虛實結合構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、生物制藥等專業的主干實驗課程之一，旨在通過實驗操作鞏固學生生物制藥工藝理論知識、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。在生物制藥工藝實驗中引入虛擬仿真實驗教學、構建虛實結合的實驗課程體系，可以突破傳統實驗受場地、時間、安全等條件的限制，豐富了實驗教學內容，有益于提高學生的工程能力和工程素養。

關鍵詞：專業特色 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》是國內高校生物工程專業或方向的主干實驗課程之一。通過本課程的學習，學生能夠理解和掌握生物制藥工藝的基礎知識、基本理論，掌握常見生化藥物的制備方法、技術和工藝，了解和熟悉生物制藥實際工廠的基本操作和工藝過程，掌握生產和應用的基本工藝和原理，使學生初步具有開發和研究生化藥物的基本能力，滿足社會對生物工程專業人才的需求。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的生物制藥工藝實驗多數限于實驗室水平的驗證性、綜合性和設計型實驗，而對于學生的綜合工程能力的培養方面效果不夠理想[1]。

二、虛實結合構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，我校生物工程專業采用虛實結合方法對實驗項目體系進行了優化[2]。

1.真實基礎實驗項目體系

為了培養學生在生物制藥方面的實際動手能力，真實實驗中設計了溶菌酶結晶的制備及活力測定、四環素的定向發酵及其效價測定以及硫酸軟骨素的制備等三個實驗項目，其中溶菌酶結晶的制備及活力測定實驗項目包含溶菌酶粗結晶的制備、 溶菌酶的初步純化及重結晶、溶菌酶活力和蛋白質含量的測定等三個子實驗。四環素的定向發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、四環素的定向發酵、四環素效價測定等三個子實驗[3]。

2.虛擬仿真實訓項目體系

為了使學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了原料藥如維生素C微生物發酵制藥工藝虛擬仿真實訓項目。本項目以實際生產的維生素C工藝為藍本，基于virtools三維虛擬現實技術平臺構建，在計算機屏幕上，逼真再現了真實生物制藥生產的操作場景與生產裝置，精準地再現了生物制藥生產廠中的無菌操作、種子培養、接種、發酵、工藝控制等各個工序中的重點生產設備，如發酵罐、種子罐等，實時模擬真實發酵生產過程與現象，仿真模擬了藥廠生產的全部更衣和操作過程及各個崗位的技術操作[4]。

三、虛實結合的生物制藥工藝綜合實驗課程體系的優勢

仿真實訓教學是基于虛擬現實技術所生成的虛擬仿真工廠，依據真實化工廠的相關理論和實踐操作規程在虛擬仿真工廠中進行相應操作、驗證和運行。在實踐教學中，以實際應用為目的，強調關鍵步驟和注意事項，使學生在實踐教學中能將理論知識應用到實踐環節中。在實訓過程的每一個環節由教師和系統指導，發現問題并及時修正。教學活動以學生為主體，這就有利于學生掌握知識同時將所學的知識運用到工藝參數的調節和分析中。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備等的依賴性，可不受實驗條件、實驗次數和生物安全等的限制，給學生提供一個便捷安全的學習環境。學生模擬真實實驗操作，使學生能夠清楚地認識實驗的關鍵部分，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，對周圍的環境也是一種很好的保護。通過模塊和程序實現三維動態全景漫游與動態實時交互設計，擁有熟悉單元設備與生產裝置、生產工藝流程與參數、虛擬生產過程反饋跟蹤考核等多項實訓功能，使學生在實踐教學中能將理論知識應用到實踐環節中。在實訓過程的每一個環節由教師和系統指導，發現問題并及時修正。以學生為主體，有利于學生掌握知識同時將所學的知識運用到工藝參數的調節和分析中，可以提高實驗教學效果，提高實驗教學質量的有效手段。傳統教學中專業表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要教師在實驗前再次強調。實驗完成后，由于受主客觀條件限制，一般難以重復實驗，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生實驗前有針對性地體驗整個操作過程，為進入實驗室進行實際操作奠定基礎;可以讓學生進行無限制性、多次的模擬實驗，甚至可以根據學生的意愿選擇性調節實驗進程，從而使學生看到傳統實驗條件下容易忽略的細節，加深對知識點的理解，是較好的鞏固與復習的手段;打破了時間與空間的限制，能提高學生的學習效率，增強學習效果[5]。

四、應用效果

學生通過虛實結合構建的生物制藥工藝綜合實驗體系，既學習和實踐蛋白類藥物、多糖類藥物、抗生素類藥物的生物制藥技術和工藝，又通過虛擬仿真實訓了解和熟悉實際制藥工廠和車間的基本布局、基本操作，使學生在生物制藥工藝領域綜合實驗技術得到了較好的訓練，提高了學生的獨立操作能力，激發了學生的學習和研究興趣。

虛擬仿真實訓項目實施效果尤為突出，主要體現在：（1）創造與實際環境相似度非常高的環境，有利于學生快速學習。依托虛擬仿真、人機交互技術建立起來的虛擬體驗系統，可以逼真的模擬生產環境和工藝流程。高度逼真的體驗環境，使得學生能夠獲得生動直觀的感性認識，增進對抽象原理的理解。（2）彌補傳統實習的不足。傳統的生產實習和認識實習過程，學生在工廠中只能看，不能動的缺點，而在3D虛擬現實生產實習仿真操作中，學生可通過設備操作、閥門操作、儀表監控來模擬真實生產操作過程，并能根據儀表反饋數值及趨勢曲線及時調整閥門開度，通過人機交互生產合格產品。在3D虛擬現實認識實習仿真操作中，學生可了解工藝、設備、安全等知識，最終實現學生對工藝操作、裝置的全面認識。（3）增加安全可靠性。虛擬仿真系統使得體驗過程不再帶來人身傷害和環境危害，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行重復，強化知識過程。

結語

構建虛實結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，構建高度仿真的虛擬現實化工廠的環境和裝置對象，學生在虛擬環境中開展實訓，達到教學大綱所要求的教學效果，克服實際工程實訓只能看、不能動的缺點，同時提供可靠、安全和經濟的實習實訓項目。虛實結合的實驗體系不僅提高了學生的實驗技術水平、增強了對生物制藥工藝基礎知識和理論的理解，同時還拓展了學生的工程實踐能力，大大提高了學生的培養質量，更能滿足社會對生物制藥人才的需求。

參考文獻

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

[2]曾柏全，徐剛標，姚躍飛，等.生物制藥工藝學實驗教學體系改革[J].研究中南林業科技大學學報（社會科學版）2010，4（4）：144-145.

[3]郭軍紅，崔錦峰，楊保平.新工科背景下虛實結合虛擬仿真實驗項目的建設[J].實驗技術與管理，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項目建設的新視角化工高等教育，2019，（5）：76-79.

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