高校制药工程实训中心的现代化建设探索

郭玲玲，于燕燕，樊冬丽，张 华，吴范宏

(上海应用技术大学，上海 201418)

国家高度重视新一代信息技术与教育的融合，教育部先后出台了《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》、《教育信息化“十三五”规划》、《教育信息化2.0行动计划》等纲领性文件，各高校开展了深度的探索与实践。上海坚持教育优先发展战略，坚持“为了每一个学生的终身发展”理念，全面深化教育综合改革；教育支撑创新发展新高地，对标上海建成具有全球影响力的科技创新中心等战略任务，发挥协同创新人才培养优势；努力实现人才、产业链、创新链，围绕集成电路、人工智能、生物医药等关键领域，培养高水平创新人才；争取到2035年实现更高水平、更高质量的教育现代化，建成与时代发展相适应、同具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市相匹配的一流教育；纵向衔接、产教融合、育训并重的现代职业教育体系更加完备，创造更多更好的实践实训和创业条件[1]。

制药工程专业实训实验室是影响制药工程专业教学效果的重要环节，需要突出本专业的特点，贴近生产实际，把制造技术、质量观念、市场需求、生产安全与法律规范等内容联系起来。我国明确教育现代化、产业化，制药行业的特殊性要求GMP管控，因此现代化的实训中心建设才是未来的实验室发展方向。在这种大趋势下，各高校纷纷发展了新建仿真和VR实验室，使学生可以在线上进行线上操作[15]。经过几届学生的培养，获得了一些经验，即单纯的务虚并不可靠，实践是基石，虚实结合才是王道，没有实操永远只是过眼云烟。因此将VR与实操联系起来的全面型现代化制药工程专业实训中心是未来教学发展的关键节点。

1 现 状

工程介于科学与社会之间，存在于科学、艺术与社会的交界。工程是具有社会性、创造性、综合性、道德制约性、开放性等特点。工程教育是培养工程人才的社会活动。工程教育具有实践性、复合性、伦理性、全球性等特点。工程教育应强调工程实践能力的培养[2]。

为了最大限度的避免药品生产过程中的污染和交叉污染，降低各种差错的产生，提高药品质量，因此药品生产要严格遵守《药品生产和质量管理规范》(Good Manufature practice,GMP)，相比其他学科，制药生产工程要求更加严格。随着更多的外国制药企业进入中国市场，并带来有关质量控制、生产流程和项目管理知识以及先进的技术等。国内高校拥有中试制药实训车间的不在少数，但是这些实训中心是存在短板的。学生进入之后面对的是独立的设备，而不是系统性的符合GMP操作的实验培训，更不要提创新、创造。受制于实验室管理及教学方法、场地、经费及教师数量等因素的影响，传统实验实训资源开放度及使用效率不高、实验教学设备使用效果不好、教学手段单一、实验教学效果不佳，不利于学生实践能力培养。近几年，尤其是最近因为疫情影响，很多高校开始建设线上课程以及开发线上教学手段，比如仿真和VR教学[3-4]。但是单纯的线上教育过于务虚，教育效果并不理想。因此，将线上的各种教育资源与线下的实训中心结合起来建成虚实结合的现代化教育过程是目前实践教学发展的关键点。

2 PLC控制技术

实训中心各设备的自动化控制技术是线上线下联动的关键节点之一。自动化是控制对象在无人参与的情况下，依靠自动化装置，按照一定的规律或事先设定的程序运行，自动地完成信息检测、过程控制、故障诊断及处理的过程，完成预期的目标。我国在20世纪60年代，制药生产过程朝着规模化、连续化、综合化方向迅速发展。制药生产中应用的自动控制系统主要是温度、压力、流量和液位等参数的控制系统。20世纪80年代以来，随着GMP的实施，对药品质量的要求更高，先进生产设备的大量引入，使自动化程度显著提高。自动化技术已发展为控制和管理一体化的综合自动化系统。绿色低碳、智能高效的先进制造体系，可以显著提高产品集中度和生产集约化水平[5-11]。

PLC(可编程控制器)控制技术是一种可以编程的控制器，能够调控模拟的量，控制开关的量，使使用者在操作和应用中更便捷；它的输出端口将各种传感器等部件关联，输入端口将各种传感器和设备开关连接。采用PLC实现生产线的自动化控制，可以减少操作人员的人员误差，降低药品质量的风险。PLC在制药设备种有广泛的应用，通过标准通讯接口，整合二次仪表，附以其他体统，配合电气工业优秀的执行部件对生产中各个环节的数据进行监控、记录、存档，实现高智能化的无人值守生产线，技术人员通过远程监控完成生产。比如PLC控制的重要滴丸机、沸腾干燥床、包衣机、胶囊灌装机等。随着现代科技的发展，制药设备越来越复杂，生产过程越来越自动化连续化，药品质量在很大程度上取决于制药设备和管理。对于还未建设实训中心的高校可以选购具有PLC控制的相关制药设备，已经设备的高校可以选择对设备进行PLC组件升级，实现设备信息和操作的实时输入和输出。有PLC技术加持的实训中心不仅可以推动的线上线下教育的融合，亦可以用来做创新性工作，促进科研和教学的融合[12-17]。

3 实验室信息管理系统

PLC技术实现的是对设备的控制，但是在实际的教学中还有很多过程，比如团队协作、报告、实训中心管理等层次也需要进行相应的现代化改造。利用物联网及信息技术改造实验室，建立实验室管理与实验教学相融合的信息化平台，实现实验室管理与教学的智能化、少人化。构建多层次实验教学系统：“体验”教学层析、“实操”教学层次、“创造”教学层次。利用物联网技术改造传统实验资源，基于数字化、信息化手段构建多层次实验教学系统，建立线上线下融合互补与过程跟踪评价的实验教学模式，从而重塑了多模态融合的实验教学资源体系与使用连接方式，进而探索专业实验室的数字化建设模式，应用实践表明实验室运转效率提升，实验资源利用率提高，实验室知识产出增加，学生积极性增强，知识学习与应用效果更加出色[23]。

LIMS(实验室信息管理系统Laboratory Information Management System)以实验室为核心符合国际规范的全方位管理系统。采用先进的数据库技术、软件技术、自动化技术对整个实验室进行全面管理；对实验室样品管理、资源管理、事务管理、数据管理、报表管理、人员管理、设备管理、方法管理、环境和通讯管理等诸多功能为一体的全面资源管理系统；完整的实验室综合管理和产品质量监控体系，保证实验室所有的检测数据分析和管理均符合相关质量标准和规范[19-21]。

通过自动化接口，自动完成数据记录和报告；集成化系统和仪器设备数据自动采集；提高合规性，重点关注数据完整性和可追溯性等关键问题；增强资源的互动性，消除信息孤岛，提升合作；数据共享，可查询。仪器设备资源网络化共享不仅仅是信息共享，也包括对仪器设备进行远程监控和功能上的控制。促进我国科技资源的优化和整合，促进科技水平和创新能力的提高。在这个架构下，用户在线预约，仿真练习打卡，设备上机实操，线下实训操作，线上产生报告，教师评定的教学模式，对于通过考核的学生，开放创新研究模式，直接在线预约，设备上机操作，远程控制，数据共享，产生报告。

实验室信息管理系统是国内外具有先进性的实践教学方式，以网络技术、远程控制技术、传感器技术、接口技术和通信技术等新技术为纽带，将教学仪器设备特别是贵重仪器设备连接高远程控制教学平台，通过网络进行远程控制与互动，实现远程实践教学和技能培训。通过计算机、网络通信、物联网、多媒体、虚拟现实等信息技术，使传统的实验资源数字化、联通化，摆脱空间与时间的限制，通过各种智能决策与调度算法，提高资源使用与管理效率、提高教学与人才培养效果。

4 组 合

实践教学基地信息化建设就是利用计算机技术、多媒体技术、网络通信技术、远程控制技术、虚拟仿真技术等信息化技术，将PLC技术加持的线下实训中心、VR和仿真实验室嵌入实验室信息管理系统，将实训基地的各类硬件资源、软件资源、人力资源等有效重组，实现信息化管理，充分发挥教学资源的使用效益，实现实训基地运行的现代化、开放化和高效化。以学生为中心，为学生提供便利学习条件，发挥实训基地在教学、科研、等方面的重要作用。实验室数字化改变的不仅是资源的存在与连接方式，也包括了实验室的组织架构、管理与教学模式。

总之，现代化实验室可以归结为3个层面：一是信息化的管理：包括以学生为中心的在线报告、成绩查阅、实验讨论等在线服务系统和以教师为中心的教学教务管理、实验室和设备管理等的管理系统。二是以网上教学为主的教育资源和新型教育形式，如虚拟仿真、可视化教学等。三是利用以LIMS为代表的实验室物联网操作，结合PLC控制技术，将可视化内容实物化，虚实结合，真正实现上手操作。

教育内容凸显网络化、数字化、个性化特点，教育形式凸显网格化、立体化、多维度特征[2-3]。强化实践环节，探索和推行面向企业生产环境的任务式培养模式，形成从研发、转化、生产到管理的创新型人才培养机制。

5 结 语

实验室依靠人工完成数据采集、报送，存在人为影响，随意性较强，不利于学生的GMP意识的培养；仿真和VR可以培养学生的系统性思维和工程全局思考的能力，但又过于务虚，因此依靠PLC自动控制技术和实验室信息管理系统将线上的课程、仿真、VR教育与高校的实训中心结合起来，建立现代化的教育和科研活动平台是应用型本科教育的重要思路。在创新人才培养的过程中，要把学生放在中心位置，注重课内与课外相结合，加强创新性实践环节，建立创新性人才培养基地、对学生进行基本实验技能的培养，积极组织参加各种实验竞赛，提高学生学习积极性，提高学生自主发展的能力。将实验教学、创新设计、工程训练三者融合在一起，培养工程技术应用型人才[4,22-23]。

制药工程专业建设要体现培育专业优势和特色，这是本专业立足之本，也是培养的人才被社会认可的关键。因此在建设中，我学院从自身的办学定位出发，根据具体情况制定了专业培养方案和培养目标，建设了PLC远程控制的中药提取中试实训中心，并将实验项目进行仿真和交互式VR创新实验等线上教育资源整合，实现实训教学的虚实结合，优化人才培养模式，逐步培育出自身的学科优势和专业特色，为培养出专业的高层次应用技术人才奠定坚实的教育教学条件。