虛擬仿真技術(shù)在藥學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王義翠 曹明卓 劉雅敏

(河南中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，河南 鄭州 450046)

隨著網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，教育的信息化也越來越受到國家的重視，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法應(yīng)運(yùn)而生。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托計(jì)算機(jī)、多媒體軟件、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，搭建的高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不具備或難以操作的教學(xué)方式[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，是教育信息化及其重要的組成部分[2]。

自2013年8月教育部正式開啟國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作以來，河南中醫(yī)藥大學(xué)就緊跟時(shí)代步伐，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，結(jié)合學(xué)校自身情況，積極籌建藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。目前已建成理化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、生化與分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、藥用植物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、制藥工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、中藥炮制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、中藥制藥虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[3]，并初步建設(shè)了各平臺(tái)對的虛擬仿真課程群。

現(xiàn)以青霉素的生產(chǎn)為例，對比虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)前后的情況，介紹河南中醫(yī)藥大學(xué)開展青霉素虛擬仿真實(shí)驗(yàn)帶來的教學(xué)成效。

一、傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題

青霉素的生產(chǎn)是《制藥工藝學(xué)》課程的重要內(nèi)容，該部分內(nèi)容要求學(xué)生掌握青霉素發(fā)酵工藝、發(fā)酵所用設(shè)備、發(fā)酵原理、發(fā)酵方法、發(fā)酵過程中參數(shù)的調(diào)控、發(fā)酵儀表的使用方法和維護(hù)技巧。

發(fā)酵過程是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)變化和生理變化的串聯(lián)生物反應(yīng)過程，是一種典型的復(fù)雜演化系統(tǒng)[4]。現(xiàn)實(shí)中，青霉素發(fā)酵生產(chǎn)工藝復(fù)雜，所需設(shè)備很多且都價(jià)格不菲，生產(chǎn)過程中每個(gè)操作都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，決不允許工人任意開、停機(jī)，更不可能為了熟悉操作而故意去制造事故。所以，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)很少，獨(dú)立操作就更不可能，無法實(shí)現(xiàn)其想真正參與生產(chǎn)過程的愿望。

傳統(tǒng)方法教學(xué)中，同學(xué)們對青霉素生產(chǎn)認(rèn)識(shí)是很模糊的，上課的內(nèi)容似懂非懂，上課積極性較差，教學(xué)效果很不好。在這種情況下，想讓學(xué)生僅憑書本描述和經(jīng)驗(yàn)公式來掌握青霉素生產(chǎn)反應(yīng)過程的優(yōu)化與控制基本上就是紙上談兵。

二、青霉素虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

(一)青霉素仿真車間

青霉素生產(chǎn)流程復(fù)雜、反應(yīng)過程抽象，學(xué)生僅憑課堂上老師講的理論知識(shí)很難達(dá)到掌握生產(chǎn)工藝、熟悉生產(chǎn)設(shè)備的要求。針對這種情況，學(xué)校引進(jìn)了青霉素仿真車間。它是根據(jù)真實(shí)的青霉素生產(chǎn)車間按照一定比例縮小而建。該仿真車間建在實(shí)驗(yàn)教學(xué)樓2樓的大廳內(nèi)，全天24小時(shí)對學(xué)生開放。打開仿真車間的電源開關(guān)，學(xué)生可以順著信號(hào)指示逐一熟悉生產(chǎn)設(shè)備，了解生產(chǎn)流程，這不但能加深課堂理論知識(shí)的理解，還能為下一步的仿真實(shí)驗(yàn)提前做好準(zhǔn)備。

(二)青霉素發(fā)酵仿真軟件

青霉素發(fā)酵所需設(shè)備眾多，價(jià)格昂貴，很難滿足每個(gè)學(xué)生都想動(dòng)手參加實(shí)驗(yàn)的要求。針對這種情況，學(xué)校購買了一批計(jì)算機(jī)，引進(jìn)了青霉素發(fā)酵仿真軟件，建成了發(fā)酵仿真實(shí)驗(yàn)室。

通過一對一親自動(dòng)手操作，觀察工藝反應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)行開車操作，該軟件可以使參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生都能充分的理解青霉素生產(chǎn)的工藝流程，同時(shí)還能對操作過程和結(jié)果進(jìn)行客觀的考核和評定。

三、開展青霉素虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效

(一)有助于理論聯(lián)系實(shí)際，加深理論知識(shí)的掌握

借助仿真車間學(xué)生可以熟悉青霉素生產(chǎn)流程，感性認(rèn)識(shí)設(shè)備形態(tài)、大小及設(shè)備參數(shù)，知道青霉素生產(chǎn)的主要設(shè)備名稱，有效地將老師課堂上講的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對青霉素生產(chǎn)工藝流程有了更深一步的理解，達(dá)到考試時(shí)能夠準(zhǔn)確繪制青霉素生產(chǎn)工藝流程圖和箭頭圖。

通過仿真實(shí)驗(yàn)過程中的反復(fù)操作掌握青霉素發(fā)酵工藝、發(fā)酵設(shè)備、發(fā)酵原理、發(fā)酵方法、發(fā)酵過程中參數(shù)控制、發(fā)酵儀表的使用和維護(hù)技巧，為以后自主解決青霉素發(fā)酵工藝過程中參數(shù)分析、參數(shù)調(diào)節(jié)、參數(shù)監(jiān)控打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(二)節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間

利用虛擬仿真軟件，可以彌補(bǔ)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的不足。以100個(gè)學(xué)生來計(jì)算，若要達(dá)到人人都有機(jī)會(huì)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的話，光制藥設(shè)備就需上千萬的資金，而建仿真實(shí)驗(yàn)室只需40萬左右就能滿足一人一機(jī)的目標(biāo)，即使操作失誤也不會(huì)損壞制藥設(shè)備、危及人員安全，并且同樣能起到真實(shí)的教學(xué)效果[5]。

青霉素仿真車間全天對外開放，學(xué)生可以自由安排時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，避免一次在場人員過多，造成不能仔細(xì)觀察的不良效果。青霉素仿真軟件是根據(jù)青霉素的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間按比例縮短的，學(xué)生利用兩節(jié)課的時(shí)間就能完成實(shí)際幾天甚至一個(gè)月才能做完的實(shí)驗(yàn)，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

(三)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

仿真操作系統(tǒng)安裝到電腦后，可以每人一臺(tái)機(jī)器，人人親自動(dòng)手操作，點(diǎn)擊按鈕就可以進(jìn)入工藝操作的要點(diǎn)和設(shè)置參數(shù)，感覺跟游戲闖關(guān)一樣，期待看到自己設(shè)計(jì)的參數(shù)最后生產(chǎn)出的產(chǎn)品是個(gè)什么樣子，是不是達(dá)到了預(yù)想的要求和結(jié)果。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生通過自己的對實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)及參數(shù)的調(diào)控，生產(chǎn)出來產(chǎn)品，這種學(xué)習(xí)模式極大的激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

(四)降低實(shí)驗(yàn)成本，提高學(xué)生動(dòng)手能力

學(xué)生通過仿真軟件可以反復(fù)地進(jìn)行練習(xí)，克服了傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐中因發(fā)酵罐數(shù)量有限，材料涉及費(fèi)用等問題，極大的降低了實(shí)驗(yàn)成本。

該仿真軟件以學(xué)生動(dòng)手為主，教師指導(dǎo)為輔，通過生產(chǎn)出理想產(chǎn)品為最終目的，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自主性、創(chuàng)造性、完成產(chǎn)品的成就感。

(五)人才培養(yǎng)質(zhì)量和社會(huì)評價(jià)

實(shí)踐能力強(qiáng)的藥學(xué)專業(yè)人才能夠較好地適應(yīng)社會(huì)需求的變化，受到用人單位的歡迎。虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)以后，用人單位普遍反映，畢業(yè)生理論功底深厚、動(dòng)手操作能力強(qiáng)，具有發(fā)展后勁。仿真軟件在教學(xué)中發(fā)揮了極其重要的作用，因此我們要不斷完善并充分利用這一有效資源，讓它大大提高教學(xué)效果，盡量滿足零距離上崗的期望。

*基金項(xiàng)目：藥學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)踐(No：GZS316)。

[1]楊大柱，李成學(xué).虛擬實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].青年與社會(huì)·中外教育研究，2011(1)：105-106.

[2]李平，毛昌杰，徐進(jìn)，等.開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(11)：5-8.

[3]蘇成福，劉雅敏，李玉賢，等.創(chuàng)建中藥學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的思考和建設(shè)思路[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2016，14(17)：1-3.

[4]K Zuo，W T Wu.Semi-realtime optimization and control of afed-batch fermentation system[J].Computers and Chemical Eng.(S0098—1354)，2000，24(2)：1105-1109.

[5]唐英玲，肖海群.青霉素生產(chǎn)仿真在藥學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢效果[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2014(4)：151-152.