虚拟仿真实验在药物制剂技术课程实践教学中应用与探索

范高福，汤 洁，戴若萌，刘龙云，韦梦强

（合肥职业技术学院生物工程学院，安徽 合肥 238000）

伴随着互联网快速发展，教育现代化发展核心特征就是教育信息化，虚拟仿真实验教学是推进现代信息技术融入实验教学项目，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平的重要举措。虚拟仿真实验教学方式融合了人工智能、虚拟现实等前沿科技，将新时代的科学技术融合到生物医药学科理论知识的教与学和实验操作的练与考之中。该技术成为了培育我国创新型和复合型技术技能型人才的辅助手段，更好地完善了我国高等职业教育信息化发展体系［1-3］。

药物制剂技术是在研究药物制剂基本理论、处方设计、制备工艺、质量控制和合理使用的基础上，突出药物制剂生产和制备技术的综合性应用技术课程。该课程具有知识点散、实践性强、应用性广的特点，是药学类专业核心课程之一，是国家执业药师职业资格证考核科目之一，是国家1+X药物制剂生产职业技能证书考核科目之一［4］，是国家药物制剂工工种认定考核科目之一。教师在模拟药品生产企业岗位实验教学过程中，可借鉴当前互联网信息化技术，将虚拟仿真实验手段融入实践教学，将线下传统独立实验教学与线上综合性实验教学互补结合，将虚拟生产岗位操作流程环境融入现实的实验教学过程。药物制剂技术虚拟仿真实验教学是以药品生产岗位为主线，模拟制药厂GMP车间的环境，采用碎片化数据库、3D技术、示范操作视频等单元，运用“知识点讲解-模拟练习-考试系统”循环随机模式强化实践操作技能，采用企业真实生产场景再现技术、过关游戏元素模式吸引学生，激发了学生的学习兴趣和学习效率，增强了学生对药物制剂生产过程和仪器设备规范操作的认识和理解。

1 资料与方法

1.1 一般资料 药物制剂技术课程教学安排在2020年9—12月，选择2019级高职药学4个平行班的学生共154人，其中男生22人，女生132人。按照班级分为2组，其中1班、2班77人作为对照组，男生12人，女生65人，年龄18～22（19.66±0.55）岁；3班、4班77人作为实验组，男生10人，女生67人，年龄18～20（19.50±0.58）岁。两组学生在年龄、性别、教学时间等方面无显著性差异（P＞0.05），具有可比性。

1.2 方法

1.2.1 教学方法［5］两组实践教学内容选择固体制剂的典型工作任务，即空白颗粒生产的操作——湿法制粒，在2020年11—12月完成。对照组采用传统实操教学法，实验组采用基于虚拟仿真实验下的实操教学法。实验组在理论教学后按照实验要求进入“粉碎-筛分-混合-制软材-制粒-干燥-整粒-总混”虚拟仿真操作系统练习。首先学生对湿法制粒各环节对应知识点，如粉碎方式、筛分等级、混合器选择、软材软硬度把控、制粒粒度、干燥水分、整粒要求等，能够熟练讲解并达标。随后在仿真操作系统下，学生提前熟知本次实训所用设备，并对设备进行三维拆分和组装，加深理解仪器设备工作原理，通过观看生产操作示范视频资料，按照生产工艺流程进行规范化操作，操作过程中设置问题关卡，创设学生自主分析研判、查阅各类资料，生生讨论或师生互动以解决问题的团队氛围，同时对操作每一步骤进行跟踪记录，实现动态错误提示并进行自纠能力，直至解决生产过程中问题。通过自测考核合格后再进行线下2人一组实操，内容包括完成生产前准备、生产中操作和生产后清场连续工作流程，涉及到生产人员的更衣、生产物料准备、制浆操作、粉碎操作、混合操作、筛分操作、制粒操作、干燥操作、生产产品质控、生产记录填写、中间品交接，共11个操作单元。教师观察学生操作细节及学生间配合默契度，密切关注安全，及时制止较大错误操作。对照组在理论教学后直接进入实训车间，首先，老师讲解实验操作安全注意事项，并亲自演示或示范操作，然后以2人一组形式进行上述11个操作单元，教师需要主动为学生设置工艺参数，时时提醒操作注意事项，控制实验进度。

1.2.2 教学考核 以实践教学中的11个操作单元作为考核内容，在实训车间完成。依据教学目标要求，分别对两组学生的操作流程的规范性、生产设备操作合规性及药品质控判断的准确性进行评分，评价学生完整的生产实践操作，得到实训成绩。其中操作流程的规范性成绩占比30%，包括生产前准备的更衣、物料准备、仪器设备模具准备、生产记录填写、中间品交接等；生产设备操作合规性成绩占比30%，包括生产中制浆设备、混合设备、筛分设备、制粒设备、干燥设备等调试、运行控制等；药品质控判断的准确性成绩占比40%，包括颗粒粒度、干燥度、混合均匀性、外观性状等质控及问题解决能力。两组为同一名教师评分，各项评分标准相同，满分为100分。在两组考核结束后发放问卷进行满意度调查，了解实验组和对照组的两组学生对湿法制粒单元实践教学的主观感受，评价其效果。问卷设置了6个单项选择问题，每题有3个选项，分别是“满意”“一般”“不满意”。

1.2.3 统计学方法 采用SPSS 25.0软件分析数据，计量资料以t检验进行组间比较，计数资料进行卡方检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 实践操作成绩分析 通过实践操作考核，实验组和对照组成绩分别为88～98（90.5±5.68）分、60～90（79.4±3.13）分，两组比较差异具有统计学意义（t=2.153，P＜0.05）。

2.2 问卷调查结果 实践考核结束后对154名学生进行问卷调查，收回有效问卷154份，实验组和对照组各77份，有效率为100%。问卷调查结果显示，与对照组比较，实验组学生更满意教学模式，认为虚拟仿真实验有助于提升学生主动学习的动力（80.52%）、加强对实训操作流程的理解（70.13%）、提高对实训设备操作的规范性（75.32%）、提高实验实训安全意识（98.70%）、促进学生团队间互动交流（89.61%）、提升岗位实践能力和创新水平（59.74%），两组比较差异具有统计学意义（P＜0.01）。具体见表1。

表1 两组对教学模式满意度调查结果 （人/%）

3 讨 论

3.1 传统实验实训教学的不足及局限性

3.1.1 传统实验实训教学模式单一，师生互动被动 传统实验教学多采用“教师讲解演示-学生分组操作-教师现场辅助-学生撰写实验报告”的模仿式教学模式，多为验证性或经典型实验，缺乏师生互动性，同时由于实验环境条件、课时、耗材经费及实验安全的限制，学生仅能学到一些简单易操作的实验流程，不能充分调动学生的主观能动性和学习积极性，很难培养学生的创新能力和综合素养，从而与高端技术技能型人才培养目标存在差距［6-7］。药物制剂技术是一门应用性很强的学科，生产新技术、新设备、新剂型发展日新月异，一些先进的生产技术很难通过传统实验教学方法给予展示，比如湿法制粒过程需要制软材，理论上需要达到“手握成团、压之即散”效果，学生在实验的过程中把握好这个度还是非常难的，特别是黏合剂加入量、不同组份配比等，将直接影响产品结果，会造成实验耗材浪费，也会影响设备精度并可能造成损坏。所以，单纯老师教、学生学这种单一的实验教学模式导致学生学习被动，缺乏探索的积极性。

3.1.2 生产型设备数量短缺，实训效果参差不齐 当前药物制剂技术实验实训项目开展多采用2～4人为一组，常规的实验实训设备多为1～2台，大中型设备一般只有1台，受制于实训场地、实训设备更新换代采购资金及企业支持度，生产实训环境多为模拟环境，达不到企业生产洁净度要求，生产型设备操作多为演示型操作，由于生产连续性、耗时长、质控点多、生产记录繁琐等特点，学生实训做不到全员参与，有一部分学生只能体验一下工作流程，甚至少部分同学就走马观花转一下，很难收到实质性效果，更谈不上对生产流程和生产设备操作的理解。此外，很多设备涉及电、气、水等安全问题，需要专业人员维护与保养，学生没有掌握设备标准操作规范，很容易造成严重后果。比如，制粒生产设备中会使用到高速湿法混合制粒机，该机器是通过三叶搅拌桨和切割刀机械动力速度与时间协调性完成制粒，经气动活塞完成制粒物料出料，需要熟悉从开始领料、设备调试、投料正式生产、生产过程监测、生产后清场、生产中问题处理及生产记录填写等多道工序，如果学生不能正确操作机器及对工艺流程不熟悉，极容易造成制粒失败及机器故障。

3.2 虚拟仿真实验在药物制剂技术教学中的优势及未来拓展

3.2.1 虚拟仿真实验可以模拟拆装实训生产设备内部构件和改变工艺参数 虚拟仿真实验借助文字、图片、flash、三维模型、音频、视频等多媒体技术，将抽象繁琐的实验实训过程以生动、形象、逼真的动画形式展现出来，产生身临其境的岗位感觉，提高了学生学习的针对性、实效性及积极性，并提升其实践能力和创新水平［8］。由于部分生产设备结构附件缜密完整，不易拆装，如经常拆装影响机器操作精度，另外生产质控工艺是经过验证设定的，不能随意更改，药品实际生产中就是简单点击启动开关，进入自动模式就能完成生产操作，这样不能满足教学需要。而通过虚拟仿真，将生产设备内部构件做成三维模型，可以让学生反复拆装，并能放大缩小内部结构进行训练；通过工艺虚拟参数改变，让产品质量产生联动影响，反向推理如何设置参数，有利于培养学生对制剂工艺参数设计的理解力。

3.2.2 虚拟仿真实验可以模拟生产岗位实景及中大型设备短缺操作 仿真模拟实验训练不仅可以让学生克服对后期实习安排与就业工作的恐惧感，而且能够促进学生挑战新岗位和新环境的意愿。现阶段药品生产实训室生产的产品不能用于市场销售，主要满足药物制剂技术课程教学需要。由于企业药品生产岗位需要符合药物生产质量管理规范（GMP）认证，其中生产环境需要达到不同卫生级别要求的洁净度，对环境通风和净化系统有严格要求，通风系统维护保养费也不少，而学校实验教学中只是模拟环境，没必要安装通风净化系统。另外，在实训室布置上依据企业岗位功能集中设计，而不能完全依据企业生产工艺进行每个独立车间设计，造成空间太小，不能容纳更多学生进行实践动手。因此药物制剂技术实训室采用模拟企业生产岗位进行实训，一定程度上不能完全对接企业岗位。此外，大型仪器设备造价比较昂贵，结构复杂，需要专人维护保养，鉴于高校招人体制机制局限性，无法招到满意的专职实验员，使得大型仪器设备数量空白或者闲置摆设。针对以上模拟场景和大中型设备短缺情况，采用虚拟仿真实验模拟企业岗位实景，进行大中型设备视频演示及仿真操作程序训练，有助于学生掌握真实企业生产工艺流程和现代化仪器设备操作规范，从而紧密对接药品生产岗位技能，训练上手快、操作精的综合素养。

3.2.3 虚拟仿真实验与传统实验实训结合，相互取长补短，产生育训协同效果 虚拟仿真实验可以通过手机端或者电脑端快捷登录，通过设置各项任务考核权重，如视频资源观看程度、测试题完成程度、作业互动度等，可以突破传统实验实训教学对时间、空间和实验次数的限制，极大地节省了课堂时间且提高了学习效果。但是虚拟仿真实验对于生产设备部件拆装、生产清场及生产用具模具选择太过于流程形式化，与生产实际细节有一定差距。比如本次空白颗粒制备流程中需要干燥操作，常用热风循环烘箱对物料进行干燥，干燥之前需要对干燥箱进行消毒、湿颗粒加料、颗粒翻料、颗粒湿度监控，虚拟仿真只需要通过鼠标点击几下就可以完成以上操作，但实际操作过程中烘箱上料需要一层一层上料，翻料需要在高温环境下进行，同时上料厚度、翻料频次都需要根据物料多少及干燥程度进行控制，单纯虚拟仿真很难感觉到产品真实变化，无法培养精益求精、吃苦耐劳的职业精神。因此，可以先采用虚拟仿真实验侧重生产实训过程及设备操作规范训练，熟悉掌握后再进行后续药物制剂生产实操训练，最大程度避免生产操作不熟悉及药品质量品控监督盲点。通过线上虚拟仿真实验结合线下传统实训实操混合模式，可以取长补短，相互促进，达到实践教育和企业岗位岗前培训协同效果。

3.2.4 加强虚拟仿真实验教学资源开发，促进校企双方优势资源合作 通过市场调研及兄弟院校考察发现虚拟仿真实验目前针对药品生产常见固体制剂、无菌制剂、液体制剂等剂型的开发比较成熟，但是药物制剂新剂型，如缓控释制剂、靶向制剂等尚不多见。利用品牌制药企业提供的成熟生产工艺、生产设备及生产环境优势硬件，学校提供仿真实验实训岗位教学设计，通过产学研项目开发虚拟仿真实验，教学素材和资源库共建共享，与落后药品生产工艺及生产设备升级同步，使虚拟仿真实验紧跟企业生产实践，从而使学生技能培养与制药企业市场需求保持同频共振。

本次实训的成绩考核采用药物制剂生产1+X技能等级证书（中级）技能考核表进行量化考核［4］，包括应知应会基础知识、设备仪器的管理、物料管理、制剂生产过程管理及生产环境的检查与监控五个方面，针对空白颗粒——湿法制粒项目，细化为11个操作单元。结果表明，实验组在提升学生主动学习的动力、加强对实训操作流程的理解、提高对实训设备操作的规范性、提高实验实训安全意识、促进学生团队间互动交流及提升岗位实践能力和创新水平方面，实验组满意度均高于对照组。通过仿真模拟实验学生团队能够很快解除设备小故障和生产中颗粒粒度等问题，生产操作流程比较顺畅，能够见识更多的大型设备和复杂的操作流程，且训练时空得到进一步拓展。药物制剂GMP虚拟仿真实验对学生实验设备操作规范性及实验安全意识提高有明显的帮助作用。

综上所述，虚拟仿真实验以现代化信息技术呈现出形象逼真、情景再现、化静为动特效，能够克服传统药物制剂技术实践教学周期长、设备匮乏、成本高、风险大等不足。在“教”的层面，实现信息技术为教师提供理解、探索教学的实践平台，促进教学过程与生产过程对接，使教学贴近生产生活，凸显情境化和趣味性，课堂教学师生互动性强；在“学”的层面，让学生融入生产情景，促进其自主探究、主动学习。线上虚拟仿真实验与线下传统现场实践有机结合，提高学生岗位实践能力和创新水平，培养学生的药德、药规及药技职业精神。