虛擬仿真技術在發酵工程實驗教學中的應用

文章編號：1671-489X（2025）14-0020-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.14.020

0 引言

發酵工程作為一門交叉學科，不僅涉及生命科學的微生物學、分子生物學、細胞生物學等領域，還涵蓋工程學中的反應器設計、流體力學、傳熱學、傳質學等內容。它不僅是生物技術、生物制藥和生物工程等專業的核心課程，還是現代工業生產中的重要基礎技術，廣泛應用于食品、醫藥、環保、能源等領域。發酵工程的研究主要聚焦于微生物在特定條件下的生長和代謝過程，尤其是微生物在發酵反應器中，如何通過代謝作用將原料轉化為高附加值的產物，如酒精、酸類、酶類、抗生素、氨基酸、維生素和生物燃料等。與傳統化學合成方法相比，微生物發酵具有更高的選擇性、環境友好性和可持續性，因此在現代工業中越來越得到重視。該課程旨在培養學生對微生物代謝過程的理解、提高學生在工業應用中的技術能力。

在發酵工程實驗教學中，學生通過動手實踐，深入理解微生物的生長特性和代謝過程，是培養學生綜合能力和實驗技能的重要手段。常見的實驗包括：微生物培養分離實驗，發酵過程實驗和產物分離與純化實驗等。發酵工程實驗的內容較為廣泛，涉及的知識面也很廣。然而，傳統的線下實驗教學存在一定的局限性。例如，許多實驗的操作過程較為簡單，缺乏創新性和挑戰性，導致學生在操作過程中難以保持興趣[2]。同時，某些高難度和高風險的實驗，如發酵罐連續發酵實驗操作較為復雜，且涉及高溫、高壓等危險因素，因此需要嚴格的安全管理和專業指導。此外，發酵罐及其附屬設備的高昂成本也是許多高校無法提供相關實驗的重要原因。隨著互聯網技術和人工智能的快速發展，信息化技術在教學中的應用越來越廣泛，尤其是在實驗教學領域，其作用愈加顯著。虛擬仿真實驗是指利用多媒體和虛擬現實等技術，在互聯網上模擬真實物體、環境及過程進行系統實驗與研究的一門應用技術，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展實驗[3]。基于發酵工程在生物制藥等領域的基礎性和廣泛應用性，以河南中醫藥大學生物化學與分子生物學國家級精品課程及其實驗平臺為依托，以生物工程和制藥工程等現有工藝和工程設計為基礎，以“虛實結合，優勢互補”為原則，以提高學生實踐能力和創新精神為目標，針對發酵工程實驗課程因課時和設備等因素不能開展的實驗，依托教師優秀科研項目，以紅霉素的連續發酵生產及其分離純化工藝為內容構建了“發酵制藥典型工藝”虛擬仿真實驗，克服了傳統發酵工程實驗教學中的不足。通過計算機模擬發酵過程，學生可以在沒有實際操作的情況下了解發酵工程中的各個環節如何相互影響，從而提升對理論知識的理解。虛擬仿真實驗不僅可以減少設備成本和操作風險，還能夠提供更多的實驗設計和分析的機會，激發學生的創新思維。

1現階段發酵工程實驗教學的局限性

發酵工程實驗是一門涵蓋廣泛、內容復雜的課程，涉及微生物代謝、發酵過程的優化、產品提取與純化等多個方面。現階段發酵工程實驗教學的局限性主要體現在教學資源、實驗內容、行業需求、科研與教學的結合等方面，不僅制約了學生的綜合能力和創新能力的培養，也影響了他們未來在生物產業中的競爭力。因此，改進發酵工程實驗教學的方式，優化教學資源配置和課程內容，已經成為提升教學質量和滿足行業需求的迫切任務。發酵工程實驗教學的局限性主要體現在以下幾個方面。

1）教學資源和時間限制。當前，由于設備資源和時間的限制，許多院校的發酵工程實驗教學往往只能集中于一些基礎性實驗，如酵母發酵、乳酸菌發酵和發酵培養基的制備等。這些基礎實驗雖然為學生提供了必要的入門知識，但大多僅停留在簡單的結果驗證層面，學生的實驗操作較為單一，缺乏對發酵過程中的關鍵參數（如pH值、轉速、溶氧量等）對發酵反應的具體影響的深入理解。通過這些簡單實驗，學生通常只能達到記憶、理解和模擬的低層次認知，而難以提升到分析、評估和優化的高層次技能。此外，由于實驗時間有限，學生對實際生產過程中復雜的發酵條件和動態變化的把控能力較弱，導致他們在實際操作中缺乏充分的實驗技巧和應變能力。這不僅無法滿足現代人才培養的需求，也與培養綜合型技能人才的理念相違背[4]。

2）應用性實驗缺乏。由于發酵罐及其附屬設備投資昂貴，許多院校在實驗教學中未能引入與工業生產緊密相關的高級應用實驗。傳統的實驗教學往往局限于基礎性實驗，如酵母發酵等，而缺乏與實際生產緊密結合的內容，如生物反應器（發酵罐）操作、發酵過程的監測與優化等。這種局限性使得學生難以從實驗中真實感受到工業生產中的復雜性與挑戰，進而影響他們的學習興趣和對發酵工程應用領域的認知。由于缺乏這些高級應用實驗，學生很難理解和掌握如何將發酵工程的理論知識有效應用于工業生產，進而難以適應行業快速發展的需求，在未來就業市場中處于劣勢。盡管虛擬仿真技術可以在一定程度上模擬發酵過程，但其與實際操作仍存在差距，因此只能作為實驗教學的輔助手段。

3）科研與教學融合不足。科研成果融入教學，即將優秀科研成果轉化為實驗教學資源，是提升實驗教學質量和培養大學生創新能力的有效途徑[5]。然而，許多高校在這方面的探索仍顯不足，未能充分利用教師的科研成果和資源，導致學生在實踐中難以接觸前沿知識和技術。事實上，加強科研與教學的融合，不僅能豐富課程內容，還能激發學生的探索精神，提升他們的實際動手能力。現階段發酵工程實驗教學的局限性反映了教育體系在理論與實踐結合方面的不足。為了解決這些問題，高校需加強課程內容的更新與優化，提升教學資源的配置，同時利用虛擬仿真技術實現科研與教學的深度融合，從而克服由于儀器設備等因素限制而無法進行線下實驗的難題，讓學生在模擬環境中實踐發酵過程的操作和管理，進而增強他們對發酵工程的理解和學習興趣。通過虛擬仿真實驗，學生可以直觀地觀察發酵過程中微生物的生長、代謝及產物生成，提升對復雜理論的理解，為開展實際實驗奠定堅實基礎。

2發酵工程虛擬仿真實驗課程建設

2.1 課程特點

發酵工程實驗作為工科的一門基礎型課程，具有重要的基礎性和廣泛的應用性，為生物與醫藥領域的基礎研究提供了支持。發酵工程實驗不僅涉及微生物的培養和代謝過程，還涵蓋產品的提取和純化。這些實驗為研究和開發新型生物制品提供了理論基礎和實踐支持。河南中醫藥大學開設的發酵工程實驗以學校生物化學與分子生物學國家精品在線開放課程及其實驗平臺為依托，組建了一支由科研一線的博士教師構成的教學團隊。該團隊不僅擁有豐富的理論和實驗教學經驗，而且注重科教融合，使實驗內容緊跟科學前沿。基于團隊教師承擔科研課題的特點和可操作性，開發了以紅霉素的連續發酵生產及其分離純化工藝為內容的“發酵制藥典型工藝”虛擬仿真實驗項目。實驗內容更貼近實際生產，能讓學生直觀感受所學專業知識在生產生活中的應用價值。通過搭建發酵罐及其附屬設備等虛擬實驗室場景，學生可與逼真的虛擬場景交流互動，體驗完整的實驗操作流程。這不僅增強了實驗的趣味性，還幫助學生加深對藥效分子生物發酵生產相關知識的理解，提升對發酵實驗基本原理和操作技巧的掌握程度。這種沉浸式的學習體驗，不僅提高了學生的動手能力，還增強了他們對發酵過程的理解和學習興趣。同時，虛擬仿真實驗可以避免實際操作中可能出現的安全隱患與資源浪費，降低了實驗成本，提高了教學效率。此外，虛擬仿真技術還允許教師根據教學需求設計多樣化的實驗場景和條件，開展個性化教學。這種靈活性使學生能在不同的環境下自主探索，有利于培養他們的創新能力和實踐能力。

2.2 課程內容

“發酵制藥典型工藝”虛擬仿真實驗項目操作系統界面簡潔，易操作，如圖1所示。界面左側包含實驗簡介、實驗目的、實驗原理和實驗安全提示，學生可以通過點擊相關內容進行預習，提前了解實驗的相關知識和注意事項。實驗安全提示模塊包含常見實驗安全圖標的認知和線下實驗安全風險提示等內容。實驗安全是實驗教學和科研工作的首要前提，尤其是發酵工程實驗潛在的安全風險較高。因此，實驗安全提示模塊旨在幫助學生牢固樹立“安全第一”的理念，掌握必要的安全知識和應急處理能力。

圖1“發酵制藥典型工藝”虛擬仿真實驗操作系統界面

界面中部是虛擬仿真實驗操作模塊，分為部件認識、預習考核、實操學習和實操考核四個模塊。

1）在部件認知模塊操作界面（圖2）中，將鼠標放在發酵罐及其附屬設備上，會出現相應的提示框，顯示該設備的名稱和用途，加深學生對發酵罐及其附屬設備的了解。

圖2部件認知模塊操作界面

2）在預習考核模塊中，設置了實驗相關的題目，學生完成所有題目后，點擊“確定”按鈕可以返回習題模塊查看做錯的題目。在做錯的題自中，正確答案會高亮顯示，以此幫助學生加深對理論知識的理解與掌握。學生完成部件認識和預習考核模塊后，方可進入實操學習模塊。

3）紅霉素連續發酵生產的實操學習模塊操作界面如圖3所示，該界面設計旨在通過虛擬仿真技術幫助學生熟悉實驗操作流程，并逐步掌握實驗技能。實操學習模塊操作界面的功能包括：

① 實驗室場景展示，界面以3D形式呈現紅霉素連續發酵生產的實驗室場景，包含發酵罐、離心機、pH計、滅菌設備、試劑瓶等所有必要的儀器設備和試劑，學生可以通過鼠標和鍵盤控制視野，自由旋轉、放大或縮小場景，全方位查看實驗室布局和設備細節；

② 實驗流程引導，界面右側列出實驗操作步驟，包括菌種培養、種子培養、種子罐和發酵罐的滅菌、接種、發酵過程控制和產物提取等，學生可以隨時參考流程列表，確保實驗操作的準確性和完整性；

③ 操作提示功能，界面左下角提供文字提示，指導學生下一步的操作內容，系統還會通過藍光高亮提示當前需要使用的試劑或儀器，幫助學生快速定位并完成操作，例如，當系統提示“在保藏的紅霉素鏈霉菌干粉管中加入1mL無菌水制成懸浮液”時，紅霉素鏈霉菌干粉管和移液器以藍光高亮顯示，學生只需點擊該試劑瓶即可完成操作；

④ 反復練習機制，學生可以隨時進入實操學習模塊進行練習，反復操作直至熟練掌握實驗步驟，這種設計有助于學生鞏固知識，提升操作熟練度。

圖3實操學習模塊操作界面

4）當學生熟練掌握實驗操作后，可以進入實操考核模塊。該模塊的設計旨在檢驗學生的實際操作能力，具有四個特點：

① 取消提示功能，考核模塊中，系統界面刪除了文字提示和藍光高亮提示，學生需要完全依靠記憶和理解獨立完成實驗操作；

② 時間限制，考核模塊設置了規定時間，學生需在規定時間內完成所有實驗步驟，如果超時未完成，系統將自動判定為未通過考核；

③ 考核結果反饋，如果學生未能通過考核，系統會提示其返回實操學習模塊繼續練習，學生可以根據考核中的薄弱環節進行針對性訓練，直至熟練掌握實驗操作；

④ 重復考核機制，學生可以多次進行考核，直到順利通過，每次考核的實驗步驟和順序可能會有所調整，以全面檢驗學生的操作能力。

虛擬仿真實驗訓練為學生提供了一個相對無風險的實驗環境，使他們能夠在實踐中深入理解理論知識。通過這種方式，學生不僅掌握了實驗的操作技巧，還培養了問題解決的能力和創新思維。與傳統實驗相比，虛擬仿真實驗能夠模擬更多復雜場景，幫助學生提前熟悉實驗流程，并增強他們的實踐能力。這種訓練方式激發了學生的探索興趣，并為他們日后的工作奠定了扎實的基礎，特別是在企業的生產和科研過程中，學生能夠將理論知識與實際應用相結合，解決實際問題。

3 結束語

發酵工程實驗作為相關專業的核心實驗課程，對實驗的工程性和完整性有著較高的要求。而傳統的實驗室教學模式因課時、空間和實驗資源的局限性往往側重基礎科學的驗證和研究，這在一定程度上限制了學生對整個藥物發酵生產流程的深入理解和應用能力。隨著科技的進步，虛擬仿真技術的引入為發酵工程實驗教學帶來了新的發展機遇。虛擬仿真實驗能夠克服傳統實驗教學中實驗資源有限的瓶頸，提供了一個高效、靈活的教學平臺。利用虛擬仿真技術，學生可以在無風險的環境中進行多樣化的實驗操作。此外，虛擬仿真技術還能夠將最新的科研成果轉化為教學資源，使學生接觸到更前沿的技術和實踐，為他們提供更廣闊的學習空間。

盡管虛擬仿真技術在實驗教學中具有一定的優勢，如能夠模擬復雜的實驗環境和操作流程，但其與真實的生產實踐仍存在差距。虛擬仿真實驗無法完全替代真實的實驗操作，尤其對于發酵工程這類高度依賴實操經驗的學科而言更是如此。例如，虛擬仿真技術難以模擬發酵過程中設備操作的細微差異和實際生產中的突發情況。因此，虛擬仿真技術只能作為實驗教學的輔助手段，而不能完全替代線下實驗。

未來，虛擬仿真技術在發酵工程實驗教學中的應用將進一步深化。通過結合大數據和人工智能的技術優勢，能夠實現更精準的實驗模擬和實時反饋，進一步提升教學的針對性和科學性，為培養具備實踐能力和創新精神的專業人才奠定堅實基礎。

4參考文獻

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