虛擬仿真實驗室建設在生物工藝學實驗課程改革上的應用

王曉丹 羅小葉 邱樹毅

[摘 要]虛擬仿真實驗室具有高仿真、智能化、能夠開展危險實驗、直觀性強的特點，將虛擬仿真實驗室建設應用于生物工藝學實驗的課程改革上具有突破性的意義。采用虛擬仿真技術建設生物工藝學實驗室是目前全國生物工程及相關專業教學發展的趨勢，在今后的大學理論教育、實踐教學及畢業設計教學中起到關鍵的作用。

[關鍵詞]虛擬仿真；教學；本科生；應用

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）08-0079-03

生物工程專業設置生物工藝學是為了將理論知識上升到實踐層次。生物工藝學的實驗教學是本科教育一級學科輕工技術與工程學科下的重要組成部分，包括開展教學實踐的綜合性實驗（啤酒、黃酒、食醋釀造技術，檸檬酸、氨基酸、抗生素、色素的發酵技術），培養技術型人才的開放性實驗（甜酒釀、豆腐乳、酸奶的制作及城市生活污水的處理）。目前設計實驗內容的目的是培養學生的實踐能力與創新能力，一般采用教師先用PPT講解實驗步驟、學生在實驗室進行小型模擬實驗的教學模式，將全套生產工藝模擬實驗進行分割。受到時間、場地、設備、操作方式等多種限制因素的影響，學生只能夠在特定的時間和教室內，利用不充分的設備結合學校的硬件條件完成簡單的實驗操作，學生對于生產工藝無法完全貫通理解，操作能力并不能得到系統的培養。

虛擬仿真實驗是利用計算機多媒體及軟件系統模擬現實工藝流程及操作關鍵控制點、虛擬現實等多種信息化手段，實現虛擬平臺下的實驗教學。其優點如下：1.不受場地和時間限制，可以按照正常教學實踐安排完成實驗模擬操作；2.學生可以形象地看到整個工藝流程和全套生產設備；3.可以單獨對某一工藝環節進行控制和操作，像實際生產操作一樣，對操作步驟的管理有系統性；4.減少學校對設備、原料、場地等資金的投入。高校創建生物工藝學實驗課教學虛擬仿真實驗室能夠為學生提供更多的實驗機會，培養學生的動手操作能力與創新能力，提升學生的專業知識與綜合素質[1]。

一、虛擬仿真實驗室的簡介

（一）虛擬仿真實驗室[2]

虛擬仿真實驗室建設應該立足于三個基本問題——創意、創新、教育。虛擬仿真實驗室的建設目標是探究虛擬空間的教育價值以及這類學習是否有用于創新和科學技能的提高，讓高校教師、工程師及其他對虛擬活動感興趣的人們受益。此外，還能推動“虛擬創客”對教育的服務，讓教育市場涵養“虛擬創客”的理想和創意。

本科教學的重要環節就是培養復合型合格人才，使其能夠通過綜合型實驗將理論知識與操作方法相融合。旨在培養學生的綜合實踐能力，使其理解掌握理論知識，并對學生在實踐中發現技術問題、進行工藝分析和解決現場問題的能力進行培養。這都可以通過虛擬仿真實驗教學這一重要實踐性教學環節來實現。虛擬實驗室教學在培養大學生的實踐操作分析能力、開展工藝提升研究、創新創造思維和考察新事物等方面與其他教學方法相比有著不可替代的獨特作用。

虛擬仿真實驗室包括數字化設計平臺、數字化工藝平臺、數字化網絡化制造平臺以及數字化生產管理平臺，具有統一數據源的設計、工藝、生產一體化流程，做到無紙化、數字化的生產過程管理。可以將企業項目新產品工藝設計、操作關鍵、生產流程體現出來，集中培訓師資力量，固化成企業化實訓項目。

（二）虛擬仿真實驗室的特點[3]

虛擬仿真實驗室通過演示讓學生能直觀地了解、分析、控制工藝過程中存在的問題。如在2016級生物工程專業學生開展啤酒釀造技術課虛擬仿真教學實驗過程中，學生均表現出濃厚的學習興趣和積極性。這是因為虛擬仿真實驗室具有技術含量髙、仿真髙度強以及與教材聯系緊密等特點。

首先，其具有高仿真的特點。在啤酒釀造技術課實驗過程中，實驗室提供了全套虛擬仿真啤酒生產設備，其仿真度很高。在實驗過程中，學生不僅能了解啤酒釀造的完整工藝流程，還能進行模擬實驗，并且效果較好，便于學生準確操作及觀察實驗現象。

其次，操作具有智能化的特點。對于啤酒發酵實驗過程中的一些重要步驟，系統能夠進行下一個環節的提醒，在物料配比、酵母的添加量、溫度控制、壓力控制、發酵時間、冷卻過濾、水循環處理等方面幫助學生進行自主學習和操作，培養學生的自主意識和鍛煉學生的自主能力。

第三，能夠開展危險實驗。在虛擬仿真實驗室中，由于實驗過程是虛擬的，對于危險性高的一些實驗可進行操作，而且在操作的過程中還可對實驗具體過程和步驟進行展示。如溫度過高等錯誤的操作行為，相對應的虛擬仿真實驗室可根據錯誤模擬出其導致的結果，并展現在學生的面前，讓學生意識到實驗一旦操作失誤所導致的危險后果，進而增強學生規范操作的意識。

第四，其具有直觀性的特點。在傳統的啤酒釀造技術課的實驗教學中存在諸多抽象槪念，這給學生的理解帶來了一定的困難。在虛擬仿真實驗教學過程中采用動畫演示的方式，能使抽象生澀的概念直觀地展現在學生眼前，從而極大地避免了傳統實驗教學中存在的弊端。

（三）虛擬仿真實驗室建設對生物工藝學實驗課程的意義[4]

傳統的生物工藝學實驗教學對于設備、場地、時間等要求較高，實驗經費投入大，這也在一定程度上限制了本科教學實驗課程的開展。而虛擬仿真實驗是結合食品加工工藝與現代虛擬仿真技術的一種新興的教學模式，其本科教學環節中有效地解決了高校在實驗設備、場地、時間等方面的問題，彌補了生產實踐教學環節中的不足，極大促進了生產實踐教學水平的提升。因此，將傳統生產實踐教學與虛擬仿真技術有效地結合在一起，為本科教學中的生產實踐教學做出了突出貢獻，為高校的教育事業發展起到積極的推動作用；將虛擬仿真技術應用于高校生產實踐教學中，有效地解決了傳統實驗室空間和時間不足對教學開展的局限，在提高實踐教學質量和改革實踐教學模式等方面有著極其重要的意義。

二、生物工藝學實驗課

生物工程專業學生的培養具有較強的實踐性。作為我國國重點發展的高新技術專業，該專業主要培養的是生物工程領域的高級工程技術人才，課程建設的重點立足于生物工藝學實驗課程，實踐環節在生物工程專業本科教學過程中占有極其重要的地位。貴州大學釀酒與食品工程學院的生物工藝學實驗在幾年前就已獨立設課，單獨考核。在學生培養上，切實加強了學生基礎的學習、綜合素養的提升、科學發展的融合。在這幾年的發展歷程中，不斷地完善與理論課程配套的實驗內容，并建立健全實驗室管理體系，結合學生實際情況與當代食品行業的發展來開展教學實驗課程，讓學生的實踐能力與分析問題能力有了極大提高，學院也在教學過程中積累了豐富的經驗，取得了良好的教學效果[5]。

（一）生物工藝學實驗課程的教學內容及特點

當前國內關于生物工藝學實驗的教材種類少，實驗內容繁雜。應在學科培養上與實驗內容進行有效配置和安排，編寫實驗講義。將實驗內容設置為液態培養實驗、固態培養實驗、厭氧發酵實驗、環境微生物工程實驗、微生物產品中試生產實驗等模塊。每個模塊實驗內容又可劃分為幾個實驗，比如液態培養實驗分為分批培養實驗和流加培養實驗等，微生物產品中試生產實驗分為酶制劑生產和抗生素生產等，環境微生物工程實驗分為活性污泥處理生活污水和污染物微生物降解實驗等。實驗課程內容涵蓋了生物工藝學課程的幾大教學內容，使得實驗課程設置既符合教學大綱的要求，又順應時代的發展。生物工藝學是將生物技術原理應用到生產部門中而形成多學科知識的一門課程，是在科學實驗和生產實踐中發展起來的新型學科，具有較強的實驗性和實踐性。隨著生物工藝學的迅速發展，知識快速更新，其越來越受到各行各業的重視[6]。生物工藝學實驗課程是貴州大學釀酒與食品工程學院生物工程、釀酒工程等專業的必修課程。生物工藝學與生物工藝學實驗是生物工程、釀酒工程等專業重要的專業課程之一。其重點是使學生能夠掌握微生物培養、產物代謝的分離提純、代謝產物鑒定、微生物菌種改良等實驗操作的理論基礎，能夠熟悉微生物培養與生化實驗儀器的使用操作方法，培養符合現代化生產需要的專業性人才。

三、虛擬仿真實驗室對生物工藝學實驗課程上的應用實例

（一）生物工藝學實驗課傳統授課方式[7]

傳統的生物工藝學實驗主要是對理論知識的驗證，教學模式為以小組為單位，使用統一的實驗指導書，實驗明確地提出了詳細的實驗目的、實驗內容、實驗儀器設備等，具體實驗步驟都是教師提前擬定的，試驗指導教師還會提前講述實驗原理和有關注意事項并做實驗的具體示范。此外實驗項目設置單一，以理論驗證為主。實驗過程中學生只需重復教師示范的步驟就可以得到結果，這限制了學生的獨立思考與自由發揮。

在這種教學模式下，學生體會不到實驗趣味，不愿意主動進行課前預習，課堂上只會按照實驗指導書進行機械模仿，無法分析與解決實驗過程中出現的問題，對實驗缺乏主動性，實驗結束后，撰寫實驗報告敷衍了事、相互抄襲。

（二）虛擬仿真實驗室在生物工藝學實驗課中的授課方式[8]

生物工藝學實驗課教學信息的基本材料單元分為實驗文本素材、實驗圖像類素材、實驗音頻類素材、虛擬仿真實驗過程動畫類素材等幾大類；在教學中會根據實驗中的具體內容和課堂上學生表現編制相應的習題和思考題；對生物工藝學、生物工藝學實驗課程中出現的知識可根據平臺劃分為網絡版課件和單機版課件以便于教師授課；依托現有的理論基礎針對具體實驗以及虛擬仿真實驗中的問題給出全面解答。虛擬仿真實驗還配有網絡課程，網絡課程是通過網絡表現的某門學科的教學內容及實施的教學活動的總和，這使得學生上課時間更加靈活，課后也可重復觀看網絡課程來復習和鞏固所學內容。

（三）虛擬仿真實驗室建設在生物工藝學實驗課程改革上的重大突破[9]

生物工程、釀酒工程專業的課程體系是以生物工藝學實驗課程理論為基礎，以生物工藝學實驗課為教學核心，以生物工藝學實驗課程為學習目標的，其發展前景是以生物工藝市場為導向的綜合性復合知識體系。近些年來，不少高校都采用了虛擬仿真實驗教學，而虛擬仿真實驗的優勢也在教學過程當中漸漸得到了體現。

四、結束語

隨著信息時代的到來，伴隨著計算機網絡技術的發展，生物工藝學實驗課也因為現代科技的運用而有了全新的改變。虛擬仿真實驗室技術既是一種挑戰，也是一種機遇。它打破了傳統實驗中拘泥于地點因素、時間因素、經費因素、安全因素的現狀，可以隨時隨地開展實驗教學，且過程簡單，教學質量和教學提升效率都非常高。應用虛擬仿真技術建設實驗室是實驗室建設的發展趨勢，在實踐教學中勢必會發揮出越來越大的作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張晴晴，陳先帥，喻明軍，等.創建中藥提取與分離虛擬仿真實驗室的思考和建議[J].科學大眾：科學教育，2017（2）：188+192.

[2] 徐煒瑋，趙中華.虛擬仿真實驗室建設的研究與探索[J].信息記錄材料，2017（6）：86-88.

[3] 劉瓊，何潔凝，關冠恒，等.虛擬仿真實驗室對教學的作用研究[J].中國教育學刊，2015（S2）：318-319.

[4] 徐志超，宋韌，曹瑜.論高校虛擬仿真實驗室的建設[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2017（10）：125-126.

[5] 劉宇鵬，沈永紅，楊生玉.生物工藝學實驗課程改革的研究與實踐[J].科技信息，2012（29）：33.

[6] 尹亮，龐啟華，黃儒強，等.生物工藝學實驗教學研究探索[J].廣東化工，2014（14）：231+223

[7] 王娣，許暉，王永斌，等.基于工程化思想的《生物工藝學》實驗教學改革探討[J].廣州化工，2014（22）：195-196.

[8] 郭潤蘭，康艷萍，楊東亞，等.機械原理虛擬仿真實驗室資源共享平臺建設[J].實驗室研究與探索，2017（6）：108-110.

[9] 馬海軍，焦紅茹.葡萄酒虛擬仿真實驗室建設的幾點思考[J].科技資訊，2017（26）：11-12.

[責任編輯 劉鳳華]