一、虚拟仿真建设的必要性

制药工程专业作为一个（中）药学、化学、工程学的交叉学科，既要求学生应具备（中）药学、化学等一系列理论知识，同时更强调“工”的属性，对实践能力的要求很高，制药工程专业学生应开展的实践教学除了专业课程的相关专业基础实验以外，大型综合制药生产设备的熟练操作也是必不可少的环节。但制药行业对生产环境要求很高，同时还具有较高的生产自动化和集成化的特征，学校无法具备药企生产环境及大型生产设备以供学生实训，而厂家为减少车间污染，也只能让学生在走廊上参观见习、听讲解，实践动手能力无法得到有效提升。

在传统的天然药物化学实验、制药工艺学实验教学中，也仅仅是要求学生按照实验讲义按部就班地进行室内小实验，难以与工厂的实际生产结合起来，而且我校制药工程专业工科背景弱，大型制药化工设备较少，平时教学中学生接触也少，这些都是导致我校制药工程学生就业竞争力薄弱的原因。

本项目能够将工厂中的天然药物的生产过程以一种较为真实、直观的形象展现在学生的眼前，使学生在仿真实验中，能够切身感受、领会大型化工设备SFE萃取中药材挥发油的工艺过程和操作要点，可从整体上提高天然药物化学、制药工艺学课程的实验教学效果。

此外，在天然药物的化学实验中，天然药物的提取与分离常常需要用到乙酸乙酯、乙醚、氯仿、正丁醇等有毒有害药品，且实验时间较长、步骤繁琐，真实的实验环境对师生的身体健康也带来隐患，且对环境造成污染。虚拟仿真实验就可以避免这些问题。

超临界萃取技术是近代化工分离中的一种新型分离技术，广泛应用于医药、食品和化学工业，掌握超临界萃取装置的生产原理和操作方法是制药工程类专业学生的必修课，然而SFE对中药材挥发油的提取，超临界二氧化碳萃取仪设备昂贵，实验过程中还需耗费CO2提取剂、提取原材料、水电、消毒等运行成本，使得这种大型制药化工类实验无法在学校大规模开展。而且SFE装置在高温、高压状态下运行，设备、管道和容器都是封闭的，对于学生来说，真实装置虽然能够获得生产操作体验，却无法观察原材料和提取溶剂完整的工艺流程和物理现象。利用虚拟现实技术，仿真超临界二氧化碳萃取中药材挥发油的生产工作过程就可以解决这些问题。

通过该虚拟仿真实验，能够让学生更好地理解与记忆知识点，此外还能使实验学习的方式与时间变得更灵活，提高实验课程的效率，并提高学生在实验课上的主观能动性和探索精神，为实验教学提供良好的发展方向。对制药工程专业教学、科研和企业培训都具有重要的意义。

二、实验方案设计思路：

本项目开发的虚拟仿真软件一共设置了八个部分： 实验背景、传统提取方法演示、SFE仪器简介、实验原理、仿真实验、虚拟考核、药厂漫游、SFE联用技术演示。用虚拟仿真现实技术后，可依据实验室实际布局搭建模型按实际实验过程完成交互，完整再现以白术为原料，SFE萃取获得白术挥发油的操作过程。

1、传统提取方法演示模块

该部分用Flash动画演示方式展示了传统提取中药材中挥发油的方法，如水蒸气蒸馏法、渗漉结合旋蒸法、酶法提取，并在演示过程中跳出问题框，要求学生互动完成问题部分。

2、SFE仪器简介、仪器原理模块

用3D设计展示了超临界二氧化碳萃取白术挥发油虚拟仿真实验中所用到的HM220-50-2型仪器的外观和基础功能， 

通过“仪器简介”模块分设萃取剂供应系统、低温系统、高压系统、萃取系统、分离系统、改性（夹带剂）供应系统、循环系统和计算机控制系统等模块展示。学生可查看到SFE工艺设备的各个部分，通过三维透视图，点击任何部分可直观查看SFE仪器设备的部件组成，使学生充分直观地了解超临界二氧化碳萃取仪的组成构造。

“实验原理”模块（模拟分步展示电路图、相图和回路结构图），使学生了解超临界二氧化碳流体萃取挥发油的基本原理，与仪器简介结合起来，通过点击电路图或者回路结构图，可查看到虚拟仿真的SFE的真实部件，真正做到虚实结合、理论与实践相结合，可以使学生更好地掌握和理解工程图

3. 重点通过虚拟“仿真操作”和“注意事项”模块，虚拟仿真SFE技术萃取中药白术挥发油的操作工艺流程，模块下包含：

（1）白术预处理（称量、粉碎和过筛）

（2）实验前设备准备（电路和管路检查、CO2气瓶压力和纯度检查）

（3）萃取工艺流程（萃取温度、压强、时间和夹带剂流量等参数设置）

（4）整理实验（数据输出）

该四个子模块，每个实验操作都配有评分系统，提示实验操作的正确操作及实验过程中的注意事项，使学生掌握SFE操作工艺流程，将药材预处理、开机前准备、萃取工艺流程、参数设置、实验数据输出等重要实验操作过程实现为全体学生的“实景操作”，每个实验操作配有评分系统，提示实验操作的正确操作及实验过程中的注意事项，3D操作画面具有很强的环境真实感、操作灵活性和独立自主性。计算机后台有操作评价指标，可以提供实操分数，以供后期教师打分评价的依据。

4. 通过“虚拟考核”模块， 设置了实操操作考核分和本实验项目需要掌握的知识点题库，通过虚拟考核，将天然药物化学和制药工艺学中的分离纯化部分的理论知识点与SFE实操相结合对学生进行考核，使学生理论结合实践，充分掌握SFE技术的特点和比较传统萃取技术和SFE技术的优劣。

三、教学方法创新：

本项目是制药工程专业学生大型制药化工设备实训的有益补充。学生可利用虚拟仿真实训环节在计算机上完成制药车间各岗位的具体操作，甚至可以实现关键设备内部结构的可视化及对关键设备的拆卸、安装等系列操作，可以熟悉整个生产流程和关键设备。同时网上操作可以避免学生前期知识掌握不牢固可能造成的设备损坏，是对大型制药化工设备的实训的有益补充。

弥补高校实验室因大型精密仪器套数少而无法满足学生的实践训练短板。

本实验项目操作端包括单机PC端、手机APP端和网页端。学生可以选取最适合自己的方式进行学习。尤其后期手机APP端的应用，让学生不仅可以自主安排课前预习，掌握SFE生产中的操作技能，融合相关的操作规程和设备工作原理，生动形象地展现生产过程中的工作状态，还可以随时随地的复习巩固相关知识。可以让每位同学都能得到切身体验和操作训练，结束以往大型精密仪器的“观摩课”的历史，让学生有机会近距离接触大型精密仪器，可极大地提高学生的动手能力和实验兴趣。

本项目制作上高度仿真，趣味性强，激发学生参与欲。该项目与行业领先的专业公司合作，在实验场景、器材设备和人物上高度仿真，实验全程动画逼真，体验感和交互性极强，使用软件时能够产生较强的沉浸感和空间感，可以有效激发学生的参与愿望，在教学应用中实现了教学演示、自主学习、岗位操作、岗位考核等功能，较好的解决了SFE装置在实践教学中的难题。

四、评价体系创新：

开放式学习，虚实结合。本虚拟仿真实验项目具有“虚拟考核”模式，设置了本实验项目需要掌握的知识点题库，通过网上虚拟操作考核和线上知识点题库考核结合，将天然药物化学中的分离纯化部分的理论知识点与SFE实操相结合对学生进行考核，使学生理论结合实践，充分掌握SFE技术的特点和比较传统萃取技术和SFE技术的优劣。

考核上严格要求。考核分为客户端版后台评分（40%）与教师评价（60%）两块组成。采用多维度符合评价方式，虚拟仿真实验系统中，包含了理论知识考题和实验仿真操作的综合考评系统，基础实验步骤和知识点考核由电脑完成自动打分，占比40％，剩余60%由教师根据学生学习态度（20%）、实验报告（40%）完成打分。形成全面的考核评价体系。学生完成实验操作后，可将实验中的视音频等原始资料导出，撰写实验报告上传至老师处进行评判。

五、对传统教学的延伸与拓展:

目前中药挥发油提取的传统方式有“渗漉法”、“水蒸汽蒸馏法”和“酶法”提取，但都存在提取效率低、无法精确分离不同极性、不同沸点、不同分子量大小的挥发性成分的问题，通

过SFE仿真模拟苍术挥发油提取，可让学生直观感触传统工艺与现代化工艺的优劣对比。学生的实际操作能力还是需要在真实的实验中进行锻炼，只有亲身参与到实验的过程中，才能够发现实验中可能存在的问题，通过自己对实验的思考，对实验步骤与过程进行统筹规划。因此，虚拟的仿真实验能够弥补传统的天然药物化学实验课堂出现的不足，但又不是完全替代传统的实验教学，而应该是对传统教学的延伸和拓展。所以拟采用线上虚拟仿真教学和现场集中式演示教学相结合的方式，让学生能够更扎实地掌握SFE萃取分离技术。