《生物分離工程》綜合性虛擬仿真實驗教學系統的建設與實踐

吳昊,胡永紅,呂浩,米利,賈紅華,吳菁嵐

1(南京工業大學 生物與制藥工程學院,江蘇 南京,211816) 2(南京工業大學 食品與輕工學院,江蘇 南京,211816)

生物煉制是利用可再生的生物基原料,生產各種化學品、燃料和生物基材料的過程,其中的分離提取過程是實現產品化的關鍵下游技術。《生物分離工程》是生物工程專業的核心課程[1],是連接生物技術、生物制藥和生物能源等專業方向的橋梁學科[2],也是食品、醫藥等專業的重要課程。其教學內容涵蓋十余類典型分離技術的原理、過程控制、分離材料與設備的設計與應用,體現了化工原理、微生物學、生物化學、物理化學乃至化工機械、材料工程等多個學科領域的交叉與綜合[3],兼有“科學”與“技術”的雙重特點。《生物分離工程》具有綜合性、實踐性、工程化三位一體的專業特色,如果在實踐教學中不能體現眾多知識點之間的有機聯系與學科交叉,就會造成知識碎片化,形成“學不能致用”的后果。因此,開展以實際體系提取目標產物為導向的生物分離工程全流程綜合性專業實驗教學,有助于促進學生將書本上的理論知識與實際應用相結合,對于“新工科”背景下培養復合型專業人才具有重要的現實意義。

基于現代信息技術的虛擬仿真實驗可將教學內容、虛擬設備和實驗對象有機地融合為一個整體,在參與者與虛擬仿真實驗系統的人機互動過程中不受課時、場地和實驗室條件的限制,具有可重復、可設計、低成本、高效率和零風險的優勢[4]。將虛擬仿真實驗教學融入專業課程體系建設可以發揮多重優勢：(1)有利于加強知識概念教學立體化呈現[5],提高理論課程與實驗課程的連貫性、銜接性;(2)有利于打破傳統教育的時空界限[6],推廣以學為主、以問題為導向、以任務為驅動的教學方式;(3)有利于將高水平科研成果和重大工程實踐轉化為教學內容[7],將工程理念與科學研究方法融入到實驗中,培養學生的工程實踐能力和創新意識。

進入21世紀后,發達國家的虛擬仿真實驗教學平臺已逐漸從離線式向在線網頁式轉變[8],并應用于生物工程相關課程中。如DOMINGUES等[9]在生物工程的教學中采用虛擬仿真實驗完成CTR反應器停留時間分布檢測、展現氧傳質系數與通氣速率及攪拌動力之間聯系。西班牙Granada大學開發了基于不同反應器模式的生物乙醇發酵過程虛擬仿真實驗并應用于生物反應動力學的教學中[10]。新西蘭奧克蘭大學和丹麥科技大學的實踐表明：開展發酵工程虛擬仿真實驗在線教學可以滿足教學需求,提升了學生的認知水平,降低了新冠疫情對教學的不利影響[11]。在我國推行“互聯網+”教學改革的大背景下,虛擬仿真實驗在微生物學實驗[12]、發酵工程[13]、酶工程[14]、生物制藥工藝學[15]、白酒釀造工藝學[16]等生物工程類專業課程的教學中也取得了顯著效果和良好的反響。

南京工業大學 《生物分離工程》課程組自2019年開始,依托本校的科研轉化成果,以工業尺度的典型生物農藥多抗菌素分離提取作為實驗對象,開發了在線式的生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統,并應用于本校的專業教學中。通過實踐,增強了學生對相關生物分離技術原理和相關規律的理解與掌握,使其對生物分離工程的應用乃至實際操控有了直觀的認識,啟發了對生物分離過程設計的思考,并為 《生物工程專業綜合實驗》和《專業實習》等相關課程的施教打下了良好基礎,起到了“以虛促實、虛實互補”的效果。為此,本文對生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗教學系統的構建與教學實踐進行了總結,希望能為生物技術領域推進工程教育“以學生為中心、產出導向、持續改進”的改革實踐提供參考。

1 傳統模式開展工業尺度生物分離工程綜合性專業實驗中存在的問題

綜合性實驗以實際工程問題為背景,是多門課程的有機結合,突出了各學科知識間的內在聯系,有利于培養學生的工程素質和實踐能力。但是在傳統實驗教學模式下開展工業尺度的生物分離工程綜合性專業實驗主要存在4大難題：

(1)現有排課方式難以開展全流程的生物分離工程綜合性實驗。生物技術產品的分離提取是將多種分離技術集成并形成環環相扣的完整分離路線,受產品穩定性、質量等因素的限制,整個分離過程不能隨便中止,有些甚至持續數天。傳統實驗教學的排課是分散式的,導致只能選取某個分離單元甚至是其中某個影響因素開展實驗,學生無法體驗分離過程上下游的配合銜接以及多種要素的影響規律。

(2)教學實驗難以提供大批量的真實分離原料與規模化的分離設備,不能體現真實體系的分離特性。生物轉化過程易受干擾,難以在短時間內為教學實驗預備大批合格原料。而真實體系中所含有的副產物、雜質,決定了其分離特性,這是人工模擬難以提供的。此外,小型實驗設備與現實應用中的規模化分離設備存在巨大差異,并不能展現相應的分離特性與操控過程,而教學單位難以提供價值不菲的規模化設備。

(3)由于存在安全風險,部分生物分離技術無法開展實驗教學。在某些分離提取過程中會涉及高溫、高壓、高速設備,或大量使用易燃、易爆、強腐蝕性甚至有毒的原輔材料,具有極大的安全風險。國內在中藥提取實驗教學中曾發生過多人受傷的爆燃事故。安監部門要求運行人員具備上崗操作資質證書,相關設備和場地必須通過專業審核,而這些是教學單位與師生難以提供的。

(4)現有實驗教學方式偏重模仿,難以發揮學生主觀能動性,不利于深入探究。傳統的教學實驗是由教師設計好實驗方案甚至固化分離參數,學生只能機械地被動執行。另一方面,真實的生物分離實驗過程難以在短時間內反復實施,不利于學生深入考察各種因素的影響規律,形成自己的認知。

由此可見,專業課綜合實驗的缺乏致使學生的動手操作能力、分析和解決實際工程問題的能力得不到應有的鍛煉。通過建設生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統解決以上問題,需要結合“新工科”建設需求,充分利用“互聯網+”教學模式的優勢,圍繞“高階性、創新性和挑戰度”的金課建設標準,體現“探索、設計、實踐三合一”的實驗理念。

2 生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統的設計與建設

2.1 虛擬仿真實驗對象的選擇

典型的生物分離過程按照先后順序可分為4大分離類型：預處理、產物粗分離、產物純化、產品精制[17],每個分離單元中又包含有若干分離技術。因此,建設生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統應選擇具有代表性的生物技術產品分離過程。近年來,虛擬仿真實驗教學項目產學研一體化的趨勢日益明顯,基于真實生產環境開發,呈現本行業先進的技術、工藝和系統,促進科教融合、產教融合,成為協同育人的重要途徑[18]。

多抗菌素又稱多抗霉素,屬于肽嘧啶核苷類抗生素,是一種防止植物病害的廣譜性生物農藥[19],有利于保護環境和食品安全。南京工業大學科研成果轉化的多抗菌素生產技術已投入批量生產,并取得了顯著的經濟與環境效益。從鏈霉菌發酵液中分離提取多抗菌素涉及菌體、雜質蛋白、色素、殘留底物、無機鹽、溶劑等典型雜質的脫除,并最終脫水形成固態產品,其分離過程涉及膜分離、萃取、吸附、過濾、蒸餾、干燥等典型生物分離技術,完全覆蓋四大分離類型,是一種具有代表性的生化產品分離過程。因此,選擇該產品的分離過程開發工業尺度的在線式生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗,以典型生物農藥多抗菌素的規模化分離提取(6 000 L規模的鏈霉菌發酵液)為實驗任務導向,可涵蓋分離技術、分離設備與過程控制相關的知識點,實現理論知識與應用實踐的融合。

2.2 虛擬仿真實驗的教學目標

通過開展工業尺度的鏈霉菌發酵液提取多抗菌素虛擬仿真實驗教學,使學生從感性認識與理性知識兩個層面深入領會《生物分離工程》的核心要義,達到以下教學目標：

(1)掌握相關分離技術(如膜分離、萃取、吸附等)的原理,通過探究影響相關分離效率的主要因素,熟悉工藝參數的選擇策略,領悟基于目標產品與雜質物性差異的生物分離路線設計思路。

(2)掌握工業尺度分離設備的選型、參數設置和過程控制方法(如膜分離設備、萃取設備、蒸發設備、過濾設備等),提升實踐操作能力。

(3)通過虛擬仿真實驗轉變《生物分離工程》的教學理念,將以書本上的理論知識為中心轉變為以解決實際問題的實踐為中心,將學分驅動轉變為任務驅動,改變灌輸式、模仿式的實驗教學方式,激發學生自主學習的主觀能動性與創新意識,培養利用所學專業知識解決實際工程問題的能力。

2.3 虛擬仿真實驗的設計

2.3.1 實驗模塊構成

根據教學目標與教學內容,將整個虛擬仿真實驗構成設計為：背景知識、單元實驗、綜合實驗和實驗反饋4個功能模塊(圖1)。

圖1 虛擬仿真實驗的模塊構成Fig.1 Modules of virtual simulation experiment

背景知識模塊用于引導學生學習多抗菌素分離的實驗背景、產品體系的特點與理化性質、相關分離技術的原理、設備選型方法等基礎知識,用于啟發學生的實驗思路。

按照“先探究后實踐”的循序遞進原則,將實驗分為單元實驗模塊和綜合實驗模塊,通過多媒體、模型仿真和數據交互形成逼真的人機互動實驗環境,兼顧科研素養與技能培養兩方面的需求。具體設計如下：

單元實驗模塊是按照先后次序將多抗菌素分離過程的主要核心知識點拆解成3個探究性的單元實驗(微濾預處理多抗菌素發酵液、逆流萃取分離多抗菌素、活性炭吸附純化多抗菌素和分離設備的模擬操作)和1個操作性的單元實驗(多種分離設備的模擬操作),相關實驗可不受限制地反復操作。通過探索多種因素與不同參數水平對分離效果的影響規律,為綜合實驗中自主設定分離參數提供依據;通過掌握典型分離設備的參數設置及開停車操作步驟,提升操作技能,確保綜合實驗的平穩運行。

綜合實驗模塊包括發酵液雜質篩分、產物純化直至獲取多抗菌素產品構成的全流程的完整生物分離過程。整個綜合實驗分為4個環節,每個環節中,系統會根據內置的基于真實實驗數據的分離模型運算并展示相關的階段性分離結果,便于使用者自我評估。在實驗交互中,各分離環節中不固化具體的分離參數,允許學生在一定范圍內自主設計、選擇,允許實驗失敗,允許改正錯誤,以此考察學生在分離方案設計、設備選型、參數設置、過程控制等方面的掌握情況。同時在實驗過程中設置異常狀態和安全隱患,根據學生的處置手段,利用仿真模型模擬出相應的處理效果,增強實驗的挑戰度,鍛煉其應變能力。

實驗反饋模塊是利用設置的響應點和數據采集技術,結合評分標準,通過系統生成相應的實驗報告,并提供相關的實驗數據,供學生分析反思。教師通過系統采集的實驗數據并輔以學生在系統中提交的心得體會,及時了解每個學生對相關知識的掌握情況,持續改進教學。

2.3.2 實驗考核標準

生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統對使用者的考核評價由3部分構成：(1)通過記錄學生在背景知識和單元實驗模塊中的活動軌跡,完成過程性評價(占實驗總評成績的30%)；(2)通過追蹤綜合實驗模塊中的個體交互操作響應與分離數據,系統自動形成實驗報告和實驗成績(占實驗總評成績60%)；(3)教師依據學生線上提交的實驗心得,了解學生對實驗的總結與反思并進行評價(占實驗總評成績的10%)。整個考核標準需要兼顧學生的知識技能、科學理念及主觀能動性。

在實驗成績的評價中,評分內容包括分離設計、過程控制、操作規范、分離效果、提取收率等5個方面。以產物粗分離環節的評分標準為例(表1),總計15項評價內容中,涉及分離設計3項、過程控制3項、操作規范4項、分離效果3項、提取收率2項。這種評價方式貼近真實的產品分離提取過程,有助于培養學生根據分離體系的特點選擇合適的工藝、設備、參數并

表1 產物粗分離環節的實驗成績評價標準Table 1 Evaluation criteria of the rough separation experiments

實施正確的操作步驟解決復雜工程問題的能力。

2.3.3 實驗軟件架構

整個仿真實驗的軟件系統分為4個層級(圖2),其中支撐層、仿真層和數據層位于服務器中,師生通過瀏覽器登錄實驗網頁,客戶端無需安裝專屬程序或插件。使用者通過網絡與系統進行數據交互,完成實驗并獲取相關信息。軟件開發采用Visual Studio為開發工具、采用HTML5語言標準。設備場景三維建模及動畫設計采用Unity3D、3D Studio Max、Animate CC、Adobe Flash。數據庫采用Mysql、SQL Server,操作系統為Windows Server。

圖2 虛擬仿真實驗的軟件架構Fig.2 Software architecture of virtual simulation experiment

2.4 虛擬仿真實驗的實施步驟與實驗方法

在學生已完成《生物化學》、《微生物學》、《化工原理》等課程和《生物分離工程》主要章節學習的基礎上,按照由淺入深、循序漸進的原則開展實驗教學,課時安排總計4學時,其實施過程由學、練、考、評4個部分構成(圖3)。

生物分離工程虛擬仿真實驗的實施方法如下：

(1)線下教學演示,翻轉課堂鞏固基礎知識

首先,教師在課堂上講解多抗菌素分離原理并演示實驗軟件的使用方法(1學時),隨后學生利用翻轉課堂的方式開展線上自學,通過瀏覽相應的背景知識模塊掌握相關的生物分離技術原理、影響因素、分離設備特性等專業知識,熟悉多抗菌素發酵液的組成及物性特征等背景要素。

圖3 虛擬仿真實驗的實施步驟Fig.3 Implementation steps of virtual simulation experiment

(2)通過單元實驗體會知識要點、啟發分離思路

當學生完成背景知識學習后,教師介紹并演示單元實驗的實施方法,隨后學生登錄進入單元實驗界面,在充分了解實驗目的、原理和實驗步驟的基礎上,基于控制變量法開展實驗(1.5學時)。學生還可以在課后登錄系統不受限制地重復實施單元實驗,反復探究相關的規律。以微濾分離發酵液單元實驗為例(圖4),實驗操作界面的右側設置了pH、膜組件類型、泵頻率(膜面循環流速)、操作壓力、膜污染處理方式等相關分離因素。在同一因素下,學生可選擇不同水平同時開展實驗,系統形成單元實驗報告并予以點評,便于學生掌握相關規律。單元實驗還提供虛擬設備仿真操作,提升操作技能。

(3)開展綜合實驗,培養解決生物分離工程實際問題的能力

a-單元實驗操作界面;b-單元實驗結果;c-單元實驗報告;d-虛擬設備仿真操作圖4 虛擬仿真實驗系統單元實驗操作Fig.4 Unit experiments of virtual simulation experiment system

當學生完成單元實驗后,可在教師設定的時間范圍內開展綜合實驗(1.5學時)。整個實驗分為發酵液預處理、產物粗分離、產物轉化及產品精制4個環節。學生首先了解相關的分離背景、實驗目的、原理、步驟,選擇相應的分離路線和分離設備,以仿真操作虛擬設備的方式設置各類分離參數,操作相關設備并對分離過程進行控制,解決異常工況,消除不利因素(圖5)。在實驗過程中可通過知識回顧功能獲取相關協助(如參數的計算方法、設備選型的原則),當操作發生嚴重錯誤,系統會以聲音、文字乃至事故動畫的形式予以警示,并提醒使用者重新實施操作。完成某一分離環節的實驗后,使用者根據顯示的階段性分離結果,判斷是否需要重做實驗,獲得的實驗數據將作為下一環節的初始數據,如此環環相扣。

a-儀表仿真操作界面;b-實驗過程監控界面;c-知識回顧提醒;d-階段性分離結果圖5 虛擬仿真實驗系統綜合實驗操作Fig.5 Comprehensive experiment of virtual simulation experiment system

(4)自動生成綜合實驗報告,提交實驗心得

學生在實驗過程的操作響應及其產生的相關結果均被軟件記錄采集。根據每個學生的單元實驗和綜合實驗記錄,系統自動生成相關的實驗報告,報告依據評分標準對相關響應和結果進行評價和打分,學生通過實驗報告評估實驗結果,歸納思考后提交實驗心得(圖6)。教師根據系統采集的相關數據和學生的反饋,通過即時通訊軟件有針對性地與學生開展在線輔導與討論,鞏固教學效果。

a-綜合實驗結果展示;b-學生提交的實驗心得圖6 虛擬仿真實驗系統的綜合實驗報告Fig.6 Comprehensive experiment report of virtual simulation experiment system

3 生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統的應用與成效

生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統(鏈霉菌發酵液提取多抗菌素虛擬仿真實驗教學)的單機版在2019年投入小范圍的教學測試,2020年獲得南京工業大學二級域名網址,用于提供免費線上實驗教學服務。2021年,該虛擬仿真實驗系統加入江蘇省高等學校虛擬仿真實驗教學共享平臺。該系統應用于南京工業大學生物工程、制藥工程專業的《生物分離工程》課程的實驗教學,累計完成680余人次的線上實驗考核,軟件運行平穩。目前,該實驗課程已入選江蘇省首批虛擬仿真實驗教學一流本科課程。

課程組在沒有增加《生物分離工程》課時的情況下,充分發揮線上線下混合教學的優勢,通過QQ群、超星學習通課程討論區等即時交流工具上傳操作說明書和教學引導視頻進行輔導,由學生自主開展為期一周的線上自學并進行單元實驗的探究。以制藥18級為例,89%的學生平均每天登錄學習不少于1次(圖7-a),學生這種高頻率的自主學習行為與過去傳統實驗教學中“心不在焉”的狀態形成了鮮明對比。1周后,學生攜帶筆記本電腦在課堂上進行線上綜合實驗考核,平均得分為82.3分。虛擬仿真實驗系統的滿意調查表明:78.8%受訪者表示滿意,18.2%的受訪者表示基本滿意(圖7-b)。

a-登陸使用次數統計;b-使用滿意度調查圖7 虛擬仿真實驗系統使用情況調查Fig.7 Investigation on the use of virtual simulation experiment system

表2顯示了學生對課程各項教學質量指標的評價得分,學生的使用感受歸納為4個方面：(1)實驗環境和操作過程逼真,甚至可呈現誤操作引發的安全事故,印象深刻;(2)實驗設計較好地將理論知識與產業應用結合起來,促進了自主思考,加深了對專業的認知,提高了技能;(3)在線式的仿真實驗可隨時學隨時做,節約了時間,提高了學習效率;(4)綜合性虛擬仿真實驗的實施,為之后完成生物工程專業實驗課程中的分離提取實操積累了經驗,虛擬設備的仿真操作加深了對專業實習中真實分離設備的認識。由此可見,生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統的建設與應用促進了學生能力與素養的提升,符合“新工科”背景下的專業教學和人才培養需求。

表2 課程各項教學質量指標評價Table 2 Evaluation of teaching quality indicators of the course

4 結論

南京工業大學《生物分離工程》課程組以培養學生解決生物分離工程實際問題能力為教學目標,依托“互聯網+”教學模式和科研轉化成果,緊扣“兩性一度”的金課標準,輔以精準的綜合評價系統,建設在線式生物分離工程綜合性虛擬仿真實驗系統并應用于教學。學生通過直觀的虛擬設備和仿真操作,探究分離規律,形成分離策略,自主設計分離參數,完成分離全過程。該虛擬仿真實驗教學系統可解決難以開展工業尺度生物分離工程綜合性實驗的難題,有助于師生教學互饋,促進復合型生物技術人才的培養。