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虚拟仿真实践教学在制药工程类课程中的应用初探

2020-05-19 10:05 出处:未知 人气: 评论(0
  摘要:虚拟仿真(VirtualReality)是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟仿真技术的发展为制药工程类课程实验教学的改革提供了很好的条件和技术支持,用虚拟实验来辅助制药工程类课程的教学是现代教育技术发展的迫切要求,能在很大程度上丰富学生的专业知识,具有广泛的实践教学应用前景。将虚拟仿真软件应用于制药工程类课程的实践教学中,能够使学生对药厂的整体布局及不同车间布置、工艺具体流程、设备结构及操作原理等有更加直观的认识和了解,虚拟仿真实践教学是对课堂教学及传统实验室教学手段的重要补充。
 
  关键词:虚拟仿真;制药工程;实践教学
 
  近年来,随着经济和科技的飞速发展,我国高等教育进入了一个快速发展的时期,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,学科间的交叉和联系不断加强。在这个大环境下,实验教学已成为高校教学活动的重要环节,学校的实验设备只能让学生多次重复地做一门实验,无法满足多批次学生的实验及实践需求[1-2]。由于受到经费、场地和设备等限制,实验教学并不能达到预期的效果。一些耗资大的实验许多学校不能开设,学生只能通过课堂上老师的讲述对实验仪器及实验操作进行想象,缺乏实际操作经验。同时,在传统的实验教学中,如何考核学习者的实验操作技能也存在一定的困难,传统实验教学模式和手段的局限性,已经成为高校教学发展的制约因素。由于传统实验教学存在着诸多的弊端,制约了实验环节的教学质量,严重影响着高校教学质量的提高,实验教
 
  学必须改革以适应现代教育的发展。目前,我校已经安装了中药提取、化学合成药及综合制剂等制药工程方面的虚拟仿真软件,同时在教学中反复使用。本文对虚拟仿真技术及虚拟仿真实践教学的特点进行阐述,并结合我校制药工程类课程的教学情况,从虚拟仿真实践的教学方法、实践教学的具体落实、学生成绩评价及存在问题等几个方面进行总结,为虚拟仿真实践教学在制药工程类课程中的实践教学改革提供参考。
 
  1虚拟仿真技术简介
 
  仿真(simulation)技术,也称为模拟技术,即用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真(VirtualReality)实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成,可以是现实世界的再现,亦可以是构想中的世界,用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。通过计算的交流互动,能近距离地创造现实,感受事实,并扩大与虚拟世界的信息交流。虚拟仿真可实现不同教学场景的仿真,实现更好的沉浸性、交互性和逼真性[3],使教学环境情景化,从而达到优化教学过程、提高教学质量的目的。
 
  近年来,互联网技术的发展以及虚拟实验室(Virtual Laboratory,VL)在许多领域的成功应用,为以上问题的解决提供了一个很好的途径。虚拟实验室的概念,最早是由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授于1989年首先提出的,其初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器,并能交流思想和进行远程科研合作。
 
  虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,并可以使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向,是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术及网络技术等多种技术的集合,是一门富有挑战性的交叉技术的前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知。自然技能是指人的头部转动,眼睛、手势、或其他人体行为动作,由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据,对用户的输入做出实时响应,并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。虚拟技术的发展为实验教学改革及远程教育提供了很好的条件和技术支持,用虚拟实验来辅助教学是现代教育技术发展的要求,它有着广阔的实践教学应用前景。
 
  虚拟实验室概念的提出至今仅20余年,但因其诱人的实践教学应用前景,国内外均在大力开发及研究,并且在国内外高等教育中的应用越来越多。同时虚拟实验技术在科学研究、虚拟实验教学、教育娱乐等方面发挥着重要作用[4-5]。目前许多高校根据需求建立了虚拟实验室,努力应用这种先进的实验工具辅助研究与教学。
 
  2虚拟仿真实践教学的特点
 
  虚拟仿真实验将工厂搬上了计算机,学生通过操作鼠标和键盘能够了解车间布局、工艺流程、设备操作原理,进行工艺过程及设备操作,观察设备结构及运动状态,判断设备运转是否正常,收集工艺参数并分析数据等。与传统的实验教学模式相比,虚拟仿真实践教学方式主要的优势体现在以下几个方面:
 
  (1)实验过程更安全。将计算机中通过程序来控制的软件系统代替实际生产运行的药厂及实验设备等反应装置,在计算机上开展虚拟仿真教学,从药厂的实际生产运行维护流程的管理到生产过程设备的投料、温度、压力、搅拌速度等反应的设定,到排气、出料、冷却水的循环使用等参数,都能通过软件模拟进行,并能直观地看到各个条件下的运行状态,通过软件计算出产量、能耗等数据。从而避免学生实际实验过程中所带来的危险性,让仿真实践教学成果更有效,实验教学过程更安全。
 
  (2)实验消耗更节约。以化学合成药为例,实际生产过程中若中试级,则物料消耗、热量消耗及动力消耗都达吨级以上且时间达数周以上,实验成本巨大。该类实验通过虚实结合,采用小型仿真设备的操作,结合计算机模拟实际中试生产基地的运维流程,可以大大节约成本,即便学生操作失误,也可以重复进行,不必担心实验消耗的问题。
 
  (3)教学内容更直观。如制药工程原理与设备类课程,需要学生对制药工艺流程的理解及熟悉,并了解制药设备在生产工艺过程中的作用,掌握设备中各零部件的构造和生产工艺过程中各反应工段的工艺原理。通过虚拟仿真实践,能帮助学生全面把握复杂零部件内部结构特征,从而更容易掌握实际生产原理。
 
  (4)突破了时间和空间的限制。虚拟仿真实践教学的引入,打破了传统实验对空间、时间的限制,使学生不再局限于课堂、实验室、药厂,突破了传统实验对时间与空间的瓶颈,形成了一套更加完善的理论与实践教学体系,教学过程中学生可以在任何地点、任何时间反复操作,直到熟练掌握,从而极大地方便了学生的实践。
 
  3虚拟仿真软件在制药工程教学中的应用
 
  制药工程类课程一般包括制药设备、制药工艺学、车间工艺设计、制药工程原理与设备等课程,上述课程多涉及到许多药厂的实际工艺流程及制药设备,受到制药行业药品质量管理及制药工艺要求的制约,目前的现状是学生很难进入到真正的药厂进行参观和生产实习,学生对于实际的工艺流程及设备的认知与理解仅限于书本及课堂。
 
  (1)虚拟仿真实践教学方法。近几年,我们陆续在制药工程类课程的教学过程中进行虚拟仿真教学实践的探索,目前制药设备、车间工艺设计及制药工程原理与设备等课程均引入一定学时的虚拟仿真实训,组织教师对制药工程类课程的教学大纲进行了修订,增加了虚拟仿真实践教学环节的内容和学时安排,根据不同课程需要,课时在2~8学时左右。充分利用不同软件的特点,结合课程的具体内容,制定了详细的教学计划,并对教学设计、教学日历及教学内容进行了相应调整。目前我院使用的虚拟仿真软件主要有中药提取的虚拟仿真软件、化学合成药虚拟仿真软件、综合制剂虚拟仿真软件及VR等,这3种类型的虚拟仿真软件包括了药物合成、分离纯化、过滤沉淀、加热冷却、中药提取、蒸发浓缩、粉碎、干燥等诸多制药工艺及涉及众多工艺设备及制剂设备的使用操作,同时所有工艺及设备的生产操作环境及厂房布局都符合药品生产质量管理规范的要求。
 
  (2)虚拟实践教学的实施过程。将中药提取、化学合成药、综合制剂3款虚拟仿真软件安装在专门的计算机教室中,一台教师机带30~40台学生机,5台计算机1组,计算机房的装修布置及计算机的配置与学校的普通计算机教室类似,同时部分仿真软件资源可以在教务系统平台上共享,一般30个学生为1个大组,在计算机房5人为1个小组互相交流学习。一般软件系统包括软件的开发内容及相应原理说明、工厂及车间的整体概况、各车间的布局及要求、各类工艺及设备的操作说明及操作过程等,工艺及设备可以自动操作也可以人工操作,同时还有在线考试及评分系统。学生一般在学习完相应理论课的基础上进行虚拟仿真实训练习,教师通过终端机可以获得学生的学习操作进度,可以现场出题或通过题库在线考察学生学习情况。软件的操作界面与许多游戏界面类似,对于能熟练使用计算机的现代大学生来说,软件的操作使用极易掌握。如在制药设备课程的教学中,中药制剂工艺工程化概述章节的教学就安排了2学时进行虚拟仿真实践教学,利用化学合成药及中药提取的虚拟仿真软件,使学生对整个工厂的布局、空气净化过程及洁净厂房的要求、各单元操作的工艺流程及车间布局、各类相关设备的结构及操作流程、人流物流走向等进行认识和了解,对课堂的理论学习进行补充及完善;成型设备与包装设备章节的教学也安排了2学时的虚拟仿真实践教学,利用综合制剂的虚拟仿真内容,使学生对各类中药制剂成型及包装设备的结构、工作原理及设备使用操作有了感性的认知和理解。
 
  (3)虚拟实践教学的效果评价。虚拟仿真实践过程的效果评价通过以下4种方法:①教师现场提问考察学生对软件的使用及理论知识的熟悉程度;
 
  ②通过在线考试考察学生对虚拟仿真工艺过程及设备的熟悉及了解程度;③每个实验小组撰写1份虚拟仿真实训报告,计入平时成绩;④学生对虚拟仿真实训过程进行教学评估打分,以督促教师改进教学过程。
 
  (4)虚拟仿真实验教学的具体应用及问卷调
 
  查。目前我校应用虚拟仿真实践教学的专业主要有中药制药、生物制药及药学等专业的学生,主要是在大三学生的相关专业基础课及专业课的教学中进行应用,已经进行了2年的虚拟仿真教学实践,每学年大概有90余名生进行了虚拟仿真实践教学,每个专业大概完成了4~6学时的教学安排。关于学生对虚拟仿真实践教学效果的评价,本教研室编制了虚拟仿真实践教学效果调查问卷,并对调查结果进行了分析。本次调查对象为中药制药及生物制药三年级的学生共计54人,其中男生16人,女生38人,调查的有效样本数为54。本次问卷调查针对化学合成药虚拟仿真软件、中药提取虚拟仿真软件、综合制剂虚拟仿真软件及综合制剂VR等三款虚拟仿真软件进行,由于调查问卷的设计不一定十分充分合理,调查时间及学生人数有限,统计结果仅供参考。
 
  通过本次问卷调查,认为虚拟仿真实践教学对课程学习有帮助的占98.1%;80%以上的学生认为制药设备及GMP与车间工艺设计课程最适合用虚拟仿真实践教学手段;学生最喜欢的软件为中药提取软件;85%以上的学生认为设备及工艺仿真、制剂工艺仿真对课程的学习最有帮助;70%以上的学生认为软件的不足之处在于软件操作复杂、设备及工艺仿真内容不足;80%的学生通过虚拟仿真实践教学加深了对工厂实际的了解。通过虚拟仿真实践教学的问卷调查结果统计,学生普遍认为虚拟仿真实践教学对实验与实践的学习、工厂实际情况的了解、设备结构及操作的了解、药厂整体的综合布局、GMP车间的熟悉帮助较大。学生对设备与工艺仿真方面兴趣最大,同时认为药剂类课程、炮制学、中药化学、鉴定与药植等课程也应该进行一定的虚拟仿真教学,并且认为需要开发与我校教学配套的专有虚拟仿真软件。
 
  (5)虚拟仿真实践教学中存在的问题。通过近几年的虚拟仿真实践教学的总结与反馈,目前在教学中存在的主要问题主要有3个方面:一是虚拟仿真软件与工厂实际生产过程之间还有一定的差距,例如:人为因素、环境因素、感官的认知程度(水、电、气、冷、热、高压、低压、有毒、易燃、易爆等)、时间及空间因素、操作人员的相互配合、设备的真实程度等;二是软件包含内容的不足,一款仿真软件只能包含部分教学内容,有些理论知识无法体现在仿真软件中,而有些工艺过程无法用计算机进行仿真虚拟,学生和教师对虚拟仿真实训的反映都很好,但软件的内容无法满足教学的全部要求;三是现有虚拟仿真软件的开发技术还有许多不足,软件开发公司较少,互联网技术在虚拟仿真实训教学上的应用还有待提高。通过学生对虚拟仿真实践教学结果的反馈,目前虚拟仿真实践教学在如下方面还有待加强,如:虚拟仿真教学内容与课堂理论的充分结合;虚拟仿真软件操作应更加简便易学;应加强教师及学生对虚拟仿真软件使用操作的培训;设备及工艺过程的虚拟仿真应更加真实化、可视化、拟人化、自动化;虚拟仿真的内容应更加多元化;虚拟仿真实践教学计划及学时尚不足;虚拟仿真软件的类型不足以满足教学要求等。
 
  参考文献:
 
  [1]张晓春,夏双,廖红梅.电工电子虚拟仿真实验平台在实验教学中的作用[J].电子技术与软件工程,2018(19):199
 
  [2]李恒,蒋敏,陆震鸣,等.制药工程虚拟仿真实践平台建设及教学应用[J].广东化工,2018,45(1):201-202
 
  [3]蒋敏,李恒,杨子毅,等.虚拟仿真技术及其在制药工程实践教学中的应用[J].高校实验室工作研究,2017(1):58-60
 
  [4]王超,刘现,郑海新,等.VR技术在农业虚拟实验室建设中的应用优劣势与趋势[J].台湾农业探索,2018(4):86-90
 
  [5]王海英,刘文彦,巴再华,等.虚拟仿真实验教学系统在生理学实验教学中的应用[J].医学教育研究与实践,2018,26(5):841-844
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