計算機仿真技術在生物工程專業實踐教學中的應用

于貞++林劍++鞠寶++姜愛莉

摘 要 將計算機仿真技術引入生物工程專業實踐教學中來，通過仿真使學生在短時間內的操作水平大幅度提高，并在教師窗口進行人為干擾，讓學生通過調控主要參數使生產恢復正常；由學生自己根據教師提供的工藝參數設計實驗方案，并組織實施，通過自主解決實際發酵過程中出現的異常情況，提高學生分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞 計算機仿真；生物工程；實踐教學

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）14-0163-02

1 生物工程專業實踐教學現狀

生物工程專業是一個實踐性很強的應用型專業[1]，它對學生的科學水平、工程能力都有較高的要求。實踐教學在本科專業教學過程中具有重要的地位，它不僅能使學生學習生產技能，進一步鞏固和加深課堂理論知識，獲得實踐知識與技能，而且通過實踐，使學生提高了理論聯系實際及分析問題與解決問題的能力。因此，實踐教學是生物工程專業本科教學的重要組成部分。

實驗教學與生產實習是生物工程專業實踐教學的重要組成部分，是生物工程專業的實踐必修課[2]。傳統的實驗教學大都是課前由指導教師將實驗所需試劑、材料及實驗設備等準備工作做好，實驗課上在教師的指導下，學生按照既定的實驗步驟去完成整個實驗。在整個過程中，學生處于被動地位，只是機械地參與，由于學生所學理論知識與實踐還沒有很好地聯系起來，學生操作不熟練。這樣的實驗課如果課時少，就很難充分地調動學生的能動性。

生產實習是我國工科學生將三年的理論學習與生產實踐直接結合的主要環節。按照要求，學生應在各個生產崗位上頂崗實習三個星期。通過生產實習，學生“真刀實槍”地鍛煉，能使學生接受生產教育，親身體會理論知識與實際生產之間的差異，了解企業對人才的具體需求，從而在第四年的學習中更能積極主動，有的放矢。但隨著近幾年高校的不斷擴召，學生數量猛增，無論是實驗教學還是生產實習，都難以滿足實踐教學的要求。一方面，以前一人一套的儀器設備變成現在的一組一套，在實驗時間相同的情況下，學生練習操作的時間有不同程度的縮短；另一方面，現代企業大都是大型連續化生產，要求生產過程連續穩定，而生產實習本身會干擾企業的正常生產秩序。

為了解決這樣的矛盾，許多企業建立了參觀走廊供實習的學生參觀，學生的生產實習就只能看不能動，一點兒動手的機會也沒有了。在目前的“加強基礎理論教育、拓寬知識口徑”的指導思想下，這一矛盾更為突出。由于缺乏實操機會，生物工程專業畢業的學生對于工藝理論有一定的了解，而對于實際生產工藝缺乏正確的理解，學生學的知識與生產實際脫節嚴重，動手能力也差，難以適應工作崗位，企業又不得不對學生進行上崗前的培訓，這樣就又增加了企業的用人成本。為了使培養的畢業生能夠更好地適應社會的需求，必須對實踐教學內容進行革新，以適應新的形勢要求。

2 生物工程專業實踐教學改革

為了使學生真正地在實踐中得到鍛煉，將理論與實踐相結合，對生物工程專業的實踐環節進行系統的教學改革，在工程化、系統化思路的指導下，把工業生產融合到計算機仿真和實驗室規模生產中，提出新的實踐教學思想。

在學生生產實習環節，引入計算機仿真技術 近十年來，過程仿真技術在操作技能訓練方面的應用在全世界許多國家得到普及。這種仿真系統能逼真地模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故狀態的現象，它沒有危險性，能節省費用，大大縮短培訓時間，成為許多企業考核操作工人取得上崗資格的必要手段[3]。因而通過一套與現場生產裝置非常相似的實習仿真教學系統，使學生不出校門就能了解實際生產工藝和設備，通過對仿真系統的反復操作，使學生對生產實際有了很好的認識，而親自動手使學生鍛煉并提高了專業應用技能，從而將所學專業知識與生產實際緊密結合在一起，極大地提高了學生生產實習的興趣和能動性。

為此，課題組深入到生產一線進行認真調研，選取了典型的有代表性的生產過程，開發仿真軟件。其中，谷氨酸發酵生產是先對淀粉原料進行糊化、糖化處理再進行后發酵的典型的細菌好氧發酵；檸檬酸發酵是典型的霉菌好氧發酵，并且在發酵過程中具有邊發酵邊糖化的特點；啤酒生產過程是典型的酵母厭氧發酵過程。目前酒精的雙效精餾在節能方面有了很大的改進，因而研發了具有自主知識產權的谷氨酸、檸檬酸和啤酒發酵生產及酒精的雙效精餾仿真軟件，并把它們應用到生產實習中去，學生連續兩個周上機模擬，使學生在短期內的操作水平得到大幅度提高；最后一周帶領學生到相關企業進行實地參觀考察，將仿真系統中的生產設備、各種調節生產的裝置（如調節器、調節閥、管路連接）的布局等實物化，并通過對所參觀企業的控制室和各種設備的控制面板的考察，使學生對仿真軟件中集散型計算機控制系統等也有了進一步的感性認識。這不僅解決了企業連續性穩定生產與學生生產實習的矛盾，也解決了學校的經費困難問題。

籌建與工業生產過程相同的實驗室規模的生產線 計算機仿真軟件只是包含了主要的工藝過程，還有一些具體的操作沒法在計算機上體現出來，比如原料的預處理、物料的混合、糖化終點的判斷以及菌種的活化、擴培、接種、取樣等。為了讓學生有上崗實操的機會，選擇兩個典型產品的生產過程即啤酒與味精的生產，在實驗室籌建兩個小的生產車間，其生產過程完全與工業化生產過程相同。這樣在進行專業實驗時，學生就能夠從生產原料的預處理、培養基的制備、發酵罐的滅菌及菌種的活化、擴培、接種及對發酵過程中各工藝參數的控制、產品的分離提取等各個環節進行實際操作，使學生能真正地將理論與實踐技能結合在一起，較好地達到生產實習的目的。

將仿真與實驗結合，提高學生綜合素質 將生物工程專業的生產實習時間與專業綜合實驗時間實行無縫銜接，為了提高學生分析問題、解決問題的能力，在仿真環節學生操作熟練后，通過教師窗口人為設置干擾，讓學生根據主要參數的變化采取必要的措施使主要參數回到正常范圍以內，以增強學生的工程化意識。

在實驗室規模專業綜合實驗谷氨酸發酵和啤酒發酵過程中，教師不再是實驗準備的主要人員，生產前的準備工作，如計算、藥品的稱量、實驗原料的準備、試劑的配置以及菌種的活化、擴培等，均由學生自主完成，教師負責及時糾正學生操作不當之處。整個生產的實施過程在指導教師給出的參數及計算機仿真的基礎上由學生自主制定，和指導教師討論完善后具體實施。學生按照具體制訂的實驗方案實施，對仿真軟件中所涉及的主要工藝參數進行實時監控，并對生產過程的是否正常做出評判。一旦出現異常，首先根據仿真軟件的實踐經驗和前期測定的數據，提出自己的調整方案，同指導教師討論后對相關操作和參數進行調整，直至生產恢復正常。

3 生物工程專業實踐教學改革的現實意義和實踐效果

將計算機仿真技術引入生物工程專業實踐教學當中來，使學生能夠更好地獲得實踐方面的鍛煉，也解決了學校實習經費嚴重不足的困難。

通過利用完全與生產過程相同的發酵生產仿真軟件，不但使學生對實際生產過程有了更好的認識，而且通過反復操作，在不干擾企業正常生產的前提下，提高了學生的動手能力。同時，利用仿真軟件強化學生對各種干擾的處理和應變訓練，使學生對實際生產過程中出現的異常問題，能夠提出較為合理的處置方案，提高了學生分析問題和解決問題的能力，達到既強化學生工程意識，又提高學生綜合素質的要求。

通過以上改革，在目前實踐教學資源嚴重不足的情況下，使學生能夠更好地獲得實踐方面的鍛煉，提高動手能力和專業應用技能，加強學生對工業生產的認識，強化工程化的概念。對于提高學生的實際操作能力、理論聯系實際能力、分析問題解決問題能力有著顯著的推動作用。隨著上述實踐教學體系的不斷提高和完善，對于生物工程專業整體教學水平的提高也必將具有重要意義。

參考文獻

[1]康小虎，田永強，謝放，等.生物工程專業實踐教學改革探討[J].實驗科學與技術，2011，9（5）：86-87.

[2]王光彥.現行大學教師績效評價制度的反思與改革[J].中國高等教育，2009（8）：20-23.

[3]趙剛.化工仿真實訓指導[M].北京：化學工業出版社，

2001：1-2.endprint