP）车间生产的要求。片剂的制备各岗位的虚拟仿真运用机器进行操作，与实际企业生产片剂接近。因实验条件的限制，实验室中没有流化床制粒机和一步制粒机，通过虚拟仿真实验，流化床制粒、一步制粒机等大型设备以三维立体的形象展现在学生面前，进一步加深对片剂生产工艺的认识。同时，虚拟仿真实验强化了GMP 的操作，如生产前检查以及填写生产前记录、清场工作以及填写岗位清场记录，让同学们意识到GMP 的要求。

（三）虚拟仿真实验课效果的评价

利用虚拟仿真项目的考核模块，通过考核来检验学生对虚拟仿真内容的掌握程度。教师在系统上组卷出题，可以设置文字题和仿真题。学生在练习模块以第一视角独立完成每一个任务，之后进行考核，考核的内容与练习模块的岗位一致，但是没有提示内容，学生完成考核内容后可以查阅操作记录，显示操作错误的地方，最后提交试卷。系统自动统计分数，在教师端可以查阅分数与相应的数据。系统的操作记录可以迅速得到反馈信息，促进学生对知识的理解以及操作要求的熟知，也激发学生对虚拟仿真教学的兴趣。

综上所述，实验教学能帮助学生理解和验证药剂学的基本理论，虚拟仿真教学能弥补仪器场地等资源的不足，不仅增加了教学的实验内容，丰富了学生药剂学知识体系，还提高了实验安全系数以及降低了实验成本。在开展虚拟仿真实验的同时，可以增加设计性试验，加强学生对实验教学的认识，培养学生的动手能力以及创新意识。