仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學中的應用

梁蕊芳徐 龍翁鴻珍袁 倩

仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學中的應用

梁蕊芳1徐 龍1翁鴻珍1袁 倩2

1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院生物工程系 內(nèi)蒙古包頭 014035 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010018

發(fā)酵工程是一門內(nèi)容豐富、涉及面廣，并與生產(chǎn)實際緊密聯(lián)系的一門課程，是工業(yè)生物技術(shù)的核心。通過仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學中的應用，闡述了仿真技術(shù)與發(fā)酵工程教學結(jié)合的基本思想，并通過實例闡明了仿真技術(shù)應用的優(yōu)缺點，對仿真教學的方式進行了探討。

仿真技術(shù)；發(fā)酵工程；教學實踐；教育改革

Abstract: Fermentation engineering with rich contents, covering a wide range and close connection with actual production, is the core of industrial biotechnology. With appllication of artif cial technique in teaching of fermentation, this paper expound the basic idea of artif cial technique combined with teaching of fermentation engineering, the advantages and disadvantages of application of artif cal technique. Mode of simulation teaching was studied.

Key words: artif cial technique; fermentation engineering; teaching practice; educational reform

從我國目前的教育發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展需求來看，以信息化教育帶動現(xiàn)代化教育已經(jīng)成為教育改革的趨勢。與此同時，如何推進實驗、實訓和教學模式的改革和創(chuàng)新，提高學生的動手實踐能力、分析問題和解決問題的能力，已經(jīng)成為提高教育質(zhì)量的關鍵，對職業(yè)教育更是重中之重。發(fā)酵工程是微生物、生物制藥、生物工程、生物技術(shù)、食品等專業(yè)的重要基礎課，課程內(nèi)容豐富、涉及面寬，并且與生產(chǎn)實際緊密聯(lián)系。為培養(yǎng)學生對發(fā)酵工程科學原理的理解與掌握，提高實驗操作、科學研究及實際動手能力，需要在理論教學的基礎上，向?qū)嶒炇倚≡嚒⒅性嚒⑸a(chǎn)性試驗及工廠實踐的方向發(fā)展，而且很多教學內(nèi)容都應將單元操作與生產(chǎn)緊密結(jié)合。從教育改革的需要出發(fā)，立足于發(fā)酵工程教學的特點，我系在發(fā)酵工程教學中引入了仿真技術(shù)，傳統(tǒng)的教育模式得到改善，使得教與學的方式發(fā)生了根本性變化。

1 基本思想

仿真技術(shù)在航天、航空、軍事領域的應用具有悠久的歷史，是設計的基本方法。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，尤其是計算機虛擬技術(shù)的發(fā)展，使仿真技術(shù)的應用領域和范圍得到了迅速擴大，涵蓋了社會的各個方面。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)被引入到了實驗教學中，稱為仿真實驗[1]。仿真技術(shù)綜合集成了多個技術(shù)領域的知識，以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及其應用領域有關的專業(yè)技術(shù)為基礎，以各種物理效應設備和計算機為工具，利用系統(tǒng)模型對設想的或?qū)嶋H的系統(tǒng)進行實驗研究的一門綜合性技術(shù)[2]。

發(fā)酵工程在狹義上稱為微生物工程，是在特定條件下通過人為控制，利用微生物或動植物細胞的生命活動而獲得特定物質(zhì)的技術(shù)過程，是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分[3]。發(fā)酵工程主要包括上游工程，中游工程和下游工程三部分。其中優(yōu)良菌株的選育，最適發(fā)酵條件的確定，營養(yǎng)物的準備等屬于上游工程；最適發(fā)酵條件下，在發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞并生產(chǎn)代謝產(chǎn)物屬于中游工程；從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品屬于下游工程。而下游工程技術(shù)又包括固液分離、細胞破壁、蛋白質(zhì)純化以及產(chǎn)品的包裝處理等技術(shù)[4]。

若要利用電腦創(chuàng)造虛擬環(huán)境來模擬各種真實環(huán)境，并根據(jù)真實環(huán)境和實際操作情況在虛擬的環(huán)境中進行操作、驗證、設計、運行，把仿真技術(shù)和發(fā)酵工程教學完美結(jié)合起來，需要將發(fā)酵工程中各個研究對象共性的規(guī)律提煉出來，歸納為各個單元操作，并將這些單元操作按照發(fā)酵工藝過程整合為菌種、培養(yǎng)基、種子擴培、發(fā)酵過程控制、提取、精制及包裝一條主線，開發(fā)出基于企業(yè)的虛擬仿真場景的實踐教學軟件或技能訓練平臺。不僅可以節(jié)省學校的資金投入，快速而高效率地提高學生技能實踐的進度；還可以實現(xiàn)技能訓練中與仿真設備的交互，能夠無限制地使用和復制，減少人為損壞的可能性；通過修改模型有效增加新設備的功能，優(yōu)化資源庫；充分利用網(wǎng)絡實現(xiàn)發(fā)酵應用技能合作性訓練、協(xié)同性訓練以及遠程訓練等，達到資源共享[5]。從學生的角度，讓學生根據(jù)所學的內(nèi)容在相應仿真環(huán)境中，進行開車操作，可以自由改變各個工藝點的參數(shù)，自由控制各個節(jié)點的閥門，觀察工藝反應現(xiàn)象，了解生產(chǎn)實踐中每一部分對結(jié)果的影響，直到掌握工藝操作，模擬生產(chǎn)出合格產(chǎn)品為止。

2 發(fā)酵工藝仿真軟件的應用

仿真技術(shù)在教學中的應用，可以通過我系引進的青霉素發(fā)酵工藝仿真軟件實例來說明。該軟件主要用于制藥工程相關專業(yè)的教學培訓，使參加培訓的學生能夠充分地理解青霉素生產(chǎn)工藝流程，一對一親自動手操作，觀察工藝反應現(xiàn)象，進行開車操作，同時對于操作過程和結(jié)果進行客觀的考核與評定。

仿真軟件以青霉素的生產(chǎn)工藝過程為主線，以各節(jié)點單元操作控制為重點來進行實踐培訓。如圖1所示，在青霉素生產(chǎn)過程中，重點控制預處理、提取流程、精制流程、一次BA萃取、一次反萃取、二次BA萃取、脫色操作、結(jié)晶操作、抽濾干燥等控制點，使學生能夠清晰地認識到關鍵控制點，并進行單元操作。

圖1 青霉素生產(chǎn)工藝流程界面(圖片均來自于教學軟件)

在各單元中還細分出子模塊。以預處理單元為例(如圖2所示)，子模塊包含菌種介紹、孢子制備、滅菌、培養(yǎng)基配制、發(fā)酵工藝操作、發(fā)酵罐操作等，進一步深入到單元里的精細流程，并給予各模塊非常鮮活的模擬現(xiàn)場，使學生能夠在縱觀全局的基礎上，對設備和參數(shù)進行控制。

圖2 發(fā)酵流程界面

涉及具體的操作控制時，可進入操作界面(如圖3所示)進行各項參數(shù)的控制及閥門的開關，如對發(fā)酵過程中的溫度、pH值、時間、各種填料、出料等參數(shù)條件的控制。在各參數(shù)設定好的情況下還可以對發(fā)酵情況進行實時觀察，通過發(fā)酵情況(如圖4所示)來確定各參數(shù)設定及操作是否正確，如果操作失誤會產(chǎn)生故障，在故障的產(chǎn)生和排除過程中，鍛煉學生的應急能力，熟練操作技能。

圖3 發(fā)酵罐操作界面

圖4 菌種曲線界面

青霉素發(fā)酵是典型工藝，可見仿真軟件具有界面直觀、生動，操作方便，易學易用的特點；仿真手段符合實際工藝要求，設備齊全逼真，彌補了傳統(tǒng)實習中學生無法親自動手操作的不足。通過對青霉素發(fā)酵工廠實物設備的仿真模擬，使學生對青霉素發(fā)酵的工藝原理、操作環(huán)境、控制系統(tǒng)、故障處理有了更深的理解。

3 仿真軟件應用的弊端

雖然仿真軟件在教學中具有高效率、高精度、安全、無消耗等特點，但是，仿真軟件不應該也不可能取代實物實踐。因為實物實踐中會產(chǎn)生許多意想不到的問題并能發(fā)現(xiàn)思維盲點，而仿真過程是一個理想化的過程，在仿真軟件中儀器、元器件的溫度、料液濃度、黏度、顏色等物理特性無法感知；添加劑及化學藥品的味道、氣味也無法感知。同時，仿真操作時因為不用擔心誤操作帶來的后果(例如：溫度過高導致管道、罐體等設備的炸裂)，操作不當造成的泄露、爆炸或?qū)嵺`裝置損壞等意外事故，容易使學生麻痹大意。長此以往不利于培養(yǎng)學生嚴謹科學的學風，并且會削弱學生分析和解決實際問題的能力[6,7]。可見，仿真軟件并不能完全取代現(xiàn)實教學中的實踐操作。

4 仿真教學方式的思考

仿真軟件的應用雖然大大提高了學生實驗的積極性和主動性，給教學注入了新的活力，但它畢竟是教學的輔助工具，為了讓它融入教學中，對傳統(tǒng)教學的方式方法和觀念進行改革，提高教學質(zhì)量，筆者結(jié)合教學經(jīng)驗從以下幾方面進行探討。

(1)優(yōu)化教學內(nèi)容。發(fā)酵工程不僅與微生物學、生物化學和化工原理等課程密切相關，而且不同院系和專業(yè)對該課程的側(cè)重點不同。需要我們選用的教材在內(nèi)容闡述符合教學規(guī)律的基礎上，能夠反映學科發(fā)展的動態(tài)性和現(xiàn)實性，并體現(xiàn)課程本身的專業(yè)性和系統(tǒng)性，注重知識性和應用性。教師則要有針對性地編寫教學大綱和安排教學內(nèi)容，要求重難點突出，學時分配得當，避免重復[8,9]。因為教材平面圖及仿真軟件具有感官方面的不足，因此隨著發(fā)酵工程學研究內(nèi)容的不斷豐富和發(fā)展，教學內(nèi)容也必須不斷充實更新，要充分利用資料圖片或到工廠實地考察，使設備及部件變得更加生動直觀。

(2)強化生物學和工程學兩個基礎。發(fā)酵工程是利用微生物特定機能在特定反應器中生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)過程，因而要堅持生物學基礎和工程學基礎并重，力求讓學生在掌握生物學基本原理的基礎上，利用工程學認識發(fā)酵過程的放大與控制的基本特點[3]。基于以上要求，我們加強了反應動力學方面的講解。利用仿真軟件把發(fā)酵過程放大，使發(fā)酵過程控制等內(nèi)容與工程相關的理論基礎與實踐應用結(jié)合起來，并通過仿真軟件展現(xiàn)發(fā)酵過程的多尺度問題，將生物學和工程學基礎有機地結(jié)合起來。從而鍛煉學生通過工程的視角和思維，運用工程的原理和方法解決實際問題的能力。

(3)建立良好的協(xié)作學習模式。在教學及仿真軟件操作過程中，對學生進行組或工段的劃分，建立崗位模擬的協(xié)作學習模式，使學生進行自由探索和自主學習，并在學習中互相支持和配合。 注重各崗位或工段之間的配合及與環(huán)境的交互作用，一方面引導學生通過仿真軟件，根據(jù)自己本身的情況，從不同的角度選擇自己學習的切入點，建立起理論知識和實踐的結(jié)合點，達到對新知識的掌握；另一方面，學生可以利用實際工程設備以及網(wǎng)絡集成信息系統(tǒng)進行學習的自我考核，并在教師的組織和引導下一起討論和交流，使學習者群體的智慧與思維被整個群體所共享，共同完成對所學知識的完善和更深刻的理解[10]。

(4)開放實驗室。實驗課是高等教育教學體系的組成部分。發(fā)酵工程實驗是培養(yǎng)學生科研思維和實踐能力的重要手段之一，在生物工程教學中占有十分重要的地位[11]。應打破實驗室只在上課時間對學生開放的傳統(tǒng)模式，采取在整個課程期間，對學生全天候開放實驗室及其儀器設備，并提供相應的仿真軟件的實驗室管理模式。這樣，學生就可以根據(jù)自己的需要隨時進入實驗室，進行課程知識的實驗操作，方便其自主地預習或復習課程。實驗室的開放，能夠最大限度地發(fā)揮教學資源效益，擴展學生自主發(fā)展和實踐鍛煉的空間[12]。

(5)加強實踐教學環(huán)節(jié)。發(fā)酵工程是來源于工廠實踐，又應用于工廠生產(chǎn)的綜合性和實踐性都很強的課程。實踐在這門課程中占有非常重要的地位，而仿真軟件正是理論教學與實踐之間的橋梁，仿真軟件實現(xiàn)了理論與實踐教學有機結(jié)合。為了讓學生深刻理解理論講解內(nèi)容，仿真教學環(huán)節(jié)應讓學生加強了解并初步掌握發(fā)酵設備。利用仿真操作對學生進行嚴格的基本功訓練，并進行階段性的基本技能考核，合格者方能進入工廠實踐，以此來調(diào)動學生學習的積極性、主動性，培養(yǎng)學生刻苦鉆研的精神。但仿真軟件不能完全取代工廠實踐。雖然仿真軟件很直觀，但和實際情景有很大的差別，實際儀器元件的使用有很多經(jīng)驗問題，儀器的擺放、設備的布局及連接操作等在電腦上也是不能實現(xiàn)的，這方面的經(jīng)驗必須從實際操作中獲得。這就要求教學實訓基地要和企業(yè)具有長期的合作關系，不僅能讓學生進行參觀學習，還要能夠讓學生進入車間進行生產(chǎn)實踐。

5 結(jié)束語

將仿真教學應用在發(fā)酵工程教學中，可以節(jié)約大量的教育成本，帶來很多方便。對學生來講，也摒棄了一些不好的學習習慣，有效地提高了學習效果和效率，是輔助教學、提高教學質(zhì)量的有效手段和重要途徑，是我們應該大力提倡和推廣的。但是仿真教學還具有一些弊端，因此我們不能完全依靠仿真教學解決實踐教學任務，不能用仿真教學完全替代實物教學和生產(chǎn)實習。綜上所述，我們應該將仿真教學和實踐教學有機結(jié)合起來，相輔相成，揚長避短，充分發(fā)揮各自的特點，推動我國教育的發(fā)展。

[1] 習曉遠.仿真技術(shù)在實驗教學中的作用和地位[J].實驗室研究與探索,2002,21(2):24-25.

[2] 李妍,崔永利.仿真技術(shù)在實踐教學中的應用與研究[J].信息技術(shù),2006,11:107-111.

[3] 陳葉福,肖冬光,陳寧.對發(fā)酵工程課程教學的幾點思考[J].中國輕工教育,2010,2:64-65.

[4] 謝希賢,陳寧,徐慶陽.發(fā)酵工程開放式教學的改革探討[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2010,7:181-182.

[5] 陳鵬.虛擬仿真技術(shù)在服裝工藝教學中的應用研究[D].長沙:湖南師范大學,2009.

[6] 何連琴,陳躍華.仿真技術(shù)的實驗教學應用與探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009,15:73-76.

[7] 潘應暉.數(shù)控仿真軟件教學應用探討[J].武夷學院學報,2011,30(2):81-84.

[8] 黃方一,楊登想,楊艷燕.高職院校發(fā)酵工程課程教學改革探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009,23:370-375.

[9] 黃金林,潘志明,焦新安.發(fā)酵工程課程教學的思考與探索[J].生物學雜志,2005,22(5):46-50.

[10] 李鵬.仿真教學在高等職業(yè)教育中應用研究[D].濟南:山東師范大學,2008.

[11] 王文娟,李莉,楊建.開放實驗室,深化細胞生物學試驗教學改革[J].山西醫(yī)科大學學報(基礎醫(yī)學教育版),2008,10(6):688-689.

[12] 孔有琴.發(fā)酵工程實驗教學模式的探索和實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2011,1:82-83.

Application of artif cial technique in teaching of fermentation engineering

Liang Ruifang1, Xu Long1, Weng Hongzhen1, Yuan Qian21. Baotou light industry vocational technical college, Baotou, 014035, China 2. Inner Mongolia agricultural university, Hohhot, 010018, China

2011-10-20

梁蕊芳，碩士，講師。