基于产教深度融合的智能装备工程虚拟仿真实践与探索
——以数字赋能中药制药智能装备工程能力培养高层次人才为例

粟华生，张学常，黄卫萍

（1.广西农业职业技术大学，广西 南宁 530007；2.北京欧贝尔软件技术开发有限公司，北京 100000）

0 引言

随着信息数字技术、人工智能、大数据等领域的飞速发展，传统制造业正经历着前所未有的变革，我国已致力于从“制造”向“智造”转型，以提升产业竞争力和技术创新能力[1-3]。同时，工厂智能化是实现产业升级的重要路径之一，通过引入智能装备、自动化生产线和数字化智能操控技术，企业生产过程逐步实现机械化、智能化，生产效率的大幅提升，产品质量的稳定提升，对复合型、职业型人才的需求逐渐增加。随着我国工厂智能化的推进，职业智能型人才培养显得尤为迫切，传统的实践操作技能教学模式已不能适应产业智能化、数字化的发展需求。而智能化是工程能力主要体现形式，它能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题[4]。可以通过校企共建工程中心加强信息化建设实践，实现校企双方的多元化信息对接，对培养学生实践能力、工程素养、专业知识体系具有至关重要的作用[5]。

2022 年3 月，国务院办公厅印发《“十四五”中医药发展规划》，其中将高素质中医药人才队伍建设作为一项重点任务[6]。制药工程作为一个工科类专业，实践教学是制药工程专业建设的重中之重[7]，它的生产场景、智能设备、工艺流程相对较为复杂，存在设备多、场地大、工艺复杂、用时久等问题，职业本科院校很难在校内进行智能化“人机料法环”融合的生产实践，因此，如何利用实践环节培养符合行业需求的高素质智能型人才，是当前职业本科教育工作面临一大挑战[8]。本研究通过中药制药智能装备虚拟仿真实验实训建设、数字智能工程化实践，进一步推动虚拟仿真技术与实验实践教学的虚实结合、产教融合、校企联合的“三合”模式的构建[8]。在基于校企合作的虚拟仿真教学实践评估过程中，以企业岗位需求为中心，以学生的实践为评估主体，充分结合智能制造虚拟仿真实训基础，学生对“人机料法环”各生产元素掌握评估，构建“五元素知识”的综合评估机制。

以培养高层次工程化人才为基础目标，以校企共建工程中心为桥梁，软件以同比例还原真实工业生产场景，具有可视化操作界面，仿真模拟现代化中药提取工艺。2D 智能控制与3D 仿真控制相结合、多层次立体化生产操作、工艺参数自主设置动态变化真实展现生产过程，为生产实践提供条件。利用虚拟仿真技术对产品制造的虚拟环境进行构建，通过设计一系列制造加工参数，利用NC 代码翻译器驱动仿过程，最终实现了将虚拟仿真技术应用于智能自动化制造领域中[9]。本研究总结了中药制药智能装备虚拟仿真实训的建设、应用和管理实践经验，系统阐述职业本科院校如何利用虚拟仿真实验教学资源，融汇企业“人机料法环”多元素知识能力，提升职业本科高层次人才的工程能力，为职业本科专业的智能化装备的教学改革提供参考和借鉴。

1 职业本科中药制药专业智能装备虚拟仿真教学模式

1.1 智能装备虚拟仿真教学模式的内涵

智能装备虚拟仿真教学模式是指利用计算机技术、虚拟现实技术、人工智能等手段，通过建立虚拟的智能装备操作、生产与工艺、数字化等情景环境，融汇了生产企业的人、机、料、法、环等元素知识，使学生能够在虚拟环境中进行操作、实验、训练，以获得真实工程化的实际操作体验和技能提升。智能装备虚拟仿真教学模式在教育中具有广泛的应用，包括智能制造业实训、职业本科教育实训、数字化教学训练等领域。它可以有效提高学生的复杂操作技能，增强学习兴趣，培养解决复杂问题的能力，促进工程化实践与理论相结合的教学模式。

“智能装备虚拟仿真教学模式”在提高学生工程化和数字智能化的实践能力方面发挥着积极的作用，它能够提高学生的解决复杂设备操作和复杂工艺问题，在虚拟仿真环境中，学生可以主动选择学习内容和学习方式，通过智能装备、工程化虚拟场景的自主探索和实践，加深对生产企业“人机料法环”知识的理解和记忆。与传统的教学模式相比，学生更容易产生学习的兴趣和动力，提高工程化能力和解决复杂问题能力。在虚拟仿真环境中，学生可以面临各种复杂工程化的情境和问题，并进行相应的决策和解决方案，学生需要综合运用所学知识和技能，分析问题、制定解决方案，并进行实际操作，这样的训练能够培养学生的综合能力和创新思维，提高问题解决能力。

总体而言，智能装备虚拟仿真教学模式有效地促进了学生智能化和工程化实践能力的提高。通过将虚拟教育资源与实际工程化的场景相结合满足产业升级对中药制药智能装备应用的高层次人才的需求，学生能够在不同维度和层面上进行全面发展，更好地适应未来职业对高层次人才的需求和社会挑战。

1.2 中药制药类专业的实训教学特点

职业本科中药制药类专业的实训教学特点主要表现在其工程化特性和培养目标上，工程化的理论和实践两方面对于中药制药类专业都至关重要。由于中药制药岗位、场景、设施设备、工艺流程等复杂性，传统独立学科知识较难完成学生培养模式，工程化的多学科交叉理论知识不融通，同时也需要他们具备数字化、智能化的能力，以解决复杂设备智能操作及复杂工艺问题。因此，“智能装备虚拟仿真”教学在中药制药类专业实训教学中具有很高的可行性，它能融合各种先进的新技术、新方法、新设备，实现以数字赋能中药制药智能装备工程能力培养高层次人才培养。

中药制药工程化的理论与实践相结合是职业本科专业教育的核心原则之一，“人机料法环”多元化的理论知识是学生掌握工程化基础的关键，药物生产以及质量检验分析需要大量的真实数据来帮助学生理解生产工艺、分析方法，仅有理论知识是不够的，还需将多元化的理论知识应用于工程化的生产实际中。同时，中药制药工程化是一条完整复杂的生产线，需要智能化生产设备、专业化生产车间、标准化生产流程、规范化管理制度，学校真实教学资源无法满足工程化的实训需求。因此，虚拟教学资源可以克服以上问题，实现中药制药工程化虚拟仿真，减少虚拟实验和模拟实训实践成本，解决教学设备不足以及场地受限问题，也在一定程度上降低实践活动的风险，保障学生的安全。

我们开发具有自主知识产权的虚拟实验软件可以利用数字孪生技术模拟实际真实生产数据，让学生在虚拟环境中接触到真实数据。这种“虚实结合”的教学方式能培养学生的数据分析能力与处理能力，从而提高实训效率和学习体验。智能装备虚拟仿真教学可以系统性保存操作数据，更方便地进行教学效果评估。通过在线平台和虚拟实验，教师可以收集学生的学习数据和反馈，及时发现学生的学习问题，并采取针对性的教学措施。同时，通过将课堂理论与实验室实践相结合，学生可以更深入地理解药物的性质、作用机制以及生产流程，培养出能够在实际工作中独立思考和解决问题的能力。

综上所述，智能装备虚拟仿真教学在中药制药类专业中具有可行性，通过合理融合虚拟教学资源和实训实践环节，可以更好地培养学生的工程化综合素质，提高他们的学习和实践能力，使其更好地适应中药制药智慧化工厂的发展需求。但在实施过程中，需要教师合理设计虚拟教学内容，确保智能装备虚拟仿真教学方案能够达到预期效果。同时，教育机构也可以投入足够的资源和技术支持，实现智能装备虚拟仿真教学网络版，可将中药制药智能装备虚拟仿真教学资源社会共享。

2 智能装备虚拟仿真教学的实践与方法

2.1 虚拟仿真教学在中药制药类专业中的应用

随着虚拟仿真教学技术的不断成熟与发展，在高校中药制药及其相关专业中的应用逐渐得到广泛传播，这种更加灵活生动的教学方式提高学生学习兴趣，使学生身临其境，体验中药制药工程化工作场景，智能设备数字化操作流程。同时弥补了传统教学模式实践教学空泛，停留在中小试试验室场景。其优势主要从表现为“人机料法环”多元素融汇工程化模式。见图1。

图1 虚拟仿真融入“人机料法环”工程化元素结构图

（1）虚拟仿真技术同比例搭建现代化智慧工厂，将CAD 图纸、2D 平面绘制与虚拟仿真3D 模型相结合，适配制药工程化教学内容，学生可以自主熟悉及设计现代化工厂，快速认知工厂结构，掌握制药工程环境。见图2。

图2 同比例打造现代化中药提取车间场景图

（2）虚拟仿真技术利用3D 仿真建模对智能生产设备进行还原，打造设备拆分单元，结合特效、flash动画对设备工作原理进行展示，辅助学生认知制药智能设备，掌握智能设备工作原理。见图3。

图3 中药提取车间智能设备数字化操控场景图

（3）虚拟仿真技术绑定智能后台模块进行数据处理，真实还原生产数据，结合现代化3D 智慧工厂场景实现3D 与2D 数据同步，远程操控生产设备，对物料、数据管理也实现虚拟仿真模式。工艺参数自主输入，生产数据可视化，培养学生对物料与数据管理意识。见图4。

图4 中药提取车间智能设备数字化操控界面图

（4）虚拟仿真软件内置完备的工厂工程化SOP，融入中药制药行业GMP 相关法律法规，专业生产流程保证了虚拟实践的标准性、合规性、准确性。生产记录单功能可以随时打开进行记录，方便进行复盘，把握中药提取生产的关键环节及关键参数，并且可以保存成图片导出。见图5。

图5 中药提取车间参数记录操控界面图

（5）虚拟仿真教学的平台网站集仿真软件下载操作，仿真课程创建管理，仿真试卷的考核与搜集，将虚拟仿真软件与现有教学资源进行绑定，学生融入岗位操作者角色、管理者角色，实现产教融合的教育模式。考核可分为练习、考核两种评分模式丰富了学习者的体验与考核方式。见图6。

图6 中药提取车间实训教学评估考核操控界面图

2.2 虚拟仿真教学对高校学生学习的影响

中药制药智能装备虚拟实验对高校学生学习的促进作用是显著的。它在职业本科教育中发挥着重要的角色，虚拟实验不仅有助于学生学习理论知识，还能培养学生的工程化实践能力和解决问题的能力，使他们更好地适应现代化智能工厂的工程化发展。以下是智能装备虚拟实验对高校学生学习的几个促进作用：

（1）培养学生主人翁意识，促进主动参与：虚拟仿真教学能够激发学生的好奇心和积极性，使其更加主动地参与学习过程。学生可以在虚拟环境中自主探索，自我设计生产参数，管理生产过程，从而培养出更强的学习动力和自我管理能力。

（2）丰富新颖的交互体验提升学习兴趣：虚拟场景的真实模拟可以增加学习的趣味性和吸引力，从而提高学生的学习兴趣。学生在愉悦的学习环境中更容易保持专注，更愿意深入学习。

（3）增强学生工程化实践能力：虚拟仿真教学为学生提供了一个工程化的实践平台，使其能够在虚拟环境中进行工程化生产和智能设备操作。这有助于培养学生的实际工程化应用能力，提高他们现场工程解决问题的能力。

（4）拓展学习企业资源：校企深度产教融合，通过校企共建共享工程中心的桥梁，虚拟仿真教学丰富了教学资源，使学生能够接触到传统教学无法提供的企业资源和情境。这有助于拓展学生的知识视野，提升综合素质。

（5）提高学习效率：无论是现实工厂生产实践还是智能设备实训学习，都耗时较久，学习周期较长。并且受场地、设备限制需要在实训基地和仪器设备进行学习。虚拟仿真教学模式方便进行练习，不再受场地、设备等资源限制。缩减了学生的学习周期，提高了学习效率。

（6）减少安全风险发生概率。无论是工厂实训还是仪器设备操作实训都存在一定的安全风险，虚拟仿真操作完全避免了这些风险的发生，同时还可以在软件中进行安全操作培训，增加学生的生产安全意识。

2.3 高校中药制剂专业“智能装备虚拟仿真”教学模式的实践方法

（1）虚拟实验与模拟操作

利用虚拟实验软件和模拟操作平台，让学生在计算机上进行制药设备操作和流程操作（SOP），模拟真实工程化环境中的情况。通过虚拟实训，学生可以在安全的环境下进行多次练习和探索，提高智能设备与工艺流程的SOP 技能。

（2）虚拟实践基地合作

智能装备虚拟仿真校企深度产教融合，主要包括产业新设备、新技术、新方法、新需求、新标准的虚实深度融合；校企共建共享工程中心的工程化深度融合，包括工程设备、工程设施、工程队伍等深度融合。与制药企业共建工程中心（实践基地）提升工程转化能力。学生可以在工程实践基地进行实习和实践活动，接触真实的工作场景，应用所学知识解决实际问题。

（3）中药制药智能装备进阶式教学

根据中药制药智能装备岗位需求，设计多个教学设备和流程岗位模块，涵盖中药制药多种设备SOP、工艺流程SOP、岗位SOP 完整生产线虚拟仿真，从实验室药物制备到规模化工厂车间药物生产过渡，学生能够认识到工厂生产与实验室的区别，更好地进行认知衔接和认知过渡，同时完成中药制药智慧工厂质量体系与工程化体系的学习，具有进阶式教学模式。

（4）中药制药智能装备教学资源一体化

将智能装备虚拟实验软件、练习题库、课程教材、培训视频等教学资源通过仿真平台整合为完整的虚拟仿真课程，将虚拟仿真课程与学校实训实验室、企业生产实践基地组成完整的“虚实结合”教学体系，确保教学资源的有效利用和高效运作。

（5）校企“双师”教师引导与讨论

校企“双师”教师在教学过程中与学生一起进行仿真实验操作，对智能装备、工艺流程、岗位规程等操作软件同时进行讲解，发挥工程化的指导和引导作用，组织学生进行讨论、分享实践经验，激发学生的学习兴趣和思考能力。

（6）智能装备参数自主设计式学习

利用开放式自主设计模块，学生可以自主搭建智慧工厂，组装智能设备，设计工艺流程、工艺参数。鼓励学生在学习中进行自主实践，可以组织学生自主进行智能装备参数设计等，培养学生的解决复杂问题和独立思考能力。

（7）反馈与改进

通过网络版及时收集学生对虚实结合教学模式的反馈意见，依托校企共建工程中心桥梁，获取企业新技术、新设备、新方法，了解产业智能化、数字化发展趋势，不断改进教学模式和教学内容，适应行业发展需求。

总之，通过以上中药制药智能装备虚拟仿真的实践方法，可使中药制药类专业更好地实现智能装备虚拟仿真教学模式，培养出具有工程化的实践能力和解决复杂设备操作能力的中药制药职业本科高层次人才。

2.4 “智能装备虚拟仿真”教学的评估与质量保障

智能装备虚拟仿真教学评估是为了确保教学质量和实现教学目标，同时不仅要评估学生的学习成果，还要评估教学过程和教学资源的有效利用。以下是一些常见的高校智能装备虚拟仿真教学评估的方法和指标体系。

（1）学生学习成果评估

对于智能装备虚拟仿真教学的评估，首要任务是评估学生的学习成果。这可以通过课程作业、操作规范、实验报告以及现场考核等方式进行。通过定量和定性的评价，可以测量学生的知识水平、技能掌握程度以及问题解决能力。评价表和问卷调查是通过学生的自我评价和对教学质量的评价，了解学生对教学效果的认知和满意度。

（2）教学过程评估

教学过程评估关注虚拟仿真软件操作规范及过程问题解决能力，能否熟悉生产企业“人机料法环”多元素知识融会贯通，解决工程化的现场复杂工艺、设备等工程问题，软件设计是否能够有效地传达多学科知识和技能。通过观察软件设计现场考核、生产记录和操作流程规范，可以评估虚拟仿真教学的虚实性、启发性和有效性，从而及时调整教学策略以适应学生的需求。

（3）教学资源利用评估

虚拟实验软件使用情况是评估虚拟实验软件的使用频率和效果，确保教学软件能够有效辅助实验教学；也可通过虚拟仿真在线教学资源库平台使用情况，评估在线教学平台的使用情况和学生对平台的满意度，确保平台能够满足教学需求。因此，可以通过自治区级在线教学资源库数据评价本智能装备虚拟仿真实训教学资源利用情况，评估社会、学校、行业对其使用频率和利用率，确保智能装备软件得到合理利用，避免资源浪费。

（4）教学反馈和改进

收集学生和教师、企业的反馈是不可或缺的环节。定期进行教学满意度调查、企业推广调查、小组讨论和个别交流，帮助发现教学中存在的问题和不足之处。根据反馈结果，及时调整教学内容和方法，持续改进教学质量。

（5）就业率和职业发展

虚拟仿真教育的最终目标是培养具备工程化能力的高层次毕业生，能解决企业复杂智能设备操作、复杂工艺问题。评估学生的就业率和职业发展情况，可以反映出教学的实际效果。通过校企共建工程中心了解企业对毕业生的评价，有助于调整课程设置，使之更符合市场需求。

综合运用这些评估方法和指标体系，可以全面了解高校能装备虚拟仿真教学的质量和效果。评估结果将有助于优化教学设计和改进教学过程，确保虚拟仿真教学达到预期的教学目标，培养出适应社会发展需要的高素质职业本科工程化人才。

3 智能装备虚拟教学的未来发展

未来职业本科智能装备虚拟教学将面临更多的发展机遇和挑战，随着虚拟技术和数字化教育的不断发展，工程化的智能装备虚拟教学将更受职业本科欢迎，它可以培养解决复杂设备操作、复杂工艺问题的工程化高层次人才。通过虚拟实训、模拟操作和虚拟实践，可以扩展学生的多学科知识的学习体验，提高学习效率和解决问题能力。将会有更多职业本科院校投入虚拟仿真软件资源，推动数字化和智能装备虚拟教学技术的创新和应用。

校企共建共享虚实工程中心将是未来产教深度融合的发展趋势，它能深度融合新设备、新技术、新方法，它能深度融合企业“人机料法环”元素。提升学生工程化交叉学科知识和实践能力，培养具备复杂智能设备操作、解决复杂工艺问题的现场工程师，也是职业本科院校培养高层次人才目标。随着智能化和数字化技术的发展，未来智能设备和数字化操控技术将越来越普及，学校可以通过虚拟仿真实训实现教学数字化、智能化，深化教学模式的虚实结合度，提升教学实训的质量。

在线教学资源库平台在智能装备虚拟教学中将起着重要作用，未来应持续优化和升级教学资源平台功能，提供更多的实践性虚拟仿真教学资源和互动工具。同时，要保障网络设施的稳定性和软件不断优化改进，确保学校学生、企业员工、产业技术人员顺利进行在线学习和实验操作。通过产校企共建共享虚拟仿真平台，真正实现数字化教学与培训模式，而教师是智能装备虚拟教学的重要推动者，他们需要具备虚拟技术和实践经验，能够将虚实教学有效融合，提高教师的智能装备虚拟和数字化教学与培训能力。

4 结语

基于校企深度融合智能装备虚拟仿真校内共建共享工程化实训平台，探索适合中药产业智能装备工程化的虚实结合数字化教学模式。虚拟仿真平台融汇生产企业“人机料法环”多元素知识，提升了学生实践技能、工程化技能以及就业竞争力，对职业本科培养现场工程师蕴含着深远的意义。智能装备虚拟仿真教学不仅让学生在学习理论的同时能够亲身实践，还突破了工程化复杂的设备、工艺、管理等多学科知识融合教学瓶颈，这有助于加深学习的深度与广度，使他们更好地领会与掌握产业前沿技术。

通过3D 仿真技术实现虚拟教学仿真，采用C#语言并通过Visual Studio 工具进行程序开发，3D 引擎在Windows 平台下通过DirectX 技术实现3D 渲染；通过计算机图形学（实时阴影、光照贴图、凹凸贴图等）和计算几何学（碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等）等实现现象仿真。模拟中药制药工程化场景，并高度还原真实工业生产场景；具有可视化操作界面，接触先进的仪器设备及工艺流程。并依托DPSP（动态过程仿真平台），DCS 智能控制与3D 仿真控制相结合、多层次立体化生产操作、参数自主设置动态变化真实展现生产过程，为学生了解真实工业生产走向工作岗位打下基础。并严格按照制药工程设计流程设计，重点展现中药制药的工艺过程、岗位规程、设备操作标准。

总之，智能装备虚拟仿真教学与制药行业的发展需求相契合，能够使教育内容更紧密地贴近行业实际，从而培养出更适应行业要求的高层次人才。虚拟仿真实训教学课程是以数字赋能中药制药智能装备工程能力培养高层次人才的职业本科教育新模式，在提升学生工程能力方面发挥重要的作用，校企共建共享工程化的虚实仿真实训平台的建设与实践经验，可为我国职业本科专业课程建设和虚拟仿真实训教学建设提供借鉴和参考。