生物藥物制備技術虛擬實驗教學平臺的構建初探*

◆彭昕 范三微 許麗麗 何軍邀

作者：彭昕，浙江醫藥高等專科學校講師，主要從事生物制藥技術專業課程教學；范三微、許麗麗、何軍邀，浙江醫藥高等專科學校生物制藥教研室（315100）。

生物制藥技術是在藥學、生物技術、制藥工程學等學科基礎上發展起來的新興交叉學科。本專業主要培養從事生物藥物生產制備、分析檢驗和質量控制、設備養護和市場營銷等工作的高級應用性人才。由于生物技術的特殊性（高技術、高風險、高回報），對學生扎實過硬的綜合實踐技能功底和研究及創新能力的訓練顯得尤為重要。

生物藥物制備技術是生物制藥技術專業最重要的專業主干課程，該課程教學內容廣泛，涉及發酵工程、基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程等多方面。傳統實踐教學手段受到場地、儀器和設備等各方面 教學資源的限制，遠不能滿足教學需要。

教育部《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》（教高〔2006〕16號文件）的出臺，標志著高等職業教育的工作重點從抓規模擴張轉向內涵建設。文件中強調“要充分利用現代信息 技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗”，虛擬實驗室平臺的建設成為高等職業院校提高實踐教學質量，加強內涵建設的重要部分[1]。

近年來虛擬現實技術的研究越來越引起關注，但在藥學相關課程中的應用少有報道，尤其是高職高專院校開展虛擬實驗室教學的報道更為少見。浙江醫藥高等專科學校生物制藥技術經過13年的建設，于2010年成為中央財政支持的職業教育實訓示范基地，并在該專業主干課程——生物藥物制備技術的實驗實訓教學中全面開展了項目模塊化教學，構建了該課程實踐教學多媒體資源庫[2]。為進一步提高該課程的實踐教學質量，本文對生物藥物制備技術虛擬實驗教學平臺的構建做了初步探討。

1 生物藥物制備技術實踐教學面臨的問題

浙江醫藥高等專科學校生物制藥技術專業目前已建設成為浙江省特色專業、寧波市重點專業。作為專業核心課程，生物藥物質量檢測技術和生物藥物制備技術兩門課程分別是省級和校級精品課程，并建有課程教學資源共享網站。雖然取得一定的成績，但在教學中仍然存在一些突出的問題。

1）生物藥物制備技術實驗所需儀器設備較多，如微生物或動植物細胞培養系統、蛋白層析系統以及一些大型精密儀器如定量PCR儀、紅外光譜儀、質譜儀、原子吸收光譜儀等，需要操作者具有熟練的操作技能。實踐課上通常是教師對儀器的介紹和簡單的操作演示，導致學生對儀器的認識及其操作了解膚淺，走上工作崗位后基本不能直接操作。雖然實訓車間已購入中試規模的發酵罐，但由于各方面限制，目前只讓學生做到空消的步驟，沒有實際進行菌種培養的工作。下游分離純化的實訓項目因為考慮到需要使用大量易燃易爆易揮發的有機溶劑，存在較大的環境污染和安全隱患，目前也僅開設了一些小試規模的蛋白質鹽析、層析等小實驗項目。

2）生物工程及組織細胞培養方面的實驗大多非常耗時，往往需多天甚至更長，并且需要超純級的實驗試劑，有些試劑具有一定的毒性、放射性，并因環境污染而不具有可行性。這使得實驗項目非常有限，即便是開設了的實驗，由于實驗儀器和試劑昂貴也不可能讓學生重復實驗，造成學生實踐技能和經驗掌握不足。

3）近幾年隨著招生規模擴大，實驗室硬件建設滯后。學生人均設備臺套數相對減少，實驗時經常是分組完成實驗，造成一人實驗多人觀摩的局面，學生實際鍛煉的機會少。且因為一般一個實驗教師要同時指導20個左右的學生，學生操作有錯誤時不一定能即時發現，影響了教學效果。

2 生物藥物制備技術虛擬實驗教學平臺的構建

虛擬實驗平臺的特點及發展現狀 虛擬實驗室是基于Web技術、虛擬現實技術構建的開放式虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化。實驗者借助其軟件系統可完成各種預定的實驗項目。虛擬實驗室具有低成本、高安全、高效率、長效性、開放性、共享性等優點，可以增強學生學習的主動性，取得較好的教學效果，是一種建構主義理論倡導的“以學生為中心”的拋錨式教學策略和隨機進行學習的教學方式。

虛擬實驗室是由美國的William Wolf教授首次提出的。美國十分重視虛擬實驗室的研究與開發，在該領域的研究已處于領先地位，如Model ChemLab是一款面向中學和大學的、交互性很強的普通化學實驗室，學生可以進行酸堿滴定等化學實驗。另外，生物領域中的“虛擬青蛙解剖”實驗教學也是一例[3]。

在我國，虛擬實驗室的建設也得到了較大的重視，清華大學、華中理工大學、復旦大學等高校走在了前列。上海等地多所電大也在積極籌建遠程實驗室，作為突破遠程教育中實驗教學局限的全新嘗試，如基于VRML的機械設計虛擬實驗系統、基于VR ML的工程圖學虛擬實驗室、基于VRML的動物解剖虛擬實驗系統等[4]。總體上我國虛擬實驗系統的開發和應用尚處于初級階段，本科院校的建設速度快，而高職院校發展緩慢。

生物藥物制備技術虛擬實驗平臺的總體設計

1）技術選取。

①Java技術。Java是一種使網頁 由靜態轉為動態的軟件編程語言，其自動內存管理和下標檢查機制具有較強的穩定性和安全性，對于構建網絡虛擬實驗平臺而言是至關重要的特性。另外，Java3D也是目前構建三維實體的主要方法之一[5]。Java的跨平臺特性迎合了網絡計算機的思想，它 還是一個動態代碼系 統，用Java語 言開發的交互動畫具有可視化、可聽化、可操作化的特性，非常有利于虛擬實驗室的構建[1]。

②Flash技術。網絡視頻播放器基本是以Flash技術實現，Flash技術所具備的強大功能足以保證虛擬實驗室功能的實現。實驗資源用Flash動畫模擬實現，按照實驗流程將所 需的實驗器材放入主場景中，再利用Flash內置 的腳本語 言ActionScript實現三維實驗場景中虛擬實驗器材的點擊、拖拽等交互操作，營造出真實性強的虛擬實驗環境[6]。

另外，采用Dreamweaver設計網頁，Photoshop處理圖形圖像，Adobe Premiere處理數字視頻課件，Access創建數據庫。

2）模塊設計。虛擬實驗平臺主體功能模塊分為課堂教學輔助模塊、學生仿真練習模塊、實踐仿真考核模塊。

①課堂教學輔助模塊包括儀器子模塊（主要介紹冷凍離心機、PCR儀、蛋白層析系統、高效液相、酶標儀等常用儀器及一些大型精密儀器如基因測序儀、流式細胞儀、核磁共振儀等的原理、操作規程、注意事項、保管養護等）、企業生產實況子模塊、第二課堂及交流園地子模塊等。

②學生仿真練習模塊包括基本實驗項目子模塊及綜合實訓項目子模塊，走訪生物制藥企業了解企業產品結構、相關崗位對專業技能方面的需求，同時結合國家職業標準及企業員工技術培訓的共性需求，完善現有實驗實訓項目，設計一系列連貫的、開放性、綜合性實驗實訓項目。基本實驗項目子模塊中主要安排一些細胞培養、生物大分子含量測定以及電泳、鹽析、層析等基本生化技術項目。綜合實訓項目子模塊則安排一些生物制藥工藝綜合技能實訓項目，如青霉素發酵、重組人胰島素生產、酶法合成阿莫西林。以實際的生產線為基礎，對實際需要的生產設備及場景進行模擬，讓學生能夠對涉及到的設備進行仿真操作，真正了解生產線流程、工藝以及生產設備的操作與維 護。

③實踐仿真考核模塊主要包括仿真操 作考核、半自動實驗報告及在線測試系統。實驗過程中系統會給出操作正確與否的反饋，當實驗完成后，會出現顯示分數的界面并顯示實驗者本次操作成績。實驗者網上可隨時提交實驗成績，還可以通過不斷重復以掌握實驗的重點和過程。在線測試可根據每個實驗設計不同的試題，通過在線考核及時反饋教學效果。

3 結語

總之，虛擬實驗作為傳統實驗教學的補充，是當今實踐教學改革的發展趨勢。生物藥物制備技術虛擬實驗教學平臺突破了傳統教學手段，立足于專業核心技能，將虛擬網絡技術和傳統實驗技術進行整 合，為學生提供獨立或協作完成操作的仿真實驗學習環境，極大地調動學生的學習積極性，培養了學生解決問題和自主創新的能力。

[1]許元朋.高等職業院校虛擬實驗室平臺設計[J].科技信息,2011(31):105-106.

[2]彭昕,何軍邀,許麗麗.高職“項目化”教學模式下《生物藥物制備技術》課程實踐教學資源庫的建設與應用研究[J].中國教育技術裝備,2012(33):26-28.

[3]陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢[J].中國現代教育裝備,2010(17):107-109.

[4]肖崳,沈娟,楊勝.計算機網絡虛擬實驗系統在教學中的應用探析[J].科技信 息,2011(31):20-21.

[5]張紅軍,吳志剛.VRML與JAVA在網絡虛擬實驗中應用[J].實驗室研究與探索,2006,25(9):1081-1085.

[6]張玉山,張麟飛,關偉雄,等.基因工程實驗教學改革的實踐探索[J].實驗科學與技術2011,9(2):94-96.