职业院校实践教学中虚拟仿真技术的应用
---以《药物制剂技术实验》课程为例
张二飞、王 静、赵琰玲、张梦媛、汤文、卞俊霖
（ 江苏食品药品职业技术学院 制药工程学院，江苏淮安 223003 ）
摘要：在职业院校实践教学中，常因实践操作设备、环境、师资等因素制约，许多过程复杂、操作危险、成本高的实践项目无法完成，实践教学效果量化评价较难。本文以《药物制剂技术实验》课程为例，通过将GMP虚拟仿真平台引入到实践教学中来，有效的解决的上述问题，为药物制剂实践教学高质量的开展提供了新的方法，提高了药物制剂实践课的教学效果。
关键词：职业院校；实践教学；GMP虚拟仿真平台
职业教育的人才培养目标主要聚焦于培养高素质技术技能型人才，要求学生掌握必要的理论知识，还应该掌握本专业领域的实际操作技能，满足生产技术管理和服务岗位要求[1]。《药物制剂技术实验》是药品生产技术专业、药学、药物制剂技术等专业的专业核心课程，课程的教学目标是使学生掌握药品制剂生产中常见剂型的生产工艺、制药设备的操作，为毕业后进入实习及工作岗位，适应制药企业大规模生产实际打下基础。作为一门应用性学科，实践能力的培养在该课题培养体系中非常重要[2-3]。各职业院校虽然积极开展实验实训条件的改善，新建GMP实训车间，购置制剂设备，开发课程实践教学项目。但是由于诸多因素的制约，很难在校内按照制药企业的环境要求和管理方式进行实践教学活动，这些因素直接影响着药物制剂实践教学的效果，制约学生毕业后对岗位的适应。为此，本着“虚实结合、以虚促实”的指导思想，我们在实践教学中大力引入虚拟仿真技术，来补充和强化药物制剂实践教学的教学，提升教学效果。
1.实践教学中引入仿真技术的必要性
实践能力的培养是需要反复对学生技能进行强化训练，然而传统这种以教师示范，学生跟着练习的方式，课后有没有持续训练以达到巩固提高的教学形式对实践教学的效果会有着很大的影响。
1.1教学设施设备不足，教学成本过高
药品生产设备产品质量要求符合GMP，所以价格偏高，所以学校在设备购置中产品型号和台套数均出现不足。同时，制药设备更新换代频繁，教学使用的设备大多数与制药企业一线岗位使用设备出现脱节现象。此外，投料量大、实习产品不能实际应用且难以回收和重复利用，因此生产实训具有高消耗、高成本、难排放的特点，多数情况下设备操作教学仅停留于静态观摩，设备运行困难。设备台套数的不足，如高速旋转压片机、胶囊自动填充机、小容量注射剂生产设备、药品包装生产线等价格昂贵、操作复杂的，实验室一般只有一台或一条生产线，学生无法实现人人都有机会动手操作，这类项目的开展更多的只是停留在观摩，实验开展也只能走马观花、草草了事。
1.2实践项目脱离生产，教学内容落后
药品生产是一个连续生产的过程，从原料进入生产区域后依次要经过粉碎、筛分、混合、制粒、整粒、总混、压片等多个工艺步骤，由于受到课时的限制，这些工艺步骤分布在不同的实践，且不能够连续性。也就是说最后学生在练习压片所使用的颗粒并非自己小组之前完成的。这就无法去分析片剂质量，因为无法体现出产品质量的可溯源性，违背了GMP的基本精神，也不利于学生形成药品产品质量意识，使得学生难以从片剂工艺总体上理解药品生产过程。教学内容的碎片化，更多的只停留在单台设备的操作练习上，不利于学生对制剂系统化的认知。同时，学生难以接触到新技术新工艺。市场上没有专门教学型生产设备供应，生产型设备价格昂贵且型号偏大，学校设备难以定期更新。因此教学用设备与企业一线生产用设备在技术和工艺上严重脱节，无法在教学中展示，体验自动化、数字化、智能化的制剂生产设备和技术。
1.3实验平台过于单一，教学组织困难
实践教学模式上，学生仅仅能够依靠实验室或车间这单一平台，利用课堂上有限的时间进行学习和训练，内容上也缺乏趣味性和探索性，无法让学生体验到团队合作和成果的获得感。而且教学组织较为困难，受到场地、设备、师资等因素的影响，班级教学往往采取分大组进行教学，十多人围绕一台设备，指导教师只能通过示范进行教学，学生很难有动手操作的机会，往往只能停留在了解、看过的水平上，学习效果的评价无法有效实现，实践能力的考察没有依据，往往只能依托实验报告的完成情况。此外，课后对技能的反思和强化训练更是无从谈起，这极大的影响实践技能的训练和提高。
职业院校最大的育人优势就是培养技术技能型人才，而这样的优势人才培养的基础就需要大量的技能训练，《药物制剂技术实验》作为药品生产类专业的专业核心课，是一门实践性非常强的学科，主要目的是培养学生的实际动手能力，使学生掌握基本理论和剂型的成型技术，培养学生正确进行生产操作的学科。然而由于场地、设备、师资、经费等条件限制，这些因素都直接制约着教学质量的提升及学生操作技能的锻炼。教学中学生只能处于观摩和模仿操作练习的水平，极大的制约了制药技术人才的培养。为此，我们引入了GMP虚拟仿真平台，依托该平台，实现实践教学的预习、上机练习、教学、自主学习、考核于一体的教学新模式，极大的提升学生的想象力和思维能力。
2.GMP虚拟仿真平台的构建
2.1交互式制药工厂平台
根据GMP要求，搭建交互式制药工厂平台，使得学生对药品生产中从原料入库到领料、生产、制剂、包装、质检、入库、盘点等各个作业环节数据的全程监控方法进行全方位的了解。
同时该平台可以实现以下功能：制药企业厂址的选择、结合产品和剂型(注射剂、片剂、胶囊剂)进行厂房规划和车间工艺布局；模拟设施、设备管理、人员管理、卫生管理、物料管理、生产管理、质量管理；模拟具体的验证和SOP的执行、操作等，并对以上各方面的实训内容进行理论和模拟操作考核。学生可以进行不同的角色扮演，了解制药企业的组织结构和各部门的工作职责及之间的工作衔接。学生通过平台的操作练习，进一步熟悉专业基础知识、了解GMP相关知识、制剂生产环境、设备操作等内容，为进行实践操作奠定良好的基础。
2.2固体制剂虚拟生产平台
按照剂型设置不同的制剂模块，涵盖颗粒剂、片剂、胶囊剂等常见固体制剂制备工艺流程。虚拟仿真中软件与GMP实训车间的设备进行定制化的设计。以阿司匹林胶囊与阿司匹林片制备为例，软件与GMP教学车间中阿司匹林胶囊填充操作相配套，采用虚拟仿真项目介绍目前较常用的NJP系列全自动硬胶囊充填机（NJP800）的操作，展示设备的基本构造，以及其自动播囊、分囊、充填、废囊剔除、锁囊、成品导出等多种工序的原理，训练学生采用PLC编程控制进行变频调速等的基本操作，以及缺料、缺囊和机械故障的检测、诊断和维护等基本技能。
通过借助本平台在实践教学中的应用，可以使学生充分掌握企业常用胶囊填充机的基本原理和构造，掌握胶囊生产的基本技能。
2.3液体制剂生产平台
开发与实训车间中小容量水针剂、冻干粉针剂和口服液生产实操项目配套的虚拟仿真软件。以安瓿洗灌封联动操作为例，平台采用虚拟仿真手段介绍由立式超声波清洗机、杀菌干燥机、安瓿灌封机三台单机运行模块组成的安瓿洗烘灌封联动机组，将实践中的单机操作连接成生产中的流水线，还原制药企业液体制剂生产场景，极大的解决在实践操作环节中因设备原因和安全隐患等因素制约而无法开展的项目。
通过本软件的操作和运行，可以使学生了解安瓿洗烘灌封联动生产线的基本原理和构造，掌握小容量注射剂、冻干粉针剂和口服液生产的基本技能。
2.4公共工程仿真虚拟实训平台
制药企业公共工程系统主要包括制药用水系统、供气和供热、强电和弱电、空调系统等。本平台对公共工程中心的设备和机组进行虚拟化构建，设置“制药用水”、“注射用水”、“空调净化系统”和“压缩空气系统”四个模块。让学生对公共工程系统有个直观的认知，掌握制药用水制备与供应、压缩空气及布局、空调及净化系统的工作原理和相关操作。
仿真软件的模块搭建严格按照制药企业岗位操作流程，严格执行生产前的检查、制剂操作、生产后清场，以及在操作过程中进行完整的文件记录，这些有助于培训学生制剂生产的整理观念，有助于学生对岗位能力要求和规范的掌握。
3.GMP虚拟仿真平台在实践教学中的应用
虚拟仿真平台的应用，极大的丰富了学生实践学习的渠道，同时也打破了时空的限制，学生可利用电脑或移动设备进行自主的学习。可以实现在课前预习、课中互动、课后强化训练和技能量化考核，极大的丰富实践教学的组织形式和提高学习的效果。
3.1课前预习与准备
在一个项目开展前，学生可根据课程网站的学习任务，了解该项目的工作任务及在制剂工艺中的位置，进入GMP虚拟仿真平台进行按规范流程的操作练习。如以“压片工艺”为例，上课前学生会收到学习任务书，在课程网站平台了解压片工艺流程、相关理论知识，观看学习压片操作的微课视频和动画，并完成预习工作量，然后登录虚拟仿真平台完成压片模块的操作练习。在压片模块，学生会有两种模式供选择：训练和考核。预习阶段学生只需要进入训练模块，该模式针对的对象为初学者，每一个步骤均有提示，学生只有正确的完成当前的操作，才会出现下一步操作的提示。在有提示的情况下进行引导式的操作练习，熟悉压片工艺规程与操作规范。完成预习后，学生可通过考核形式完成软件操作，学生使用练习模式后，学生可通过考核模式对自己的学习效果进行检测，该模式下无步骤提示，完成相应的步骤得到相应的分值。系统会分析操作过程中的错误和薄弱环节，提示操作人员需重点加强训练，这也为学生在课堂学习和师生交流互动中指明了方向。同时，仿真平台操作界面有着大量的知识点，学生点开后可获得各操作节点的原理、标准化的操作规程，同时平台还存储了大量的学习资源，学生可以自由选择性的下载。
3.2课中教学虚实结合
课堂中教师充分利用教学场所的虚拟设备，在制剂生产的同时借助这些仿真平台，让学生从宏观到微观去认识制剂工艺、制剂设备工作的流程和基本原理。以在教学过程“一步制粒工艺”为例，日常教学中学生只能在教师示范后以小组为单位熟练设备操作，在引入交互式的虚拟仿真软件后，学生可以通过设置不同的参数工艺，不仅可以让学生直观的通过电视屏幕看到一步制粒工艺中沸腾干燥、成粒的过程和工作原理，也可以实现对工艺条件形成、优化的探索和思考，提高药物制剂相关专业学生专业技能水平和综合能力。以“空调净化系统”为例，在传统的公共工程教学中，学生只停留在观摩教学中，甚至仅仅停留在视频动画学习，通过虚拟仿真模块的学习，在空调机组房间可通过虚拟仿真大屏，学生可以比较直观的观察到空气进过空调机组的过程，动态展示室外空气顺序通过初效过滤器、混合气体室、加热加湿臭氧区、中效过滤区，以及新空气如何在洁净室内进行气体交换，这些平时看不见摸不着的空气流动，通过仿真演示可以直观的呈现给学生。同时学生还可以进行相关的操作，进行系统控制设备运行，这些都是实践场所教学无法实现的。
3.3课后自主训练与考核
实践教学考核一直是药物制剂实践教学过程中的难点。主要体现在考核准备工作量大，场地、设备、耗材等因素制约，考核多采用提问、简单的设备操作或拆装等方式进行。指导教师很难详细了解每位学生对制剂操作技能的掌握情况，无法对学生进行针对性和个性化的指导。而GMP 虚拟仿真平台考核功能非常强大，教师可以自由选择知识点、仿真任务模块来自主进行组题组卷，发布考试，学生在规定的时间内来完成在线操作练习，考试可以在机房或者笔记本端来完成，考试结束后系统将自动进行评分、汇总、统计，分析操作过程中的错误及原因，指导和帮助操作人员及时更正，直到规范完成整个操作。
4.讨论
GMP虚拟仿真平台在药物制剂实践教学中的应用，因其作为一种新的实践模式，具有虚拟性、实践性、开放性等特点，它使需微观呈现的实验、危险性实验、高成本实验等成为可能[4]。药物制剂虚拟仿真平台极大的拓宽了药物制剂实践操作和学习效果评价的渠道，是药物制剂实践教学的强有力补充，同时能够提升教师教学水平，提高学生学习兴趣，增强学生实践能力，值得推广。
通过这两年的实践，虚实结合模式拓展了药物制剂实训教学的方式，使之前无法开展的实训项目和环节在GMP虚拟仿真平台得以实现，打破了传统药物制剂实践教学受制于客观条件的状况，使学生对药品制剂类专业知识和技能的掌握更具系统性和完整性，适应了岗位和社会的需求。虽然虚拟仿真技术在实践中应用的优势非常突出，但我们也应该清醒的认识到，它不可能完全替代在实验车间内学生动手实操的教学方式，技能的掌握还是需要反复训练、精益求精的打磨，达到熟能生巧的目标，要充分发挥仿真软件在解决实践教学中的重点难点的具体应用，成为我们实践教学的优质辅助工具，实现“虚实结合、以虚促实”的目标，推动药物制剂实践教学的改革。
参考文献：
[1]刘烨.浅谈GMP仿真技术在药物制剂技术教学中的应用[J].北方药学,2014 ( 10 ) : 157-157 .
[2]毛艳玲,李学明,孙千惠.药学、药物制剂专业本科培养方案的修订研究:基于南京工业大学2015级本科培养方案的修订[J].教育教学论坛,2017(12):78-79.
[3]高峰,陈彦佐,任福正,等.药物制剂专业实验的教学探讨[J].实验技术与理.2014
(12):187-189.
[4] 贾彦荣,周宝成,徐火英等.仪器分析虚拟仿真实验系统的应用与构建研究[J]. 浙江理工大学学报(社会科学版),2016,36(3):303-307.
张二飞 男，1986.06出生，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向：药物制剂技术
2020年江苏食品药品职业技术学院教育教学与管理研究课题：虚拟仿真辅助下“药物制剂实训”课程教学模式的构建研究（2020JXB004）
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