虛擬仿真技術在發酵工程制藥實踐教學中的應用

羅方

[摘? ? ? ? ? ?要]? 發酵工程制藥是生物制藥專業的核心課程，其內容豐富、涉及面廣，同時與生產實際密切聯系。虛擬仿真技術是利用電腦創造虛擬環境來模擬真實環境，并可以利用虛擬環境模仿真實環境中的操作和運行的新型實驗模式，可以消除實體實驗時間和空間的限制，降低實驗成本。總結生物制藥專業實踐教學中存在的問題，并以生物制藥仿真系統為例，對發酵工程制藥實踐教學中引入仿真系統的教學方式進行探討。

[關? ? 鍵? ?詞]? 發酵工程制藥;虛擬仿真技術;教學改革

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）01-0090-02

發酵工程制藥是生物制藥專業的核心課程，課程內容豐富，涉及微生物、生物化學、生物制藥設備、生化分離技術等內容，同時它又是一門應用性和實踐性較強的課程。提高學生實踐能力是實現高職高專培養應用型技術人才目標的重點[1]，特別是對于制藥專業的學生來說，由于企業推行藥品生產質量管理（簡稱GMP）認證，從業標準高，這就對制藥類專業的實踐教學提出了更高的要求[2]。為了培養學生對發酵制藥原理的理解和掌握，提高實驗操作的能力，一般在實驗室進行小試操作的基礎上還要進實訓車間進行中試或生產性試驗。由于發酵實訓車間建設、維護和運行費用高昂，使中試及生產性實踐教學無法大規模開展。多媒體教學法通過提供圖片及視頻在一定程度上提高了學生對真實車間的了解，但無法身臨其境，難以有代入感。因此，將沉浸感強、交互性好的虛擬仿真教學系統引入實踐教學中，可最大程度展示制藥車間的生產流程，提高設備的操作感，激發學生的學習熱情，從而增強實踐教學的教學效果[3，4]。

一、發酵制藥實踐教學的特點

發酵工程制藥是利用微生物或動植物細胞的生命活動而獲得特定藥物的技術過程，是現代生物制藥技術得以實現的主要方法。發酵工程制藥主要包括上游工程（優良菌株的選育、發酵條件的確定、培養基的選擇和制備），中游工程（最適發酵條件的確定）和下游工程（活性物質的分離提取）。

實踐教學是培養應用型技術人才的重要環節，傳統的發酵實踐教學主要分為小試階段（普通實驗室內進行），中試和生產性實踐階段（實訓車間內進行）。小試階段所需的普通實驗室數量多，所需設備體積較小且較為經濟，能滿足大部分學生的實驗要求，提高學生的基礎操作能力。但普通實驗室環境并不滿足GMP要求，并與真實的工業制藥車間差距大，難以培養學生GMP素養。中試和生產性實踐一般在GMP車間內進行，所需發酵相關設備往往占地面積較大，價格昂貴，涉及的設備結構和連接管路復雜;發酵的方法生產藥品的生產周期一般較長，需要幾天甚至十幾天才能最終完成;滅菌過程需要在高溫高壓條件下進行，有一定的危險性。建立GMP實訓車間不僅初期投資成本高，建成后的維護成本亦遠高于普通實驗室。一般高校難以實現建設標準制藥GMP實訓車間，即使建有實訓車間，每種設備也最多只有1～3套。目前我國正處于高職教育擴招階段，一般采用大班教學，一班人數多達幾十人，只有少數學生具有動手操作的機會。若減少每批實訓學生的數量，可以增加每位學生設備使用的概率。但由于同一專業的學生通常為幾百人，減少每批上課學生的數量意味著需要更長的周轉時間和更多的指導教師，難以適合目前專業教師較少的現狀。實訓過程中還涉及大量原材料、水電、消毒用品等成本的消耗，生產出來的藥品不能后續使用，需要報廢處理，這些原因均阻礙了GMP實訓車間的建設和使用。

二、虛擬仿真系統的應用

（一）虛擬仿真教學的優點

隨著現代教育技術的飛速發展，網絡技術等各種先進的信息技術越來越多地應用到教育教學中，新的技術帶來了新的教育方式和手段[5]。隨著計算機虛擬技術的快速發展，仿真技術已逐步應用于實踐教學中。仿真技術是利用電腦創造虛擬環境來模擬真實環境，并可以利用虛擬環境模仿真實環境中的操作和運行[6]。我校使用了生物制藥仿真系統，該平臺中基于企業生產的虛擬仿真場景和生產流程，將發酵制藥工藝流程和設備原理等學科知識進行合理分解，歸納為各個單元操作。學生可以按照各個子模塊學習，又可以把各個子模塊串起來形成整體的操作流程，消除了傳統實訓教學中只能選擇幾個重點設備進行單元性操作，無法體驗完整的藥品生產過程的問題。

（二）仿真系統在發酵工程制藥課程中的應用

通過我院引入的生物制藥仿真軟件實例，探討了仿真系統的教學方式對發酵工程制藥實踐教學的影響。發酵工程制藥課程實踐設計內容框架如下圖所示，主要由實驗室教學和仿真教學兩部分組成。實驗室教學中主要培養學生課程相關的基礎操作訓練和無菌意識。虛擬仿真系統以天冬酰胺酶的發酵工藝為主線，包括知識庫、單元實訓模塊分類和操作、考核模塊。

在知識庫中，主要介紹了天冬酰胺酶的發酵工藝流程，學生可了解完整的產品工藝生產流程，理解各生產崗位的工作內容;還提供了GMP車間的整體結構和設備分布，提高學生的沉浸感，激發學生的學習興趣。除此之外，還通過視頻文件介紹了發酵工藝中所涉及的核心設備的使用原理、使用方法及主要崗位設置等。單元實訓模塊提供車間內各種虛擬制藥設備的仿真實訓操作，工藝分成多個單元模塊，包括菌種培養、種子培養、種子罐空消和實消、種子罐接種、種子罐培養等，學生可以在掌握整體生產工藝的技術上進一步深入單元操作。進入操作頁面后，可以進行對設備的選擇和移動，并能通過對管道閥門的控制，對發酵過程中的溫度、pH值、進料和出料等各參數進行控制，最后完成單元目標。考核模塊又分為單元實訓模塊考核和理論知識考核。指導教師可以利用實訓模塊了解學生仿真實訓的效果。理論知識考核點可以由教師自行設計自行導入，一般為與實訓工藝流程、設備原理和標準操作方法、涉及的試劑相關的內容。經考核后學生的成績可以由office文件形式導出并存檔。

通過對門冬酰胺酶發酵工廠實物設備的仿真模擬，使學生掌握該工藝的設計原理、車間環境、相關設備、參數控制等有了更為深入的了解。雖然仿真教學具有界面直觀、操作方便、安全性高、無損耗、無操作次數限制等特點，能節約大量的教育成本，但是，仿真教學不能完全取代實物操作，因為在真實操作環境中，學生接觸到的信息遠大于仿真系統提供的內容。舉例來說，如對培養基的配制過程中學生可以真實地感受到培養基的顏色、黏度及滅菌前后的色澤變化，而在仿真系統操作時卻無法感知。進一步來說，仿真系統不會提示操作不當產生的后果，如操作不當造成發酵污染雜菌，高溫高壓滅菌可能出現管路炸裂等意外事故。在實踐中僅安排仿真教學容易導致學生對實際操作的風險認識不足，更重要的是會削弱學生分析和解決實際問題的能力。

為了提高發酵工程制藥實踐教學的教學效果，可以開放實驗室。由于虛擬仿真教學系統打破了傳統實驗室教學時間的限制，可以通過采取在整個課程期間對學生全天候開放機房，這樣學生就可以根據自己的需要隨時進行仿真軟件的實驗操作，方便其自主的預習或學習復習課程。提供開放實驗室可以最大程度地發揮教學資源利用率，提高學生學習自主性，提供學生實踐條件。

三、結語

基于企業生產和GMP車間的虛擬仿真場景的實踐教學仿真軟件在發酵工程制藥課程中的應用，可以節省學校的資金投入，節約教室空間占有率;實現實驗技能訓練和仿真設備的交互，提高學生對真實企業生產的了解。通過后臺修改，使仿真內容與國家要求和現實生產技術同步更新。通過仿真技術和發酵工程制藥實踐教學結合，加強了課程與生產實際的聯系，增強了課程的學習趣味性和學生的學習積極性，從而使實踐教學更適合于新時期高素質應用型人才的培養。

參考文獻：

[1]汪天友.應用型人才培養與高校教學改革問題探究[J]. 高教學刊，2017（6）.

[2]朱夢蓉.GMP認證后制藥企業質量改進的持續性研究[J].科技進步與對策，2017（11）：156-159.

[3]項朝陽，賀昉，段丹萍，等.基于Quest 3D的仿真制藥實訓系統的設計與實現[J].中國職業技術教育，2013（5）：77-82.

[4]梁蕊芳，徐龍，翁鴻珍，等.仿真技術在發酵工程教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2012（11）：15-18.

[5]顧昊，孫智杰.李勤.生物學虛實結合實驗教學模式探索與研究[J].實驗室研究與探索，2016，35（4）：108-110，120.

[6]常雅寧，彭鈺珂，魏東芝，等.虛擬仿真技術在酶工程實驗教學上的應用[J].實驗室研究與探索，2019（2）：243-245，250.

編輯 陳鮮艷