基于虚拟仿真技术的智慧课程教学的改革与创新 ——以《工业药剂学》课程为例

摘要：随着信息技术与教育教学的深度融合，虚拟仿真技术在高等教育领域的应用日益广泛。本文以《工业药剂学》课程为研究对象，针对传统教学中实践环节受限、学生创新能力培养不足等问题，探讨虚拟仿真技术与智慧课程教学的融合路径。通过构建“虚实结合、理实一体”的教学模式，设计模块化虚拟仿真教学内容，创新“教-学-做-评”一体化教学流程，实现了课程教学的智能化、个性化与沉浸式体验。实践表明，该改革显著提升了学生的学习效果与实践创新能力，为高等教育中实践性较强的专业课程改革提供了可复制的经验。

关键词：虚拟仿真技术；智慧课程；工业药剂学；教学改革；实践创新

中图分类号：F207                        文献标志码：A

《工业药剂学》是药学类专业的核心课程，主要研究药物制剂工业化生产的理论、工艺、设备及质量控制，具有较强的实践性与应用性。然而，传统教学模式存在以下突出问题：首先是实践教学资源受限，工业药剂生产涉及高成本设备（如冻干机、流化床制粒机）、高风险操作（如无菌制剂生产）及严格的GMP（药品生产质量管理规范）环境，高校难以在实验室完全复现真实生产场景，学生缺乏对完整生产流程的直观认知；其次是教学方式单一，以教师讲授为主，学生被动接受理论知识，对制剂生产中“为什么这么做”“如何优化工艺”等核心问题理解不深，创新思维与解决实际问题的能力培养不足；最后是个性化学习支持不足，学生基础与学习节奏差异大，传统教学难以满足个性化需求，导致部分学生“学不饱”、部分学生“跟不上”。虚拟仿真技术通过计算机模拟、数字孪生、虚拟现实（VR）等手段，能够构建高度逼真的虚拟实验环境和教学资源，突破时间、空间与成本的限制，为解决上述问题提供了新路径。

1虚拟仿真技术在《工业药剂学》教学中的应用现状

虚拟仿真技术在高等教育中的应用已上升至国家战略层面。教育部2019年启动的“双万计划”明确将虚拟仿真实验教学一流课程列为五类国家级一流课程之一。截至2023年，全国已认定超1500门国家级虚拟仿真实验教学课程，覆盖药学、医学、工程等多个领域。在药学教育领域，虚拟仿真技术被视为破解工业药剂学“高成本、高风险、高门槛”实践难题的核心手段。行业需求方面，制药工业的智能化转型对人才培养-设备操作-质量控制”复合能力的毕业生仅占18%。虚拟仿真技术通过模拟真实生产环境，可有效缩短学生从“理论认知”到“岗位胜任”的周期。

2虚拟仿真技术在《工业药剂学》教学中的困境

2.1技术实现的瓶颈

2.1.1高成本与硬件适配难题

虚拟仿真系统的开发与运行需依赖高性能计算机、VR/AR设备及专业软件（如Unity3D、ANSYS）。以北京欧倍尔的GMP虚拟仿真软件为例，其3D建模、物理引擎及交互设计的开发成本高达百万元级别，且需持续投入维护费用。对于普通高校而言，硬件采购（如VR头显单价约5000-20000元）与软件授权费用构成沉重负担。此外，部分院校实验室网络带宽不足（如低于100Mbps），导致虚拟场景加载延迟或崩溃，影响教学连贯性。

2.1.2 技术更新滞后与行业需求脱节

制药行业正加速向智能化、连续化生产转型（如连续制造技术、过程分析技术PAT），但多数高校的虚拟仿真内容仍停留在传统间歇式工艺。例如，内蒙古医科大学的小容量注射剂虚拟仿真实验仅覆盖安瓿瓶清洗、灭菌等基础模块，未纳入近红外光谱在线检测等前沿技术。这种技术代差可能使学生毕业后难以适应企业的数字化生产环境。

2.2.教学适配的挑战

首先虚拟仿真教学要求教师兼具药剂学专业知识与信息技术能力。部分资深教师因习惯传统板书与实体实验，对虚拟工具存在抵触情绪。此外，虚拟仿真的备课复杂度显著增加，如设计交互式任务、编写评分规则等，可能加剧教师的工作负荷。其次虚拟仿真的交互性虽优于传统课堂，但学生的参与深度参差不齐。例如，桂林医学院的药学虚拟仿真课程中，约30%的学生仅完成基础操作，未探索参数优化或故障处理等高阶功能。最后现有虚拟仿真系统多采用自动评分机制，主要考核操作步骤的规范性（如设备启停顺序），而忽视工程思维与创新能力的评估。此外，系统评分可能存在漏洞，如学生通过“试错法”绕过逻辑判断直接得出正确结果，导致知识掌握流于表面。

2.3行业对接的困境

第一制药行业的GMP标准（如2020版《药品生产质量管理规范》）不断更新，而虚拟仿真系统的内容迭代周期较长。这种滞后可能使学生对现行法规的认知不足，影响其职业合规意识。第二虚拟仿真的开发需要企业深度参与，提供生产数据、设备图纸等核心资源。然而，企业出于技术保密与生产安全考虑，往往对数据开放持谨慎态度。此外，校企双方在开发目标上存在分歧：高校侧重教学功能，而企业更关注技术推广，导致系统实用性受限。第三虚拟仿真常被用于替代企业实习，但两者的教育价值不可完全等同。例如，传统实习中，学生可观察到设备维护、跨部门协作等隐性知识，而虚拟环境中这些环节多被简化或忽略。

2.4伦理安全与认知偏差

虚拟仿真能模拟危险操作（如高毒性药物的称量），但学生可能因缺乏真实风险体验而放松警惕。此外，虚拟环境中对“三废”处理的简化（如直接排放虚拟废水），可能导致学生对环保法规的认知片面。部分药剂学实验涉及动物模型或人体试验，虚拟仿真可避免伦理争议。然而，这种替代可能削弱学生对生命伦理的敬畏感。此外，虚拟仿真的“试错自由”可能助长学生对实验伦理的漠视，如反复进行高风险操作而无实际后果。

2.5资源分配的失衡

2.5.1高校间的技术鸿沟

虚拟仿真资源的分布呈现显著的“马太效应”。以国家级虚拟仿真实验教学中心为例，2020年教育部认定的1000个项目中，东部高校占比超70%，而中西部高校因资金匮乏，仍以传统实验为主。这种失衡可能加剧教育质量的区域差距，如内蒙古医科大学的虚拟仿真项目虽入选国家级示范，但西部其他院校的同类资源仍严重不足。

2.5.2 系统维护的可持续性挑战

虚拟仿真系统的长期运行需持续投入。例如，桂林理工大学的化工虚拟仿真软件每年需支付约15万元的技术服务费，而部分地方高校因预算限制，导致系统更新停滞。此外，随着技术迭代（如元宇宙、AI驱动的仿真），现有系统可能面临淘汰风险，进一步加剧资源浪费。

3虚拟仿真技术在《工业药剂学》教学中的对策

3.1破解技术实现瓶颈

首先推广基于WebGL、云计算的轻量化虚拟仿真系统，通过云端服务器承担数据处理与渲染任务，降低本地硬件配置要求。同时，采用模块化开发理念，将复杂系统拆解为独立功能单元，允许高校根据需求选择性采购模块，降低软件授权成本。其次引入计算流体力学（CFD）、分子动力学模拟等技术，对颗粒静电吸附、干燥速率动态变化等微观机制进行更精准建模。最后与制药企业、行业协会（如中国医药设备工程协会）建立季度沟通机制，及时获取智能化生产技术（如连续制造、PAT）的最新进展，每年更新虚拟仿真内容。

3.2优化教学适配性

3.2.1分层培养教师数字教学能力

建立“三维度”培训体系，分别为基础层、提高层、创新层。基础层，面向全体教师开展虚拟仿真工具操作培训，通过工作坊、微认证（如“虚拟仿真教学入门证书”）降低技术门槛，缓解资深教师的抵触情绪；提高层，针对中青年教师，开设“虚拟教学设计与交互开发”课程，学习Unity3D脚本编写、知识图谱构建等技能；创新层，组建跨学科团队（药剂学教师+信息技术专家+企业工程师），联合开发高阶仿真任务。

3.2.2提升学生参与深度与实践能力

将虚拟仿真实验拆解为“基础操作-参数优化-故障应对-创新设计”递进式任务链，设置积分奖励与解锁机制。推行“虚拟设计-实体验证-虚拟优化”的闭环教学。学生先在虚拟系统中设计流化床制粒工艺，在实体实验室进行小规模验证，根据实际数据调整虚拟模型参数，再通过仿真预测大规模生产效果。

3.2.3构建多维立体化评估体系

过程性评价与结果性评价结合：除操作步骤评分外，通过日志分析记录学生的试错次数、参数调整逻辑、问题解决路径等，评估工程思维能力。

3.2.4多元化考核维度设计

加入团队协作任务（如分组完成某制剂的虚拟生产，分工负责工艺设计、质量控制、设备维护），通过互评量表评估沟通能力；设置“应急场景”考核，如设备突发泄漏时的处理流程，考察安全意识与临场反应。同时，将实验报告从“结果描述”转变为“方案优化报告”，要求学生分析虚拟操作中的不足并提出改进策略，强化创新能力培养。

3.3深化行业对接

3.3.1建立GMP规范实时更新通道

政企校三方标准协同机制：由行业协会牵头，联合企业、高校成立“制药教育标准委员会”，每季度梳理GMP更新要点（如2020版中数据完整性、计算机化系统验证要求），同步至虚拟仿真开发企业。收集企业实际生产中的合规案例，转化为虚拟仿真中的“合规风险场景”。

3.3.2突破校企合作壁垒与数据共享瓶颈

企业可将生产数据分为“公开级”（通用工艺参数、设备原理）、“授权级”（非核心产品配方、常规故障处理）、“保密级”（核心技术、专利工艺），通过加密协议向高校开放授权级数据。校企联合开发兼具教学与企业培训功能的仿真系统，既满足高校教学需求，又作为企业新员工培训平台，通过市场化运营分摊开发成本，实现“产教双赢”。

3.3.3明确虚拟仿真与企业实习的互补定位

构建“虚拟预训-现场深化-远程复盘”实习模式，学生实习前通过虚拟仿真掌握设备操作规范、安全规程，实习中重点观察设备维护、跨部门协作等隐性知识，实习后通过虚拟系统复盘现场问题（如设备异响对应的故障类型），形成“虚实互补”的能力培养闭环；开发“企业现场孪生”仿真模块，选取典型制药企业生产线进行数字孪生建模，学生在虚拟环境中观察真实工厂的实时运行数据（经脱敏处理），缩短学生从“学校虚拟”到“企业现实”的适应周期。

3.4强化伦理安全意识

在虚拟危险操作（如毒性药物称量）中，加入视觉闪烁、听觉警报、触觉震动等多模态反馈，模拟真实风险后果，强化安全操作的心理关联。结合真实案例（如某药企因废水排放超标受罚）设计情景考核，要求学生制定合规处理方案，避免“虚拟排放无后果”的认知偏差。建立“伦理积分”约束机制，对反复进行高风险无意义操作（如故意违反安全规程）的学生扣除伦理积分，影响实验成绩，并触发强制伦理培训模块，避免“试错自由”导致的行为失范。

3.5促进资源均衡分配

实施“东西部结对帮扶”计划，由东部高校牵头，联合技术企业向中西部院校开放虚拟仿真资源，通过“云端实验室”实现跨校实时共享。开发“轻量化区域共享平台”，针对中西部网络条件较弱地区，推出低配版虚拟仿真系统，聚焦核心教学模块（如GMP核心流程、典型设备操作），通过压缩模型精度、简化交互功能降低运行要求，确保基础教学覆盖。

4小结

虚拟仿真技术在《工业药剂学》教学中的应用困境，本质上是技术赋能教育过程中“工具理性”与“价值理性”的平衡问题。解决的对策在于以技术创新突破硬件与精度瓶颈，以教学改革重构师生角色与评估体系，以产教融合弥合行业需求与教育供给的鸿沟，以伦理建设守护教育本质，以政策保障促进资源公平。

参考文献

[1]张继芬,于洋,汪小又,等.工业药剂学多元交互式教学模式探讨[J].药学育,2024,40(06):

94-98.DOI:10.16243/j.cnki.32-1352/g4.2024.06.015.

[2]杨钥尔,卢轩,史丽颖,等.《工业药剂学》课程教学改革与探索[J].传播力研究,2019,3

(03):182.

[3]张继芬,于洋,汪小又,等.工业药剂学多元交互式教学模式探讨[J].药学教育,2024,40

(06):94-98.DOI:10.16243/j.cnki.32-1352/g4.2024.06.015.

项目信息：

（1）2024教育部产学合作协同育人项目，基于虚拟现实技术的新工科课程-《工业药剂学》课程建设。

（2）2025年教育部产学合作协同育人项目，虚实结合的《工业药剂学》课程改革研究与实践。

（3）2024年度辽宁科技学院课程思政示范课程《工业药剂学》。