技术能力目标：本实验目标是使学生通过合理选择工艺路线、制定工艺参数、确定生产规模，联系对比实验小试工艺与中试生产差异，对中试研究质量源于设计（QbD）理念有深入的理解和掌握。本项目基于虚拟现实技术（virtual reality，VR），建立“沉浸式”、“可视化”、“可感性”的三维可视化交互场景，使学生在视觉、听觉和触觉等多种传感渠道的共同促发作用下，与虚拟的实验世界进行自然交互，理解中试与小试工艺之间的差异，重视小试工艺研究需要考虑设备、工艺、参数的选择与中试工艺相匹配，学会设计并制定合理的中试生产流程，更加深刻地认识到中试研究是在逐级放大过程中对不合理工艺、加工方法、原料选配等缺陷的纠正，了解并掌握“质量源于设计”的理念，为产业化生产累积必要的经验，预备成为中药新药开发的产业化人才。
专业核心能力目标： 通过本实验课程的实施，使学生具备理论与实际相结合的能力，理解实验室工艺与大生产之间的差、工艺逐级放大原理以及QbD理念在具体研发及生产过程中的重要性，培养既又创新研发能力，又具备产业化概念和整体视角的核心专业能力。
情感目标：通过与产业化将结合的教学内容，让学生充分认识到科学与技术的相互促进，深刻体会到研发工作者在每一个环节中所扮演的角色和需要付出的努力，并在这一努力的过程中，认识到自我价值的实现和为社会服务的统一性，使学生成为具备使命感、责任感、利他精神和内驱力的复合型专业人才。
思政目标：通过本课程的学习，使同学们充分认识到中医药在守护人类健康的大使命中所扮演的重要角色和突出贡献，认识到祖国医药在世界范围内的影响力，深刻领会到中医药科研工作者在这一过程中的重要贡献和价值。
（1）实验原理(限1000字以内)
黄连片由金银花、黄芩、连翘三味药材组成，其中金银花和连翘属于花及果实类药材，不宜长时间高温提取。黄芩属于根类药材，且因片中含有黄芩酶可水解有效成分黄芩苷，因此一般采取沸水投料杀死相应水解酶，然后长时间水提取，从而提高黄芩苷的提取率。一般实验室过程如下：
黄芩加水煎煮三次，第一次2小时，第二、三次各1小时，合并煎液，滤过，滤液浓缩至相对密度为1.03～l.08（80℃）的清膏，于80℃用2mol/L盐酸溶液调节pH值至1.0～2.0，保温1小时，静置24小时，滤过，沉淀用水洗至pH值为5.0，再用70%乙醇洗至pH值为7.0，低温干燥，备用；金银花、连翘加水温浸30分钟后，煎煮二次，每次1.5小时，合并煎液，滤过，滤液浓缩至相对密度为1.20-1.25（80℃）的清膏，冷至40℃，加乙醇使含醇量达75%，充分搅拌，静置12小时，取上清液，残渣加75%乙醇适量，搅匀，静置12小时，滤过，合并二次滤液，回收乙醇至无醇味，浓缩成相对密度为1.34～1.40（60℃）的稠膏，减压干燥，加入上述黄芩提取物，粉碎成细粉，加入微晶纤维素、羧甲淀粉钠，混匀，制成颗粒，干燥，加入硬脂酸镁，混匀，压制成1000片，包薄膜衣，即得。
知识点：共 12 个
1. 实验室工艺主要论证工艺原理，不能直接放大成中试生产
2. 实验室工艺到中试工艺转移需逐级放大而不是线性放大
3. 中试放大需控制多个中间环节质量控制量化指标，而不是终端产品控制
4. 中试生产洁净度要求
5. 中试生产需设置人流及物流的分别通道，保证最终产品符合生物学要求
6. 实际生产条件与实验室不同，参数工艺均需要调整
7. 实验室工艺不能100%全部对应转移至生产，需要调整
8. 生产设备与实验室装置不同，导致工艺参数变化影响得率
9. 生产损失根据规模不同，与实验室差异大
10. 实验室步骤可能在大生产无法实现，生产步骤需调整
11. 生产需计算物料平衡，实验室不需要此步骤
12. 生产规模与批次影响最终产品得率
（2）核心要素仿真设计
基于虚拟现实技术（virtual reality，VR），建立单个生产罐体内部“可视化”，当学生选择不同投料规模时，可肉眼观察到提取罐内壁的残留情况、喷雾干燥室内的粉体挂壁情况、大型搅拌桨残留的情况，从而使中试过程中无法观察的关键技术细节实现“可视化”；
通过VR技术建立GMP车间，让学生进入不同洁净级别空间进行相应操作，例如，更换洁净服、佩戴防护设备、进入风淋、个人手部清洁等多步骤操作。让学生操作物流流转设备，检查物料包装完整、避免交叉污染、物料进出清洁并消毒的连续过程，使学生对生产过程具有“沉浸式”体会；
采用VR重建运行状态虚拟设备，当学生根据实验室工艺选择将高压罐体打开时，虚拟设备将立刻呈现出大量蒸汽沸腾的状态，并发出警告设备处于高温高压，不得打开。此时，采用AI助手，提示此工艺流程无法通过打开罐体实现。然后在人机交互过程中，提示中药“后下”的饮片可以通过单独煮沸再合并煎液实现，让学生对中试生产具有“可感性”的体会。
一. 实验教学过程
本实验利用仿真技术深度融合，改革实践教学理念、教学内容、教学方法，开展自主式、案例式、互动式、情景式、探究式学习。拓展教学资源，通过情景式，互动式，自主创新等多种形式打破传统的文字、图片、视频等教学形式，以虚拟仿真技术，三维重现技术，数字化技术以“实”带“虚”，以“虚”充“实”。课程开始之前，要求学生必须牢固掌握前述知识点，并充分结合知识点熟悉项目流程和仿真软件等实验仪器设备及实验材料。实验过程中，以学生为主，发挥学生的自主创新能力，增强学生的实践能力，把枯燥的教学过程变成轻松、愉快的自主学习过程，真正把教学“活起来”；老师为辅，解决学习过程中的“难”、“惑”、“痛”等实际性问题。
二. 实验方法
1. 案例式教学
基于虚拟现实技术（virtual reality，VR），建立单个生产罐体内部“可视化”，当学生选择不同投料规模时，可肉眼观察到提取罐内壁的残留情况、喷雾干燥室内的粉体挂壁情况、大型搅拌桨残留的情况，从而使中试过程中无法观察的关键技术细节实现“可视化”，通过具体案例让学生加深中试及大型生产设备不可忽视的技术问题。
2. 互动式教学
采用VR重建虚拟设备运行状态，例如中药“后下”的工艺需要打开高压提取罐体，但此时设备处于高温高压状态，一旦选择打开，虚拟设备将立刻呈现出大量蒸汽沸腾的状态，并发出警告人员不得靠近。此时，采用AI助手，启动“互动式教学”，允许学生提问，AI助手回答，提示学生此工艺流程无法通过打开罐体实现。然后在人机交互过程中，提示学生中药“后下”的饮片可以通过单独煮沸再合并煎液实现。让学生在“互动教学”中对中试生产具有“可感性”的体会。
2. 情景式教学
通过VR技术建立GMP车间，让学生进入不同洁净级别空间进行相应操作，例如，更换洁净服、佩戴防护设备、进入风淋、个人手部清洁等多步骤操作。让学生操作物流流转设备，检查物料包装完整、避免交叉污染、物料进出清洁并消毒的连续过程，让学生体会大型综合生产过程所需要考虑的洁净操作、物料转移、设备衔接等，在情景式教学中使学生对生产过程具有“沉浸式”体会。
3. AI赋能的教学新思路
设置多个由实验室工艺到中试工艺的转化环节，由学生选择工艺路线或设置参数，不同的选择会导致不同的“提取效率”、“产率”或“得率”，当学生参数设置错误时，可与AI助教分析、讨论并预演可能的结果。采用AI多模态交互技术，通过语音识别，自然语言处理，采用AI大模型+专业知识库协助学生在不同制备单元中试放大生产中遇到的关键产业化问题，采用AI赋能的新思路帮助学生更好地理解QbD理念。
（1）学生交互性操作步骤，共 14 步
步骤序号 | 步骤目标要求 | 步骤合理用时 | 目标达成度赋分模型 | 步骤满分 | 成绩类型 |
1 | 了解生产车间洁净度要求 | 5min | 全部SOP流程10`每个步骤1` | 5 | ■操作成绩 □实验报告 □预习成绩 ■教师评价报告 |
2 | 熟悉人员、物料通道 | 5min | 人、物分开10` 人物共用 0` | 5 | |
3 | 掌握原辅料中间质检标准 | 5min | 原料、辅料、中间体、成品每完成1项2.5` | 10 | |
4 | 制定逐级放大过程 | 0.5 min | 三级放大-10` 二级放大-6` 直接放大-0` | 10 | |
5 | 根据投料量选择药材浸泡时间 | 0.5 min | 增温且延时-10` 不增温但延时-7` 不调整-0` | 8 | |
6 | 生产连续提取增加效率 | 1min | 连续生产-10` 不连续-5` | 8 | |
7 | 生产具备冷库醇沉条件一次醇沉即可 | 1min | 选择4℃一次醇沉-10` 选择常温2次醇沉5` | 8 | |
8 | 后下工艺不可直接转移 | 1min | 生产中采用沸水燀法10` 选择打开设备后下0` | 8 | |
9 | 生产具备快速过滤设备 | 0.5min | 选择快速过滤10` 选择慢速过滤5` | 8 | |
10 | 干燥需达到50倍小试投料 | 0.5 min | 选择50倍投料-10` 10倍投料-5` | 10 | |
11 | 中药大量干燥需预混辅料 | 1min | 部分辅料提前加入 10` 干燥后加入5` | 5 | |
12 | 根据生产规模调整参数 | 1min | 选择不同转移设备10` 选择相同设备5` | 8 | |
13 | 物料平衡计算 | 1min | 损失<5% 10` >5% 5` | 7 | |
（2）交互性步骤详细说明
步骤目标要求 | 交互步骤说明 | |
1 | 明确GMP车间生产环境基本要求，中试放大意义及QbD理念 | 通过VR进入虚拟生产车间场景，VR展示全景车间，AI助教弹出，介绍GMP洁净度要求，本次中试生产生产任务内容，视觉展示小试工艺路线，介绍QbD理念，由学生选择“开发者”身份后根据所给文字逐一链接确认小试工艺路线及参数，开启本次中试放大生产。 |
2 | 确认生产启动流程，设置质检环节 | 确认各设备链接情况，由学生自主选择设置质检环节，包括设备、药材、辅料、中间体、产品逐一设置质量标准，该环节如未设置全面，则不启动生产，弹出AI助教提示并解释原因。 药材、辅料、中间体质检计入成品质量（与成品含量密切相关） 以上环节完全无误后，由学生选择人员及物流通道（避免与人员共用通道），如正确赋予身份合格，并展示物料及人员分别进入正确通道的场景 |
3 | 了解生产车间洁净度要求 | 通过VR进入虚拟生产车间场景，按照GMP操作进行个人洁净度操作，当违反操作流程时VR发出警告，并启动AI助手，学生可选择询问正确做法 |
4 | 熟悉人员、物料通道 | VR模拟人员通道和物流通道，要求学生正确进入人员通道，3级过滤 |
5 | 制定逐级放大过程 | VR模拟进入中控台，拿到生产指令和小试工艺流程，要求按照小试参数进行选择放大量，该步骤没有提示，会根据选择的规模计入最后的产率（产率浮动20~50%） |
6 | 根据投料量选择药材浸泡时间 | VR模拟进入车间投料，提示根据小试工艺选择浸泡时间，会根据选择的时间显示药材浸润程度，并计入最后的产率（产率浮动2~5%） |
7 | 生产连续提取增加效率 | VR模拟进入车间开始提取并显示连续提取和间断提取的罐内液体及提取液的量，会根据选择的方式计入最后的产率和生产时间（产率浮动5~10%，时间增加或减少约1h） |
8 | 后下工艺不可直接转移 | VR模拟询问学生是否打开提取罐进行黄芩饮片的投料，如选择打开则设备报警，不允许该操作；如选择不打开询问如何放大“后下”工艺，并弹出AI助教与学生互动（该步骤不影响产率，只有提出合理方案生产才可以继续） |
9 | 生产具备冷库醇沉条件一次醇沉即可 | VR模拟将提取液转移至醇沉罐，并转移至冷库，VR显示环境温度及罐内温度，由学生选择醇沉次数，根据选择的方式计入最后的产率和生产时间（产率浮动1~5%，时间增加或减少约6h） |
10 | 生产具备快速过滤设备 | VR模拟不同过滤设备由学生选择，根据选择进行过滤（产率浮动1~5%，时间增加或减少约5~6h） |
11 | 干燥需达到50倍小试投料 | VR模拟干燥室内物料残留情况，根据学生选择投料倍数进行干燥，并将残留量显示于罐体壁，并将损失计入最后产率（产率浮动5~20%） |
12 | 中药大量干燥需预混辅料 | VR模拟干燥物料，助教弹出询问如何干燥，并根据选择模拟物料干燥程度（不加辅料时物料性质极易吸潮，无法继续） |
13 | 根据生产规模调整参数 | AI弹出，提示本次生产规模与设备之间的匹配程度，询问对本次生产之前所选的参数是否有需要调整，此处VR给出生产全景图，以供学生与AI助教进行回顾和讨论，可以修改参数，并随之变动产率 |
14 | 物料平衡计算 | VR显示中控台，给出本次生产得率及时长 损失<5%，时间小于8小试为满分 |
序号 | 不同生产条件 | 产生的结果 | 产生的结论 |
1 | 生产车间洁净度达到／未达到要求 | 终产品达到卫生学要求 终产品长菌，不合格 | 生产环境影响产品卫生学要求 |
2 | 人员、物料通道分离／不分离 | 分离：避免交叉污染 不分离：增加交叉污染机会 | 人员物流分开保证卫生学要求 |
3 | 原辅料制定／不制定中间质检标准 | 制定标准：提高终产品合格率 不制定标准：终产品合格率降低，无挽救措施 | 中间过程控制保证终产品质量 |
4 | 制定逐级放大过程／一步线性放大 | 逐级放大：可发现问题，调整参数 线性一步放大：工艺转移失败 | 从小试到中试属于非线性放大过程 |
5 | 根据投料量选择药材浸泡时间／浸泡时间不变 | 调整时间：浸泡充分，增加提取效率 不调整时间：浸泡不充分，提取率下降 | 工艺放大后效率降低，需调整参数 |
6 | 生产连续提取／按小试分步骤提取 | 连续生：生产效率提高 不连续：增加转移步骤，需要更多设备，生产效率下降 | 自动化设备提高效率 |
7 | 低温醇沉一次醇沉／常温多次醇沉 | 低温一次：效率增加，时间缩短 常温多次：时效降低 | 大生产条件可实现醇沉低温操作 |
8 | “后下”工艺不可直接转移／“后下”工艺直接转移 | 后下工艺改成燀法：符合生产安全要求 后下工艺直接用于生产：违反生产安全操作 | 小试工艺不能完全转移成大生产 |
9 | 生产具备快速过滤设备／常规过滤 | 选择快速过滤：增加生产效率 选择慢速过滤：降低生产效率，且容易发生管路堵塞，产生安全隐患 | 大生产效率更快，且安全 |
10 | 干燥需达到50倍小／不达50倍 | 50倍投料：物料损失合理 低于50倍投料：物料损失超标 | 生产规模与设备需匹配 |
11 | 中药大量干燥需预混辅料／不预混辅料 | 部分辅料提前加入：可干燥完全 干燥后加入：无法干燥完全，后续制粒困难 | 小样处理灵活，中试需要考虑物料性质 |
12 | 根据生产规模调整参数 | 参数调整：减小损耗、保证质量 不调整：损耗较大、难保证质量 | 生产规模影响产率及质量 |
13 | 物料平衡计算 | 计算物料平衡：为生产提供依据 不计算物料：无法知道整批次生产是否产生不合理消耗，甚至影响质量 | 物料平衡反正整体生产工艺的合理性且保障质量 |
（1）客户端到服务器的带宽要求
①基于公有云服务器部署的系统，5M-10M 带宽
②基于局域网服务器部署的系统，10M-50M 带宽
（2）能够支持的同时在线人数
支持 500 个学生同时在线并发访问和请求，如果单个实验被占用，则提示后面进行在线等待，等待前面一个预约实验结束后，进入下一个预约队列。
（1）计算机硬件配置要求
处理器CPU：i6 8.0GHz以上
机带RAM：12G以上
网卡： 1000M/s
硬盘：10T以上
显卡：RTX2071S以上版本
（2）其他计算终端硬件配置要求
AI算力服务平台RTX5070 Ti 16G以上
支持移动端：是
计算机操作系统和版本要求：
课程系统基于BS模式，能安装绝大多数流行的浏览器的操作系统均符合要求。测试通过的操作系统有Win 7以上版本操作系统，Mac OS X操作系统10.8以上版本，Ubuntu17.0操作系统；IE8.0以上版本，Chrome49以下版本，Safari，360浏览器等。三维在线虚拟仿真系统采用Unity3D插件，建议使用IE内核浏览器，例如IE、360浏览器等。
Email：qinjing@fudan.edu.cn
研究方向：生物智能递药系统研究、中药新剂型与新制剂的研究开发
个人主页：https://spfdu.fudan.edu.cn/cd/31/c41556a511281/page.htm
电话: (021)65642805
邮箱: fanglei@fudan.edu.cn 
地址:上海市杨浦区邯郸路220号
