虛實結(jié)合構(gòu)建生物制藥工藝綜合實驗體系

李海云 李子院 董新紅 陸芽春 李霞 海洪 陳沁

摘 要：生物制藥工藝綜合實驗是生物工程、生物制藥等專業(yè)的主干實驗課程之一，旨在通過實驗操作鞏固學(xué)生生物制藥工藝?yán)碚撝R、鍛煉實踐動手能力、分析和解決問題能力以及工程能力及素養(yǎng)。在生物制藥工藝實驗中引入虛擬仿真實驗教學(xué)、構(gòu)建虛實結(jié)合的實驗課程體系，可以突破傳統(tǒng)實驗受場地、時間、安全等條件的限制，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，有益于提高學(xué)生的工程能力和工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：專業(yè)特色 生物工程 培育途徑 高等教育

一、生物制藥工藝綜合實驗存在的問題

《生物制藥工藝綜合實驗》是國內(nèi)高校生物工程專業(yè)或方向的主干實驗課程之一。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解和掌握生物制藥工藝的基礎(chǔ)知識、基本理論，掌握常見生化藥物的制備方法、技術(shù)和工藝，了解和熟悉生物制藥實際工廠的基本操作和工藝過程，掌握生產(chǎn)和應(yīng)用的基本工藝和原理，使學(xué)生初步具有開發(fā)和研究生化藥物的基本能力，滿足社會對生物工程專業(yè)人才的需求。但長期以來，由于受實驗室條件以及實驗課時的限制，大部分地方理工類高校開設(shè)的生物制藥工藝實驗多數(shù)限于實驗室水平的驗證性、綜合性和設(shè)計型實驗，而對于學(xué)生的綜合工程能力的培養(yǎng)方面效果不夠理想[1]。

二、虛實結(jié)合構(gòu)建生物制藥工藝綜合實驗課程體系

為了解決生物制藥工藝綜合實驗中存在的上述問題，我校生物工程專業(yè)采用虛實結(jié)合方法對實驗項目體系進(jìn)行了優(yōu)化[2]。

1.真實基礎(chǔ)實驗項目體系

為了培養(yǎng)學(xué)生在生物制藥方面的實際動手能力，真實實驗中設(shè)計了溶菌酶結(jié)晶的制備及活力測定、四環(huán)素的定向發(fā)酵及其效價測定以及硫酸軟骨素的制備等三個實驗項目，其中溶菌酶結(jié)晶的制備及活力測定實驗項目包含溶菌酶粗結(jié)晶的制備、 溶菌酶的初步純化及重結(jié)晶、溶菌酶活力和蛋白質(zhì)含量的測定等三個子實驗。四環(huán)素的定向發(fā)酵及其效價測定實驗項目包含金霉素鏈霉菌種子液的制備、四環(huán)素的定向發(fā)酵、四環(huán)素效價測定等三個子實驗[3]。

2.虛擬仿真實訓(xùn)項目體系

為了使學(xué)生了解和熟悉生物制藥實際工廠的基本操作和工藝過程，培養(yǎng)基本的工程實踐能力，與北京微瑞集智科技有限公司合作開發(fā)了原料藥如維生素C微生物發(fā)酵制藥工藝虛擬仿真實訓(xùn)項目。本項目以實際生產(chǎn)的維生素C工藝為藍(lán)本，基于virtools三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺構(gòu)建，在計算機(jī)屏幕上，逼真再現(xiàn)了真實生物制藥生產(chǎn)的操作場景與生產(chǎn)裝置，精準(zhǔn)地再現(xiàn)了生物制藥生產(chǎn)廠中的無菌操作、種子培養(yǎng)、接種、發(fā)酵、工藝控制等各個工序中的重點生產(chǎn)設(shè)備，如發(fā)酵罐、種子罐等，實時模擬真實發(fā)酵生產(chǎn)過程與現(xiàn)象，仿真模擬了藥廠生產(chǎn)的全部更衣和操作過程及各個崗位的技術(shù)操作[4]。

三、虛實結(jié)合的生物制藥工藝綜合實驗課程體系的優(yōu)勢

仿真實訓(xùn)教學(xué)是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)所生成的虛擬仿真工廠，依據(jù)真實化工廠的相關(guān)理論和實踐操作規(guī)程在虛擬仿真工廠中進(jìn)行相應(yīng)操作、驗證和運行。在實踐教學(xué)中，以實際應(yīng)用為目的，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵步驟和注意事項，使學(xué)生在實踐教學(xué)中能將理論知識應(yīng)用到實踐環(huán)節(jié)中。在實訓(xùn)過程的每一個環(huán)節(jié)由教師和系統(tǒng)指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問題并及時修正。教學(xué)活動以學(xué)生為主體，這就有利于學(xué)生掌握知識同時將所學(xué)的知識運用到工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和分析中。虛擬仿真實驗室不受時間、空間的限制，也避免了對實驗材料和實驗室儀器設(shè)備等的依賴性，可不受實驗條件、實驗次數(shù)和生物安全等的限制，給學(xué)生提供一個便捷安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生模擬真實實驗操作，使學(xué)生能夠清楚地認(rèn)識實驗的關(guān)鍵部分，并加深印象。與此同時，避開了真實實驗中所需要的消耗排放，對周圍的環(huán)境也是一種很好的保護(hù)。通過模塊和程序?qū)崿F(xiàn)三維動態(tài)全景漫游與動態(tài)實時交互設(shè)計，擁有熟悉單元設(shè)備與生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)工藝流程與參數(shù)、虛擬生產(chǎn)過程反饋跟蹤考核等多項實訓(xùn)功能，使學(xué)生在實踐教學(xué)中能將理論知識應(yīng)用到實踐環(huán)節(jié)中。在實訓(xùn)過程的每一個環(huán)節(jié)由教師和系統(tǒng)指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問題并及時修正。以學(xué)生為主體，有利于學(xué)生掌握知識同時將所學(xué)的知識運用到工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和分析中，可以提高實驗教學(xué)效果，提高實驗教學(xué)質(zhì)量的有效手段。傳統(tǒng)教學(xué)中專業(yè)表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要教師在實驗前再次強(qiáng)調(diào)。實驗完成后，由于受主客觀條件限制，一般難以重復(fù)實驗，實驗過程中的疑點往往得不到驗證。虛擬仿真實驗室可讓學(xué)生實驗前有針對性地體驗整個操作過程，為進(jìn)入實驗室進(jìn)行實際操作奠定基礎(chǔ);可以讓學(xué)生進(jìn)行無限制性、多次的模擬實驗，甚至可以根據(jù)學(xué)生的意愿選擇性調(diào)節(jié)實驗進(jìn)程，從而使學(xué)生看到傳統(tǒng)實驗條件下容易忽略的細(xì)節(jié)，加深對知識點的理解，是較好的鞏固與復(fù)習(xí)的手段;打破了時間與空間的限制，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果[5]。

四、應(yīng)用效果

學(xué)生通過虛實結(jié)合構(gòu)建的生物制藥工藝綜合實驗體系，既學(xué)習(xí)和實踐蛋白類藥物、多糖類藥物、抗生素類藥物的生物制藥技術(shù)和工藝，又通過虛擬仿真實訓(xùn)了解和熟悉實際制藥工廠和車間的基本布局、基本操作，使學(xué)生在生物制藥工藝領(lǐng)域綜合實驗技術(shù)得到了較好的訓(xùn)練，提高了學(xué)生的獨立操作能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。

虛擬仿真實訓(xùn)項目實施效果尤為突出，主要體現(xiàn)在：（1）創(chuàng)造與實際環(huán)境相似度非常高的環(huán)境，有利于學(xué)生快速學(xué)習(xí)。依托虛擬仿真、人機(jī)交互技術(shù)建立起來的虛擬體驗系統(tǒng)，可以逼真的模擬生產(chǎn)環(huán)境和工藝流程。高度逼真的體驗環(huán)境，使得學(xué)生能夠獲得生動直觀的感性認(rèn)識，增進(jìn)對抽象原理的理解。（2）彌補(bǔ)傳統(tǒng)實習(xí)的不足。傳統(tǒng)的生產(chǎn)實習(xí)和認(rèn)識實習(xí)過程，學(xué)生在工廠中只能看，不能動的缺點，而在3D虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)實習(xí)仿真操作中，學(xué)生可通過設(shè)備操作、閥門操作、儀表監(jiān)控來模擬真實生產(chǎn)操作過程，并能根據(jù)儀表反饋數(shù)值及趨勢曲線及時調(diào)整閥門開度，通過人機(jī)交互生產(chǎn)合格產(chǎn)品。在3D虛擬現(xiàn)實認(rèn)識實習(xí)仿真操作中，學(xué)生可了解工藝、設(shè)備、安全等知識，最終實現(xiàn)學(xué)生對工藝操作、裝置的全面認(rèn)識。（3）增加安全可靠性。虛擬仿真系統(tǒng)使得體驗過程不再帶來人身傷害和環(huán)境危害，也不會浪費任何財力、物力，體驗者可以通過虛擬仿真熟練掌握知識原理和操作流程，這種過程還可以無限制的進(jìn)行重復(fù)，強(qiáng)化知識過程。

結(jié)語

構(gòu)建虛實結(jié)合的生物制藥工藝綜合實驗體系，特別是通過虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬現(xiàn)實化工廠的環(huán)境和裝置對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實訓(xùn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，克服實際工程實訓(xùn)只能看、不能動的缺點，同時提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實習(xí)實訓(xùn)項目。虛實結(jié)合的實驗體系不僅提高了學(xué)生的實驗技術(shù)水平、增強(qiáng)了對生物制藥工藝基礎(chǔ)知識和理論的理解，同時還拓展了學(xué)生的工程實踐能力，大大提高了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，更能滿足社會對生物制藥人才的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]吳沁航，劉春美，張芳，等.以學(xué)生為中心的生物制藥工藝學(xué)教學(xué)改革[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2017，15（22）：4-5.

[2]曾柏全，徐剛標(biāo)，姚躍飛，等.生物制藥工藝學(xué)實驗教學(xué)體系改革[J].研究中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）2010，4（4）：144-145.

[3]郭軍紅，崔錦峰，楊保平.新工科背景下虛實結(jié)合虛擬仿真實驗項目的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（8），119-122.

[4]劉金庫，黃婕，裴小琴，等.“一求實六融合”理念——高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的新視角化工高等教育，2019，（5）：76-79.

[5]郭婷，楊樹國，江永亨，等.虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)與應(yīng)用研究[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（10）：215-217，220.