虚拟仿真实验平台在生物制药教学中的应用探索论文

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摘  要：目前，国内外生物医药产业迅猛发展，新技术、新产业、新业态和新模式不断涌现，行业的迅猛发展不仅需要更多从业人员的加入，也对人员素质和能力水平提出了更高的要求。这就需要生物制药专业把应用实践型人才的教学环境及实践环境建设视为重点，只有在教学实践环节让学生将所学知识充分领悟，才是提高学生综合运用能力的有效手段。本文从生物制药专业应用模拟仿真平台来培养应用型实践人才，对平台的基本构成、虚拟教学 - 管理 - 评价模块体系、教学效果等内容进行探讨。

关键词：虚拟仿真；生物制药；实验教学

本文引用格式： 于欢， 冯超， 马莹慧， 等 . 虚拟仿真实验平台在生物制药教学中的应用探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(32):17-21.

Application exploration of virtual Simulation experiment Platform for Biologic Pharmacy

YU huan, FEnG Chao, MA Yinghui, GUO Shuying, ZhAnG huifeng
(College of Pharmacy, Jilin Mecical University, Jilin Jilin)

Abstract: At present, the domestic and foreign biomedical industry is developing rapidly. New technologies, new industries, new formats and new models continue to emerge. The rapid development of the  industry not only requires more employees to join, but also puts forward higher requirements on the quality and ability of personnel. This requires that in the construction        of the biopharmaceutical profession, the teaching environment and the construction of the practical environment for practical talents should be  taken into consideration. Only students fully comprehend what they have learned in  the teaching practice is      an effective means to improve students’ comprehensive application ability. This article explores that the biopharmaceutical professional application in virtual reality platform to cultivate applied practical talents. And discuss the basic structure, virtual teaching-management-evaluation module system, teaching effect and other contents of the platform.

Keywords: virtual simulation; biologic pharmacy; practical teaching

一 引言

随着经济和科技的飞速发展，我国高等教育迎来了快速发展的新契机，同时也对高等院校的教学提出了新的挑战，新理论、新技术教学层出不穷， 对教学与实践的结合提出了更高的要求。在这个大环境下，实验教学在高校教学活动中的重要性日渐明显，但是受到到资金和场地的限制，学术在实验环节通常进行的都是难度小、成本低、重现好的实验， 这显然与生命科学的快速发展不相匹配，不利于学生能力的提高 [1-2]。在高等教育阶段，学生正处于积累知识、培养能力的关键时期，学生有旺盛的求知和探索欲望，常规实验教学中普遍存在的内容和时间都受到限定的实验课程虽然能够满足基本的实验技能的训练，但不可忽视的同时也对学生的学习热情尤其是创新能力没有足够的积极促进作用，反而限制了教学质量。《教育部办公厅关于开展 2015 年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中明确指出，虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容 [3]。实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元，其建设水平直接影响实验教学的整体质量 [4]。虚拟仿真技 术可以沟通理论—实践之间的“虚—实”关系 [5-6]， 将理论教学与实验设计有机结合，提高实验开设效率和教学水平，也为传统实验教学向开放创新性实验教学过渡提供了契机。虚拟仿真实验平台对于高校传统实验教学模式极具挑战意义，这也是新时代高校人才培养的必然要求和结果 [7-8]。本文分析传统生物制药实验教学所遇的困难，指出虚拟仿真教学的必要性，构建虚拟仿真教学 - 管理 - 评价体系， 并以“干扰素生产”实验主题为例具体阐述，最后说明虚拟仿真实验教学的效果评价。


二 传统生物制药实验教学的困难

实践教学是激发学生探索欲望，培养学生实践能力和创新精神的必要途径。生物制药工程是实践性很强的应用学科，实验教学在生物制药人才培养中显得尤为重要 [9]。由于学科的自身特点，在实验教学工作中往往存在一些困难。

（一） 实验成本高，经费有限

由于生物制药领域相关知识更新迭代速度极快， 技术进步对相关实验的展开提出了更高的设备和试剂要求，具体表现为高新设备、试剂价格高昂，学校经费有限购买困难，很难提高设备与学生人数的比例，这就导致在实验课程的开设上存在一系列困难，限制了学生对新知识、新技术的了解和掌握。

（二） 安全需保障，实验困难

生物制药一些实验伴随着或多或少的危险性， 为了保障学生的安全，不得不斟酌实验设计、实验内容和实验方法。同时由于生物制药类专业面向的药品生产企业对于卫生、环境及安全性要求颇高， 故接纳大量学生实习的积极性不高，从而导致生物制药类专业学生实习实践困难。

（三） 传统实验课，模式僵化

传统生物制药实验课教学，一般是教师讲授，学生听讲，教师示范，学生模仿的形式 [10]，演示性、验证性实验项目所占比重仍然较大，并且没有形成系统性的教学模块架构。实验课程的设置本质上应该是学生独立思考，实践所学，实践与理论相互反馈的过程。传统的实验课，学生通常是根据已有实验方案，按部就班地完成实验操作，这种教学模式对于操作技能的养成无疑是有效的，但是对于形成实验理念、培养辩证思维、强化独立思考则远远不够。实验课程应该能够激发学生的兴趣，由实践操作反照自身的不足，过于僵化，缺乏变化感的实验课程很难引起学生的求知欲，甚至会使学生对课程产生懈怠情绪，导致学生为完成课程而完成操作，达不到预期的教学效果。

虚拟现实技术的出现和应用为解决上述问题提供了一条新的思路。通过建设虚拟仿真实验平台，学生能够在不进入实验室的情况下在终端进行模拟操作，这种练习不受空间和时间的限制，虽然不能接触到实物，但仍能达到良好的学习效果。而且这种虚实结合、相互辅助的实验教学形式能够激发学生的学习兴趣，有效提升实验教学质量。

三 虚拟仿真在生物制药教学中的必要性

传统生物制药专业课实践环节有着前文所述诸多困难，对学生掌握相关实验知识，熟练进行实验操作有着不利影响。通过虚拟仿真重构实验内容，通过友好的人机交互界面，可以充分改善教学过程中的这些弊端。

近年来，伴随着虚拟仿真技术的进步，虚拟仿真实验教学发展迅速， 已成为课堂教学和传统实验教学改革的重要手段之一 [11-12]。运用虚拟仿真技术构建全系统统一、完整的虚拟实验环境，具有沉浸性、交互性、操作安全、逼真性等特点 [13-14]。虚拟仿真实验教学有利于拓展实验教学广度和深度及推进实验教学与理论教学的平衡发展 ^[15]。一个高水平的实验教学平台，以及与其相配套的实验教学体系是提高实验教学质量，提升学生动手实践能力和创新能力的必要条件。我校生物制药专业为了更为高效地利用有限的实验教学学时而建设了虚拟仿真实验平台， 将传统实验教学中的部分实验技能训练所需的演示性和验证性的内容建设到虚拟平台上。学生可以在实体操作前自行在平台上进行实验原理、实验步骤、仪器设备使用方法和注意事项等的学习，并且可以反复进行模拟操作，这样可以极大地节约实验教学学时，将更多的时间用于动手实践。

生物制药专业学时在日后工作中面临的工作环境是高度现代化、集约化和复杂化的，相关行业涉及到的设备和所需的操作技能极度复杂，这就要求现代攻克教学应该能够培养高端技能型人才，普通的实践课程显然无法满足这一要求。虚拟仿真技术的出现为解决这一问题提供了思路，虚拟仿真技术可以精准地复刻典型生物制药工程产品生产制造的全流程，例如下文将举例提到的我校建设的干扰素生产 VR 虚拟现实仿真平台，该平台模拟了操作环境和操作对象，整个平台环境是开放式的，学生可以与模拟条件下的实验对象进行交互，在整个过程中学生要独立思考怎么做及为什么这么做，良好的真实感和沉浸感极好地调动了学生参与实践教学的积极性和主动性，也达到了我们提高学生实践能力和创新能力的目的。

四 虚拟仿真在生物制药教学中的主要实践方法

我们将虚拟仿真用于生物制药教学，在实验课堂形成教学 - 管理 - 评价体系架构（如图 1）。体系架构让实验教学具有系统性，划分为三个模块，包括教学模块、管理模块、评价模块，通过系统化、多元化教学，有规划、有逻辑、有条理地完成实验课教学。


首先，利用虚拟仿真实验课程软件，让学生了解工厂基础知识，主要内容是工厂漫游、人员更衣消毒的 GMP 知识干扰素的基本生产过程（如图 2），通过该预习，学生将对生物制品 GMP 化生产有一个宏观的认知，掌握相关试剂的正确使用、工业化设备的正确操作、个人实验防护等知识，实现知识视野的拓宽，弥补生物实验教学中理论与实践之间的差距。 

最后填写实验报告及完成思考习题。课程结束后操作者可通过操作历史或评分系统对自己的操作行为进行追溯，快速发现问题，改正问题，整个实验过程具有可追溯性。且利用平台的考试模块，教师可以进行管理理论题库、组建理论试卷、理论试卷评分操作，系统地管理学生的理论学习；亦可通过分析培训项目的使用情况，有针对性的开展仿真教学活动。进行人员集中的局域网机房内仿真教学、测验，或进行人员分散的网络仿真考试，方便教师实时掌握仿真软件使用情况，进行科学高效的仿真教学及考核。

五 虚拟仿真在生物制药教学中的教学效果

虚拟仿真平台于 2018 年应用于生物制药教学中，得到了多专业多年级学生的较高评价，从教学设计、规划及学生的课堂表现、自主思考、测验题答题情况、实验操作和考试成绩等来看，虚拟仿真教学体现出了传统生物制药教学所没有的优势。

（一） 虚拟仿真，提高学生的参与度

以往的实验课程许多时候因设备、材料、场地、资金的限制，一般是多个学生使用一台设备和相应材料，在实验开始前，学生要进行分工，每位学生只能进行部分操作，在其他组员进行实验时只能处于旁观状态，这种情况下学生在不能亲自动手操作时容易开小差，参与度不高，课程完成度不高，实验能力得不到很好的锻炼，无法达到实验课程的教学目标。虚拟仿真平台在生物制药教学中的应用， 避免了此种情况，课堂上保障每位学生全程参与实验的每一个步骤，提高了学生的参与度，并且使每位学生的注意力集中，提高了实验课的教学质量。

（二） 绿色课堂，提高课程的可持续性

实验课程操作人员多，对实验设备和实验材料的需求量很大，为了保证教学质量，每年都要耗费大量资金进行采购，其中很多材料是一次性用品，部分材料还具有一定危险性并对环境不友好，虚拟仿真平台在生物制药实验的应用，降低了实验设备的购买及维护资金、实验材料的消耗等，创造了绿色安全无污染的实验环境，促进了实验课程的可持续性发展。

（三） 系统化模块，提高课程的教学质量

传统实验教学，教师课上讲解实验目的、材料、步骤、注意事项等，学生按部就班进行实验操作， 课程结构松散，体系架构不够严谨，而虚拟仿真平台在实验教学中的应用，建立了一个完整的系统化结构，包括教学模块、管理模块、评价模块。教学模块中学生可先进行问题导入式课程预习，明确课程重点难点，采用虚实结合交互式操作增加实验真实感受，提高实际操作能力，可回看操作过程，发现问题，自主解决问题，同时自有助于复习和重复操作，巩固知识点，提高成绩；教师能够回溯查看学生操作，掌握学生学习情况，讲解学生错误之处。管理模块中教师可实时监控学生操作情况，有针对性地教学。评价模块中教师可根据评分标准，给予学生实验表现评价，激励督促学生认真进行实验学习，实现教学目标。系统化、逻辑化的实验教学体系， 有利于学生掌握知识点，内化吸收。

（四） 创新思维，培养学生创新能力

虚拟仿真实验教学的多元化设计，科技化的设施，有趣的实验教学课堂，都能引起学生的学习兴趣， 提高学生课堂的积极主动性，避免传统实验教学一味按照教师的实验安排来进行实验操作，在思考和创新上有别于以往的惰性，而是愿意主动思考，多提出“为什么”“如何做”“这样做比那样做好在哪里”“怎样做能更好”等等，有利于创新思维的培养。实验课的教学意义，不仅在教会学生如何做，还要重视培养学生的学习兴趣、创新思维及能力。

六 结语

生物制药所涉及到知识与相关行业是现今最为蓬勃发展的领域，每时每刻都有着新技术新装备的出现，这种快速的更新迭代就对人才培养提出了更高的要求，可以说本科阶段人才培养质量决定了行业从业人员的素质，进而决定了整个行业能否适应将来社会的发展水平。这就要求在人才培养上要大力引入新技术、新方法，勇于革新、乐于探索。虚拟仿真技术是现代信息技术软硬件设施共同发展的产物，可以很好地解决生物制药专业实践教学中实操难、体验差的问题，并且虚拟仿真技术还具有良好的可拓展性，可以随时对教学内容进行调整更新， 这正契合了相关技术快速进步的特点，是其他传统教学手段所难以企及的。将虚拟平台与实体平台结合，以“虚实结合”的模式进行建设，两种取长补短， 可以促进生物制药专业实践教学的改革，探索出一条新的更符合实际需求的模式。

参考文献

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