“三創(chuàng)”人才培養(yǎng)背景下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

吳 鶯，張南文，陳 洲，陳曉樂

(福建醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，福建 福州 350122)

教育工作要轉(zhuǎn)變教育觀念，改革人才培養(yǎng)模式，重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和“三創(chuàng)”(創(chuàng)意、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè))能力，是當(dāng)前高校教育工作面臨的一大挑戰(zhàn)[1]。由于實(shí)驗(yàn)條件及生物安全的制約，一些高校在實(shí)驗(yàn)室無法常規(guī)開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以通過虛擬仿真平臺(tái)來完成，學(xué)生操作不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，在逼真的情景中掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，拓寬知識(shí)面[2]。福建醫(yī)科大學(xué)在教育部與福建省教育廳的政策支持下，積極抓住國(guó)內(nèi)生物藥物生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(Good Manufacturing Practices，GMP)虛擬仿真系統(tǒng)亟待開發(fā)這一機(jī)遇，在人才培養(yǎng)與教學(xué)創(chuàng)新兩方面進(jìn)行探索，組建師生共建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)科研團(tuán)隊(duì)，充分調(diào)動(dòng)本科生的參與積極性，盡可能發(fā)揮本科生自身優(yōu)勢(shì)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力提供新思路。

一、師生共建團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目介紹及組建條件

(一)團(tuán)隊(duì)組成與項(xiàng)目介紹

本團(tuán)隊(duì)由福建醫(yī)科大學(xué)教師、生物制藥專業(yè)大二與大三學(xué)生、福建醫(yī)科大學(xué)免疫研究所GMP車間型實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)生物制藥企業(yè)中的企業(yè)導(dǎo)師組成。在校內(nèi)專業(yè)教師和企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)下，師生共同開發(fā)國(guó)內(nèi)少有的基于哺乳動(dòng)物細(xì)胞發(fā)酵系統(tǒng)的生物藥物GMP生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)將生物藥物的GMP生產(chǎn)流程分解為獨(dú)立的模塊化單元，包含細(xì)胞發(fā)酵、離心提取、細(xì)胞破碎(高壓均漿機(jī)、高速研磨機(jī))、純化(鹽析、凝膠脫鹽、離子交換、凝膠層析、親和層析、膜分離)、濃縮(真空減壓濃縮、薄膜濃縮)和冷凍干燥等車間。學(xué)生可通過3D模型了解整個(gè)GMP車間的布局，掌握各個(gè)崗位的工作原理和設(shè)備的操作方法；通過拖拉多個(gè)模塊化單元進(jìn)行排序組合，這些模塊如果邏輯關(guān)系正確且參數(shù)選取合理，就能構(gòu)建一個(gè)可行的生產(chǎn)方案，實(shí)現(xiàn)生物藥物的生產(chǎn)；還可根據(jù)虛擬軟件中的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證性操作，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”及“線上—線下”相結(jié)合。

(二)師生共建團(tuán)隊(duì)的組建條件

師生共建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目需要學(xué)校、教師、學(xué)生三方面相互支持與配合，積極推進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)。

1.學(xué)校的硬件及政策支持。學(xué)校可以“項(xiàng)目庫(kù)”的形式引導(dǎo)項(xiàng)目的培育，給予項(xiàng)目資金、設(shè)備以及場(chǎng)地等支持，統(tǒng)籌推動(dòng)且保證項(xiàng)目的順利開展；在政策上大力支持項(xiàng)目的申報(bào)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，為學(xué)校及個(gè)人爭(zhēng)得榮譽(yù)。

2.教師的引導(dǎo)和指導(dǎo)。教師是實(shí)施師生共建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要倡導(dǎo)者、指導(dǎo)者和參與者。因此，項(xiàng)目指導(dǎo)教師應(yīng)具備良好的職業(yè)道德素養(yǎng)、崇高的敬業(yè)精神，重視平臺(tái)建設(shè)，愿意投入時(shí)間和精力。同時(shí)，教師必須具備扎實(shí)的生物藥物生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為保證項(xiàng)目的先進(jìn)性，高校教師要將自身的科研成果轉(zhuǎn)化于教學(xué)之中，并將所擁有的該專業(yè)領(lǐng)域的資源與資料供學(xué)生參考，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)書籍或搜索文獻(xiàn)以擴(kuò)展資料來源。擁有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)導(dǎo)師應(yīng)保證師生收集資料的準(zhǔn)確性及虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。教師可通過階段性的任務(wù)布置、檢查和反饋把控項(xiàng)目進(jìn)度，為項(xiàng)目平穩(wěn)推進(jìn)提供重要保障。

3.學(xué)生的積極參與。學(xué)生是項(xiàng)目的主要實(shí)施者，穩(wěn)定積極的學(xué)生團(tuán)隊(duì)對(duì)于師生共建項(xiàng)目至關(guān)重要[3]。學(xué)生需要在繁重的課業(yè)任務(wù)之余，深入了解虛擬仿真平臺(tái)并客觀地反映自己的使用感受；查閱相關(guān)專業(yè)知識(shí)，撰寫腳本；根據(jù)指導(dǎo)教師的安排和軟件制作公司的反饋及時(shí)整改等。項(xiàng)目的共建會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間與精力，也需要每個(gè)團(tuán)員揚(yáng)長(zhǎng)避短、各盡其責(zé)和分工合作。因此，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)學(xué)生選擇時(shí)，在自愿報(bào)名的前提下，不僅要考慮其學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新意識(shí)，責(zé)任感、吃苦耐勞和團(tuán)隊(duì)合作精神的考察更為重要。(1)帶頭人需要有良好的管理能力。帶頭人在團(tuán)隊(duì)中起到統(tǒng)籌作用，安排分配任務(wù)，保證成員發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)。其需要有良好的管理能力、協(xié)調(diào)運(yùn)作能力以及豐富的專業(yè)知識(shí)。(2)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部團(tuán)結(jié)，成員優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。團(tuán)結(jié)一心是團(tuán)隊(duì)的前提，只有團(tuán)結(jié)才能發(fā)揮團(tuán)隊(duì)力量。學(xué)生群體由于接觸的網(wǎng)絡(luò)信息、興趣愛好、教育背景、學(xué)習(xí)意愿、發(fā)展?jié)摿σ约爸饔^能動(dòng)性等的不同，個(gè)性產(chǎn)生較大差異[4]，團(tuán)隊(duì)成員擁有不同技能與特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可使成果最大化。(3)團(tuán)隊(duì)需要?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)。大學(xué)生具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、敢于創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)，要鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)市場(chǎng)上已有的虛擬仿真系統(tǒng)，從使用者角度分析其優(yōu)劣，提出增加虛擬平臺(tái)趣味性和實(shí)用性的新想法、新思維，以增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

二、師生共建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)施模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以多種現(xiàn)代技術(shù)為依托，通過仿真各種大型儀器設(shè)備，設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中通過人機(jī)交互的方式按照各種步驟開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教師指定的各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的[5]。在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過程中，教師負(fù)責(zé)平臺(tái)構(gòu)建的整體把控，勾畫大框架，建立主干，學(xué)生負(fù)責(zé)平臺(tái)的主體建設(shè)，在教師的指導(dǎo)下完善“枝葉”。

(一)前期準(zhǔn)備

指導(dǎo)教師提供與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的資源供學(xué)生先行學(xué)習(xí)。學(xué)生進(jìn)入本校已有的其他學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)操作，了解什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生角度評(píng)價(jià)虛擬仿真手段在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)、弊端以及現(xiàn)有項(xiàng)目的優(yōu)劣，取其精華，去其“糟粕”；進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)空間”網(wǎng)站，學(xué)習(xí)國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念和思路，繼承優(yōu)點(diǎn)，突破創(chuàng)新；深入學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合虛擬仿真理念，提出自己的想法。

(二)項(xiàng)目制作

指導(dǎo)教師搭建實(shí)驗(yàn)框架，制訂項(xiàng)目計(jì)劃，整體把控項(xiàng)目進(jìn)度，并根據(jù)學(xué)生特長(zhǎng)與空閑時(shí)間段安排相應(yīng)小組類別，分時(shí)間段布置不同的任務(wù)。學(xué)生在掌握一定理論知識(shí)后，由教師帶領(lǐng)實(shí)地考察生物藥物生產(chǎn)車間，了解車間布局、GMP要求及生物藥物GMP生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。整合教師提供的材料和自己搜集到的資料，按軟件公司要求編寫成規(guī)范腳本，交由教師和企業(yè)技術(shù)人員審核，通過后遞交軟件公司制作，并根據(jù)公司反饋不斷修改完善。教師和學(xué)生共同審核軟件公司制作的初稿，若存在問題，學(xué)生先自主開展討論與總結(jié)，再將整改方案遞交教師與專業(yè)人員進(jìn)行修改與確認(rèn)(圖1)。

(三)項(xiàng)目反饋

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建完成后，邀請(qǐng)本院3位生物制藥專業(yè)教師和5位生物制藥大三學(xué)生操作使用，使用后的意見為：該虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景逼真、操作簡(jiǎn)單流暢、知識(shí)點(diǎn)明確，但互動(dòng)、趣味不足。師生團(tuán)隊(duì)根據(jù)意見加以改進(jìn)：根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，在重要知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)操作步驟前增加問答互動(dòng)，若答題錯(cuò)誤，則跳出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)要求重新復(fù)習(xí)；以闖關(guān)學(xué)習(xí)模式配以我院卡通形象 “小藥”，增加軟件的趣味性。

三、師生共建模式的效果評(píng)價(jià)

以師生共建模式建設(shè)的生物藥物GMP生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已投入使用。在建設(shè)過程中，指導(dǎo)教師樹立教學(xué)、科研、 服務(wù)三位一體的職能觀念,在培養(yǎng)學(xué)生的同時(shí)，也豐富了工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在合作觀念下的合理競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)學(xué)生的成長(zhǎng),個(gè)人核心競(jìng)爭(zhēng)力得到有效提高[6]。

(一)提高了學(xué)生綜合素質(zhì)

1.引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的合作和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。指導(dǎo)教師根據(jù)團(tuán)隊(duì)中每個(gè)學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)為其分配適宜的任務(wù)。一方面，學(xué)生間相互交流有利于集思廣益，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的主體意識(shí)和團(tuán)隊(duì)意識(shí)，提高溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力大有裨益；另一方面，組內(nèi)成員在進(jìn)行項(xiàng)目任務(wù)時(shí)能形成良性競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)個(gè)人成長(zhǎng)，在競(jìng)爭(zhēng)與合作中樹立正確的合作和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。同時(shí)，師生共建模式滿足了學(xué)生的“參與感”和“獲得感”，提高了學(xué)生的積極性，將團(tuán)隊(duì)的價(jià)值凝聚力以及人際凝聚力融合在一起，極大地激發(fā)了團(tuán)隊(duì)活力。

2.鞏固、拓展學(xué)生專業(yè)知識(shí)。生物制藥專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)。學(xué)生若只是了解書本中生物藥物生產(chǎn)過程的理論，是感性且膚淺的，不能完全理解和把握其中的技術(shù)要領(lǐng)[7-8]。在本項(xiàng)目的建設(shè)過程中，學(xué)生通過各種資料，對(duì)虛擬仿真技術(shù)、生物藥物GMP生產(chǎn)流程以及相關(guān)儀器使用進(jìn)行了廣泛而深入地學(xué)習(xí)，這使得課本的理論知識(shí)在課外時(shí)間得以延伸，鍛煉提高了學(xué)生實(shí)踐能力，增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化了課堂學(xué)習(xí)效果，使理論知識(shí)與實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合，有利于夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，為將來的學(xué)習(xí)與實(shí)踐打下牢固的基礎(chǔ)。在師生共建模式下，教師與學(xué)生的關(guān)系更加緊密，教師對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)與幫助也更有針對(duì)性，更有利于學(xué)生專業(yè)知識(shí)的提高。

3.培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維與創(chuàng)新能力。實(shí)踐技能培養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力的基礎(chǔ)[9]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在各高校已使用多年。開發(fā)一套既好用又有趣的平臺(tái)需要在學(xué)習(xí)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)創(chuàng)新。虛擬平臺(tái)建設(shè)的過程大大豐富了學(xué)生的創(chuàng)新經(jīng)歷，提高了創(chuàng)新能力。大量理論資料的學(xué)習(xí)和工廠的實(shí)地考察，夯實(shí)了學(xué)生創(chuàng)新的基礎(chǔ)；鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)，激發(fā)創(chuàng)新潛能；學(xué)生間積極交流，碰撞出創(chuàng)新的火花；從文字的腳本到可操作的動(dòng)畫，讓學(xué)生感受到了創(chuàng)新的樂趣。

4.為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和競(jìng)賽打下基礎(chǔ)。師生共建的模式很大程度上調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，項(xiàng)目的建成增加了學(xué)生的自信心和專業(yè)認(rèn)同感，訓(xùn)練了多方面的能力：查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)方案增強(qiáng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考能力；通過對(duì)現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化增強(qiáng)了學(xué)生靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力[10]。這些都為申報(bào)各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目和參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽項(xiàng)目提供了技術(shù)支持和核心競(jìng)爭(zhēng)力。團(tuán)隊(duì)學(xué)生依托本項(xiàng)目，成功獲批福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。

(二)提高了教師的綜合素養(yǎng)

高校教師主要教授理論和實(shí)驗(yàn)課程，大部分缺乏工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[11]，在工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐方面投入精力不夠，知識(shí)結(jié)構(gòu)體系也不全面，導(dǎo)致并不完全了解行業(yè)技術(shù)的進(jìn)展及行業(yè)對(duì)人才的真實(shí)需求，因此在實(shí)踐教學(xué)中很難把握教學(xué)目標(biāo)并有針對(duì)性地進(jìn)行引導(dǎo)。生物藥物GMP虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)也是對(duì)教師工廠實(shí)踐技能的訓(xùn)練。在資料查閱、工廠參觀學(xué)習(xí)，特別是與企業(yè)教師的共同合作過程中，高校教師不但鞏固了理論知識(shí)，而且能夠把理論與實(shí)踐、教學(xué)工作結(jié)合起來，提升教師個(gè)體的知識(shí)素養(yǎng)和工作能力。

四、生物藥物GMP生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用效果評(píng)價(jià)

為了解本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用性和適用性，更好地完善平臺(tái)功能，筆者對(duì)使用者進(jìn)行了匿名問卷調(diào)查。

(一)問卷調(diào)查

問卷共發(fā)放34份，回收有效問卷34份，問卷有效率100%。問卷內(nèi)容涉及平臺(tái)的學(xué)習(xí)效果、學(xué)生的接受程度以及改進(jìn)措施等方面。結(jié)果表明，在使用生物藥物GMP生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)后，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為可以從中彌補(bǔ)工廠實(shí)踐的缺失，更形象地學(xué)習(xí)藥品GMP生產(chǎn)流程，銜接課本理論知識(shí)與實(shí)際操作，從而更好地為步入工作崗位打基礎(chǔ)，這與本系統(tǒng)的建設(shè)目的相一致。然而，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)時(shí)間不長(zhǎng)，仍存在不足。問卷顯示，實(shí)驗(yàn)中的知識(shí)點(diǎn)不足最為突出，仿真操作時(shí)間太短、仿真場(chǎng)景不真實(shí)和較難操作也是需要改進(jìn)之處(表1)。

表1 生物藥物GMP生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用情況

(二)改進(jìn)措施

1.完善生物藥物GMP虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“知識(shí)庫(kù)”建設(shè)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)將重心放在構(gòu)建GMP生產(chǎn)車間的框架上，而知識(shí)點(diǎn)教學(xué)方面略顯單薄。今后將以細(xì)化生物藥物生產(chǎn)所涉及的知識(shí)點(diǎn)板塊作為重點(diǎn)內(nèi)容之一，完善學(xué)前知識(shí)內(nèi)容導(dǎo)入、學(xué)中知識(shí)點(diǎn)巧記、學(xué)后知識(shí)內(nèi)容測(cè)驗(yàn)等內(nèi)容。幫助使用者結(jié)合虛擬實(shí)踐操作，加深其對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

2.強(qiáng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的真實(shí)性和可操作性。在今后的建設(shè)過程中，師生共建團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員優(yōu)化操作界面以及操作步驟等細(xì)節(jié)內(nèi)容，提高使用者在操作過程的“沉浸感”，進(jìn)一步豐富使用者在學(xué)習(xí)過程的“真實(shí)感”，強(qiáng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的真實(shí)性和可操作性。

3.增加虛擬仿真平臺(tái)的可延續(xù)性和完整性。本次建設(shè)的虛擬仿真平臺(tái)只涉及生物藥物的生產(chǎn)部分，缺乏質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，尚不完整。而生物藥物在穩(wěn)定性、生物活性、有效期和純度等方面均有著更為苛刻的要求，故其質(zhì)量監(jiān)控項(xiàng)目和力度都不同于化學(xué)藥物。今后將進(jìn)一步完善本平臺(tái)，繼續(xù)建設(shè)質(zhì)量控制部分，使學(xué)生了解生物藥物的質(zhì)控要求，并與化學(xué)藥物的質(zhì)控相比較，加強(qiáng)學(xué)生的質(zhì)控意識(shí)，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。

隨著新媒體技術(shù)的普及，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入高校課堂教學(xué)領(lǐng)域[12]，相關(guān)平臺(tái)的建成能夠方便教師利用平臺(tái)開展教學(xué)活動(dòng)與科研項(xiàng)目，更好地服務(wù)學(xué)生和生物制藥相關(guān)企業(yè)。師生共建模式以創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要為導(dǎo)向[13],在培養(yǎng)本科生“三創(chuàng)”能力、學(xué)習(xí)自主性、團(tuán)結(jié)協(xié)作和拓展學(xué)生專業(yè)知識(shí)技能等方面有著重要作用，可為各高校變革人才培育方式提供借鑒。