“AI+VR”助力药剂学课程从“学知识”向“强能力”建设的思考

Views on “AI+VR”’s assistance to transforming pharmaceutics course from “acquiring knowledge” to “strengthening abilities”

摘要

目的 探讨利用人工智能（artificial intelligence，AI）技术和虚拟仿真（virtual reality，VR）技术建设数智化药剂学课程群，提高药学新质人才培养质量的方法。 方法 在知识图谱的基础上，将AI和VR技术融合，构建药剂学数智化课程群，实现个性化按需学习和多模态教学。 结果 数智化药剂学课程群不仅可为学生提供移动学习、碎片化学习，为教师教学提供平台，还可将药剂学相关知识围绕药品全产业链深度融合，培养学生的药学整体观。数智化药剂学课程群可形成教师-数智化平台-学生以及问题-知识-能力三维多模态个性化教学和按需学习路径，引导学生将知识与能力有效衔接，并实时反馈教学效果，提高学生解决药学复杂问题的能力，形成创新思维能力。 结论 基于AI与VR技术融合构建的数智化药剂学课程群能够助力学生在药剂学课程中从“学知识”向“提能力”转变，实现药学新质人才个性化培养。

Abstract

Objective To explore the method to enhance educational quality of new quality pharmacy talents by constructing a digital and intelligent curriculum cluster for pharmaceutics with the aid of artificial intelligence （AI） and virtual reality （VR） technology. Methods Based on the knowledge graph， AI and VR technologies are integrated to build a digital and intelligent curriculum cluster for pharmaceutics to achieve the effect of individualized on-demand learning and multi-modal teaching. Results The curriculum cluster of the digital and intelligent pharmaceutics not only provides the students with access to m-learning （mobile learning） and fragmented learning， but also deeply integrates pharmaceutics-related knowledge around the entire pharmaceutical industry chain to cultivate students’ holistic view of pharmacy. The digital and intelligent pharmaceutics curriculum cluster can form a dual three-dimensional multi-modal pathway for individualized teaching and on-demand learning between teachers， digital and intelligent platforms， and students， and also between problems， knowledge， and abilities. It directs students to effectively link knowledge to ability whereas providing real-time feedback on teaching effectiveness. All the aforementioned strategies ultimately improve students’ ability to solve complex problems in pharmacy and develop their innovative thinking abilities. Conclusion The AI and VR-integrated digital and intelligent pharmaceutics curriculum cluster can help pharmaceutics courses transition from “acquiring knowledge” to “strengthening abilities” and realize individuation cultivation of new quality pharmacy talents.

Graphical abstract

关键词

药剂学 / 数智化课程 / 新质人才 / 人工智能 / 虚拟仿真

Key words

pharmaceutics / digital and intelligent curriculum / new quality pharmacy talents / artificial intelligence / virtual reality

《“健康中国2030”规划纲要》要求加强创新药物开发，在2030年我国的药品质量标准将与国际全面接轨，进入世界制药强国行列。目前我国的药物研发发展正处于由“仿制药研究”向“创新药研究”转型的关键时期，急需具有国际视野，且能掌握药品研发、生产、临床应用、管理等药品全链条知识和技能的创新复合实践型药学新质人才，以推动新质生产力的发展^［1］。新质人才是指能够将科技革新转化为现实生产力，并对这一过程起到推动和领导作用的创新者、实践者与引领者，体现为能够为各个专业领域服务的复合型人才，是能够对新质生产力发展具有推动作用，具有社会责任感和新知识、新技能、新思维，能够适应和推动新产业、新技术、新业态发展的综合人才^［2-3］。

药剂学是研究如何将原料药物批量生产成安全、有效、质量可控、性质稳定、临床使用方便药物制剂的学科。药剂学研究是新药研发链中的重要环节，也是新药研发的重要途径，是药学专业的核心主干课程，在药学新质人才培养中发挥着举足轻重的作用。基于药学新质人才培养要求，药剂学教学不仅要注重新质药学人才的药学实践技能培养，也要重视药学新质人才的自学能力、独立分析和解决问题能力、创新能力及具备国际视野等软技能的培养^［4-6］。随着数字化和智能化时代的到来，虚拟仿真（virtual reality，VR）技术和人工智能（artificial intelligence，AI）技术日益成熟，可运用于药学新质人才独立分析和解决问题能力、实践能力和创新思维能力的塑造，突破当前药剂学教学的瓶颈。

1 药剂学教学目前存在的问题

1.1 专业知识融合贯通不够

药剂学课程包括工业药剂学、物理药剂学、生物药剂学、药物动力学、药剂学实验、药物动力学实验等分支课程，综合性强，知识点多，交叉学科范围广，既有基本理论、制剂处方和剂型设计，还有制备工艺、制备技术、质量评价和临床应用，具有理、工、医融合的显著特点。目前的药剂学教学，由不同的教研室或不同的老师讲授，知识传授是按各课程章节方式组织，所有的知识点都从属于某一课程的某一章节，知识点之间的融合贯通不足。另外，随着互联网、智能手机和相关应用软件的普及，互联网MOOC、微课和微视频日益丰富。移动学习模式的便捷化使得学习可以随时随地发生，但随之带来的是知识的碎片化、学习失控以及出现学习方向迷失等现象^［7-8］。而实际上，有些药剂学知识点不仅与本章节的知识点之间存在联系，也可能与其他章节或其他相关课程的知识点存在密切联系。而传统的教学组织方式，以及目前流行的碎片化自学方式，导致知识的融合贯通不足，无法将知识点之间错综复杂的联系呈现出来，隐匿了课程内部以及不同课程知识点之间的有机联系，导致学生对药剂学内容的理解较肤浅，降低了学生学习的深度，既不利于学生分析和解决药学复杂问题能力的培养，也不利于学生构建完整的药学专业知识体系，学生高阶思维、整体药学观和创新能力的培养受到一定挑战^［8-10］。

1.2 实践创新能力培养不足

传统药剂学教学模式以理论讲授为主，以学科知识技能传递为目标，培养的是学生的“照搬能力”，从而导致学生的实践创新能力不足^［11-12］。药剂学是一门实践性非常强的学科，虽然目前的药剂学与药物动力学实验课程采用了自主设计、翻转课堂等教学方法，在一定程度上促进了学生实践创新能力的培养。但受时间和空间的限制，一些制剂新技术和新剂型、药物制剂稳定性、仿制制剂质量等效性评价等实验内容无法开展，无法提供足够的实践机会和创新空间，不利于学生实践能力和创造思维的培养^［13］。在全球新药研发竞争日益激烈的当下，我国药物研发发展正处于由“仿制药研究”向“创新药研究”转型的关键时期，仅仅掌握知识是远远不够的，创新药的研究更加需要的是具备国际视野和创新精神，具备自学能力、实践能力、分析问题和解决问题能力的新质药学人才。因此，从“学知识”向“强能力”转变已成为新质药学人才培养的必然趋势^［1］。

1.3 教学模式单一

当前药剂学课堂已从以板书为主转变为以幻灯等多媒体为主的教学方式，但仍主要通过课堂灌输的方式进行无差别的知识传递。单一的教学模式往往忽视了学生的个性化学习需求和认知发展水平，不利于学生的个性化培养、个性化发展以及自学能力的提升^［14-15］。同时，随着“互联网+”时代的到来，知识传递的方式日益多样化和生动化，互联网上各种药学相关短视频和知识点讲解越来越丰富，移动学习、碎片化学习已成为常态，导致学生对信息刺激的“兴奋域”不断扩展，学生对教学手段的新颖性有了更高要求，学生自主按需学习的愿望也越来越强，导致课堂上常出现“瞌睡族” “低头族”，学生的学习积极性不高^［16］。

1.4 教学内容相对滞后

随着科学技术的进步，药用辅料、药品剂型、药品生产工艺、制剂技术日新月异，我国由制药大国向制药强国迈进的步伐日益加快。由于药剂学教材和《中华人民共和国药典》大约5年更新1次，教材中的知识内容往往滞后于社会的发展和科技的进步^［17］。这导致教材内容与药品实际生产技术以及临床应用脱节，不利于学生未来胜任岗位需求。

2 VR技术助力药剂学实训课程建设

为了提高学生的学习兴趣，提高其自学能力和实践能力，启迪创新思想，养成药学整体思维观，课题组建成了“药剂学虚拟仿真实训体系”，并投入应用，具体内容见图1。

药剂学虚拟仿真实训体系具有以下优点。

（1）基于数字化“虚拟仿真”+“虚拟现实”技术构建的虚拟教学平台结合了实际制药车间设备的使用和制剂工艺，让学生沉浸在真实的药品生产环境中进行模拟操作，解决了药品生产质量管理规范（good manufacturing practices，GMP）车间进不去，关键设备、工艺看不见，药品的质量检查如制剂稳定性实验、制剂等效性评价等耗时长，无法在实验教学中开展等教学痛点。（2）药剂学虚拟仿真实训体系解决了实验教学过程中高投入、高损耗、高风险、难观摩、难再现等教学难点。（3）VR沉浸式教学以其独特的沉浸感为核心特征，利用虚拟现实技术创建三维学习环境，使学生能够身临其境地参与制剂生产过程，极大地提高了学生的学习投入度和兴趣，这样的学习体验让学生能够亲手实践复杂的制剂生产流程，使理论与实践相结合，促进了学生对知识的深度理解和应用，增强了学生的动手能力。（4）药剂学虚拟仿真实训体系拓展了学习的时间和空间。“虚拟仿真”+“虚拟现实”技术使理论教学和实验教学不再局限于课堂和某段时间，学生可以根据自己的时间随时随地地反复学习和实验。

虚拟仿真实训体系也有以下缺点。

（1）实验操作过于“机械”：无法任意匹配任意实验场景展开实验教学。（2）知识过于“固定”：仅限于内容呈现所展示的知识，无法进行关联知识点的智能化检索。（3）对老师的“依赖”：学习过程和结果是以固定方式呈现，还需要教师进行相关知识的归纳和结果指正。

因此，虚拟仿真实训体系还需要解决以下问题。

（1）如何实现“任意场景的”实验教学？（2）如何实现“相关联知识”的构建？（3）如何实现学生的自主学习与自我检验，减少对老师的依赖性？

3 AI+VR助力药剂学课程提质增效

AI技术通过大数据分析和机器学习算法，能够实时分析学生的学习能力、学习习惯和兴趣取向，可主动为学生提供个性化的学习资源和学习路径^［18］。在VR沉浸式教学中，AI技术可以实现对学生动作的实时动态响应，提供智能化的辅导和建议，并对学习成果进行智能化评估。将VR技术与AI技术进行融合构建药剂学数智化课程群，创建一个智能、高效、个性化的药剂学课程平台，不仅能够进一步丰富教学资源和教学手段，丰富学生的学习体验和提升学习效果，还能协助老师实时更新教学设计，形成新的教学模式，并促进教学理念的更新，提高教学质量^［19-20］。

3.1 构建数智化药剂学课程群

数智化药剂学课程群融合工业药剂学、物理药剂学、生物药剂学、药物动力学等理论课，以及药剂学实验、生物药剂学实验、药品生产虚拟仿真实训、药品质量评价虚拟仿真实训等实验课的知识点，以解决药品产业链中的实际问题为导向，基于课程群知识点之间的认知逻辑关系，构建问题图谱、知识图谱、能力图谱。知识图谱将碎片化的知识点关联起来变为“可见”的药剂学课程体系结构，形成系统的多维知识网络和直观的按需学习路径。数智化药剂学课程群不仅可将所有药剂学相关知识围绕药品全产业链深度融合，还可为学生移动学习、碎片化学习提供平台，解决碎片化学习导致的学习深度和知识融合贯通不足等问题，学生可按图索骥，循序渐进，实现自主按需学习。另外，通过问题图谱，可以将知识与能力有效衔接在一起，形成问题-知识-能力三维多模态教学路径，帮助学生将抽象的、分散的、碎片化的知识点变成直观、系统的对药剂学的认识和深入理解，最终形成药学整体观，提高学生的自学能力和解决药学复杂问题的能力。

教师可利用数智化药剂学课程群平台开展教学设计、备课、题库建设等实践，提高课程建设效率和质量^［21］。老师结合AI智能化分析，可随时掌握每名学生的学习情况。同时还可根据观测到的数据，对学生的学习情况进行预警分析，从而针对性地调整教学内容，使常态化教学设计有据可循，充分实现因材施教^［22］。

在AI技术的支持下，根据不同学生的知识掌握情况，智能生成针对性的习题，随时检测学生对当前所学知识的掌握情况，即时反馈学习效果。学生在学习过程中也可根据各课程的学习目标，精准把控课程的重点与难点。同时，学生还可以根据自己对各知识点的掌握情况，针对性地进行复习，有的放矢，促进个性化自主按需学习，并可应对自学中可能出现的对多学科交叉知识碎片化、知识迷航等挑战。这样可使教育教学活动从“老师-学生”二维向“老师-数智化平台-学生”三维转变，使大规模个性化培养和学习成为可能^［23］。

最后，随着医药领域研究的不断深入，新的医药理论知识和问题发现层出不穷，知识更新速度加快，药学教学内容需要进行不断更新以适应这种变化。数智化药剂学课程群可以通过实时文献采集分析，帮助老师跟踪最新的医药研究成果和理论知识，使教学内容不断迭代更新^［24］。

3.2 利用现有基础实现“数字化”虚拟仿真向“数智化”虚拟仿真的进阶

将AI技术融入现有的虚拟仿真教学体系中，让“虚拟仿真”拥有智能识别与智能答疑的能力，可分4个阶段实施。

阶段一：重塑知识体系，构建智能导航。技术实施：调用CHATGPT3.0接口，类似百度“文心一言”的功能。应用场景预设：①以智能问答形式，构建“虚拟人物”，学生在仿真实验操作前，可进行任意形式的知识检索或智能问答，实现实时随堂教学；②在操作场景中，可衔接任意操作过程中的注意事项与理论知识，给出知识导航，并串联相关知识点，配套语音解说功能，让学生真正实现学以致用；③问题答疑，可根据事实应用场景，智能生成相关理论题目，智能建立有效的评价体系，解放教师，提升学生的自学能力。

阶段二：给仿真设备“赋能”。技术实施：对已有的仿真设备进行二次建模，并根据所有设备的运转原理进行“数学建模”，赋予仿真设备标准操作之外更多形态，提升学生分析问题和解决问题的能力。应用场景预设：①以“压片机”为例：赋能后设备支持任意参数输入，学生在压片之初参数设置过程中，如出现参数设置异常，导致压片结果出现松片、裂片、黏冲等异常现象，学生在分析思考后，通过试错找出问题所在，提升学生分析问题和解决问题的能力；②结果预测。如热压灭菌，通过参数预设，由后台“数学模型”驱动，直接给出预测结果，避免灭菌异常事故发生。

阶段三：实现“多人协同”的实验场景。技术实施：基于阶段一和阶段二的建设成果，对多岗位操作进行系统框架设计，并对不同岗位（如质量保证、质检、领料、配料、生产等）进行独立定义，实现独立操作代码内置，最终实现对多人协同后的结果进行分类统计。实验结束后学生可以通过操作过程预览，发现问题进而解决问题。 “多人协同”操作让学生能够充分了解制药企业生产的岗位分布，强化学生的就业选择，并在“仿真实验”操作过程中通过不同角色的选择，以及多岗位不同角色的实验操作，提升学生的药学综合实践能力。

阶段四：“数字孪生+5G”技术应用，实现人才培养与企业需求同轨。技术实施：与真实设备实现互动，可通过传感器等进行数据传输，运用“数字孪生”技术将真实设备的事实数据及物理状态进行实时展示，并实现仿真与真实设备的实时交互。同时切入“5G”技术，在合作定点企业开源授权情况下，将企业实际生产映射至“仿真实验中心”，实现学生足不出户便能完成实训实操的目标。

总之，通过AI+VR技术，构建数智化药剂学课程群，使数字化向数智化进阶，提升学生的自主学习能力、分析和解决药学复杂问题能力、综合实践能力以及创新思维能力，见图2。

4 小结

通过将AI技术与VR技术进行融合，药剂学教学将迎来革命性变革。首先，可以探索建立适应“AI+VR”技术的药剂学教学模式。传统药剂学教学主要依赖于老师和教材，AI+VR教学模式能够指导学生在模拟真实环境中按需进行自主学习、反复实践和决策，从而提升学习效率和学习质量，锻炼实际操作能力和药学高阶思维能力。其次，基于“AI+VR”技术构建数智化药剂学课程群，不仅能使大规模个性化培养成为可能，为按需学习提供导航，避免知识迷航，而且还能使学生形成可视化的药学交叉知识融合体系，形成药学整体观和创新思维能力。最后，AI+VR技术能够从教育理念、教学模式等方面提升老师的教学创新水平。总之，通过不断探索和研究，最终实现药学人才培养质量的逐步提升。

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