生物制藥工程虛擬實驗平臺建設與教學應用

文玲，段廣新，曾劍峰

1.蘇州大學附屬第一醫院放射科，江蘇蘇州 215000；2.蘇州大學放射醫學與防護學院，江蘇蘇州 215123

生物制藥工程是一門多學科交叉融合的專業，該專業將生命醫學、生物技術、藥物、生物化學、工程學等多個學科融合， 解決藥物生產過程中技術難題的同時，培養具有多學科優勢的生物制藥工程人才[1-2]。隨著生物醫藥產業的不斷進步，生物制藥工程對專業技術人員的需求越來越迫切[3]，同時網絡應用技術的飛速發展，迫使傳統的生物制藥工程轉型。 目前，我國生物醫藥行業相關的基礎研究已達國際前沿水平，而下游的生物醫藥技術及產業化則相對落后[4]。大多數高校培養實驗型人才，往往采取傳統的實驗教學模式， 這種方式在教學內容、教學實踐上的不足很大程度上限制了人才的培養，進而阻礙生物醫藥技術水平的提升[5]。 為積極響應國家“互聯網+”戰略及教育部新工科建設，蘇州大學積極推進教育教學改革，推動產學合作協同育人。 通過建設生物制藥工程虛擬教學實驗平臺，不僅可以彌補傳統實驗教學的缺點，還能夠借助多種功能模塊豐富教學，更好地培養相關專業技術型人才[6]。

1 傳統實驗教學的不足

生物制藥工程是極具實踐性的一門學科，實驗教學更是培養專業技術型人才的重要一環。但有些高校的實驗場地、設備等不能滿足相關實驗的要求，這使得很多實驗無法在學校實驗室進行，學生的實際操作能力難以得到明顯提升。制約傳統實驗教學的原因主要有以下幾個方面。

①實驗條件方面：對于實驗的開展，大多數學校實驗室場地和硬件設施不能滿足特殊實驗的要求，使得部分實驗教學僅局限于理論層面，學生的實踐操作能力無法得到明顯提升。部分實驗還會涉及一些復雜且有潛在危險的步驟， 若學生稍有操作不當就會造成嚴重后果。為了確保學生的生命安全， 此類實驗很少在實驗室開展，學生也因此失去相關實驗實際學習的機會。 對于實驗后的處理， 有些生物制藥實驗涉及產物的分離和提取，若采取有機溶劑萃取的方法，不可避免地會產生廢液，意味著實驗室還需要考慮廢液的處理，一定程度上限制了實驗的進行。

②實驗成本方面： 有些生物實驗試劑難以保存、易失活；有些生物實驗試劑有劇毒，需要專業的防毒防護面具；有些生物實驗需要高純度的試劑，價格昂貴且購買周期長，這些都限制了學生進行生物實驗的機會。另外，有些生物實驗還需要一些高精尖的儀器設備，這類儀器設備價格高昂，且部分體積龐大，需要占用足夠的實驗空間，限于經濟成本及空間成本，多數學校的高精尖儀器設備有限，一定程度上限制了學生實驗能力的培養。

③實驗時間方面：對于時間成本，有限的教學時程制約了部分生物制藥實驗的正常進行，例如，紅霉素發酵實驗，紅霉素鏈霉菌生長周期為7～9 d、菌種活化階段需要3 周、種子培養需要2 周、發酵培養需要2 周，完整的實驗操作周期很長[7]，而傳統實驗教學模式無法投入實現該實驗的時間成本，給相關實驗的進行帶來了障礙。

2 生物制藥工程虛擬實驗平臺建設構想

生物制藥工程是生物制藥專業學生需要掌握的基礎知識，同時也是進入企業從事生物制藥相關工作的必需技能。 通過建設生物制藥工程虛擬實驗平臺，不僅可以彌補生物制藥工程學科實操性不足的缺點，還可以更好地培養相關技術型人才[8]。

2.1 虛擬仿真實驗平臺設計要素

虛擬仿真實驗憑借其獨特優勢彌補傳統實驗的眾多不足，對于虛擬仿真實驗平臺設計應滿足以下幾個要素。

①虛擬仿真實驗應具有“真實性”，虛擬仿真實驗的實驗器材應根據實際的實驗器材等比例放縮，能夠還原實驗的真實場所。學生都將通過虛擬仿真實驗平臺較為真切地感受實驗整個過程所用的儀器，從而確保實地操作熟練進行。

②虛擬仿真實驗應實現人機交互[9-10]。 虛擬仿真實驗技術是利用虛擬系統模仿真實實驗的技術。學生可以利用自己的電子設備，通過鼠標點擊等方式來完成實驗操作。另外虛擬實驗平臺能夠對學生的操作步驟及規范性做出判斷，實現學生高效學習。 同時平臺還可以根據學生操作反饋生成評價體系， 使學生可以及時了解自己的學習進度及效果，有效提高學生自主學習的主觀能動性。

③虛擬仿真實驗應具有記憶儲備功能。歷史操作記錄的儲存便于學生隨時調取學習。軟件可以根據學生每一次的學習操作生成個性化總結，幫助學生鞏固之前的實驗操作、加深學習，同時能夠對應總結，設計相應的測試題目以達到查缺補漏的目的。

2.2 虛擬仿真實驗設計模塊

為適應教學與學習需要，虛擬仿真實驗平臺涵蓋了實驗學習的整個流程， 實驗前先讓學生打好理論基礎，再利用虛擬仿真實驗平臺進行相關的實驗操作。 因此，虛擬仿真實驗平臺具體共分3 個模塊。

①理論知識模塊。 為增強學習者的操作代入感、提高學習效率， 虛擬仿真實驗平臺將帶有理論知識模塊。學生可以在實驗前自主學習相關理論知識，對實驗的整個過程進行初步了解，清楚知悉實驗的注意事項，在實驗開始前首先知道如何確保實驗安全。 另外，在此模塊添加相關理論學習的測試， 題目圍繞實驗安全操作、實驗步驟排序等，在正式實驗開始前，通過這種檢測方式，很大程度上可以幫助學生掌握基礎理論與實驗規范。

②實驗操作模塊。實驗操作模塊包括實驗儀器和實驗操作。實驗儀器方面，此模塊將利用現代技術實現3D展示。 首先對實物進行全景拍攝，然后根據拍攝圖片進行畫圖繪制，盡量做到還原，清晰地描繪出各個實驗器材的主體和附屬結構，實現儀器的三維旋轉展示。 學生可以通過點擊相關部件，獲取其名稱和使用方法，同時還可以將整個儀器上的單獨元件拖出，單個元件仍然可以進行360°操作， 供熟悉每一個零部件的具體結構，滿足學生的學習需要。 該模塊通過還原實驗儀器實物，讓學生在立體空間上了解相關設備，從而更好地結合書本的理論部分，掌握儀器的基本使用方法并探索儀器的運行原理。

實驗操作模塊是利用虛擬仿真實驗平臺進行微生物分離、種子培養、發酵培養和產物分離等相關生物制藥實驗操作， 每一個主實驗又分為數個單元操作模塊。具體的操作模式包含兩部分，即練習模式和測驗模式。

在練習模式里， 系統會對每一步操作做出簡要概括，學生可以按照系統的指示完成相關操作，對于不理解的操作指示，通過點擊操作指示框，系統即會跳轉至相關操作的理論部分。

在測驗模式里，系統不予以相關操作指示，待學生完成整個操作選擇后， 系統會對學生的選擇作出判斷，并根據錯誤選擇自動生成操作反饋，從而學生能夠及時認識并改正自己的錯誤操作。

③互動討論模塊。互動討論模塊包括操作互動和師生討論。 操作互動方面，學生可以邀請系統內好友進行虛擬實驗合作，每一步操作兩人都需操作正確，系統才會跳轉至下一步驟，同時在互動模式中，學生可選擇開啟語音權限，實現互動過程中的實時交流。

師生討論方面，每一個實驗操作模塊都設有對應的答疑區，學生可以將自己在實驗學習中的疑問分享至此區，教師或其他的學生均能對其問題作出答復。 通過互動答疑的方式，學生能夠加深對相關實驗內容的理解。

2.3 虛擬實驗平臺應用于教學設計

實驗教學可以利用虛擬實驗平臺實現“虛實結合”雙重教學， 根據學生需要層次不同開設不同等級的平臺，包括基礎教學平臺、專業研究平臺、探索實驗平臺。

①基礎教學平臺。基礎教學平臺主要針對初次學習相關內容的學生，該平臺可以廣泛應用于教學前、教學中以及教學后。

教學前，學生首先通過瀏覽課本的方式初步了解所學內容，然后借助虛擬仿真實驗平臺的理論模塊，加深對知識的掌握，同時完成自主檢測。在此階段，教師首先通過現有的線上教學平臺發布預習任務，其次借助虛擬實驗平臺掌握學生的學習進度，最后利用線上教育平臺發布相關信息，從而起到督促學生的作用。

教學中， 教師首先給學生講解相關實驗的理論部分，講解時借助虛擬仿真實驗平臺的實驗操作模塊向學生演示相關實驗步驟，其次在實驗室開展教學時，教師需針對真實實驗與虛擬實驗不同的部分著重強調，包括實驗儀器和操作步驟的差異。實驗室的教學對于學生的學習起著十分重要的作用， 仿真實驗雖具有多種優勢，但無法完全替代實驗室教學。由于在真實操作技術環境中，學生面臨的情況要遠比虛擬平臺上的復雜，現實實驗相比于虛擬實驗更加鍛煉學生的各方面能力。 例如，在培養基的制備過程中，學生可以真實地感受到滅菌前后培養基的顏色、黏度等變化，但在虛擬仿真實驗平臺中卻感受不到[11]。 最后在實驗室教學中，學生可以根據出現的情況進行討論交流，同時教師也能夠及時解答學生在實驗過程中遇到的問題。

教學后，學生能夠使用虛擬仿真實驗平臺進行自主復習。 選擇進入平臺實驗操作的“測驗模式”，學生可以測試自己相關實驗的掌握程度，同時系統會將學生答題情況同步到教師端，有助于教師合理設計教學內容。 另外，學校應定時開放實驗室，提供學生自主學習和鞏固的機會。

②專業研究平臺。專業研究平臺主要針對需要深入研究相關內容的學生，該平臺則應用于實驗研究開展前以及研究進行中。

在實驗研究開展前，學生可以利用虛擬仿真平臺的理論知識模塊，了解與研究內容相關的整體框架，為即將進行的實驗研究提供合理的思考方向。對于需要深入研究的部分， 虛擬仿真平臺則通過互聯網檢索知網、萬方等數據庫公開的相關文章，學生能夠借助平臺下載相關文章進行閱讀。 此外，學生能夠借助虛擬仿真平臺中的實驗操作模塊， 自主學習與研究內容相關的實驗操作，提高正式實驗研究的效率。

在研究進行中， 學生會遇到相關理論或實驗問題，此時能夠利用虛擬仿真平臺理論知識模塊檢索與之有關的文章，拓寬自己的理論認知，還可以在相應的實驗研究討論區中分享自己的困惑，與相關領域的同學老師交流，有助于實驗研究的正常推進。

③探索實驗平臺。探索實驗平臺主要針對在相關領域研究有一定成果且想繼續探索的學生，該平臺則應用于發現問題。

對于探索實驗，虛擬仿真平臺的實驗操作模塊提供無限次的操作，學生可以在不斷操作中發現有待研究的問題，進而針對其進行真實實驗，同時查閱相關領域的文章，最終找到一個可行的探索方向。此外，學生能夠在相關實驗操作的討論區發表自己的想法，與對該內容感興趣的同學老師交流，有助于打開自己的思維，提出更好的觀點。

在不斷使用虛擬平臺探索實驗的過程中，學生還可以發現平臺部分模塊的不足之處，通過合適的途徑對其進行反饋，有助于虛擬仿真平臺的更新完善。

3 虛擬平臺應用于教學的思考

基于筆者對多個虛擬仿真實驗平臺的使用，對于其應用于教學，筆者有以下的思考和建議：①部分虛擬仿真實驗平臺的理論知識較為片面。在使用平臺的理論模塊進行學習時，筆者發現很多書本上的重點內容在虛擬仿真實驗平臺并沒有涉及， 如果單純在平臺上進行學習，會造成重點知識的遺漏。 虛擬仿真實驗平臺應不斷完善實驗理論知識的導入，這就要求使用者在虛擬仿真實驗平臺學習時，及時反饋所發現的漏洞，從而不斷地補充相關內容。

②虛擬仿真實驗平臺部分操作欠缺真實性，存在誤導學生的可能。 學校可以聯合企業相關技術人員，共同參與對虛擬仿真實驗平臺上相關實驗步驟的設置和評估，確保實驗步驟的準確性和真實性。另外，學校可以聯合軟件設計的技術公司針對虛擬仿真實驗平臺的實驗操作步驟進行優化，增強操作過程的真實感，以提高學生使用的體驗感。

③缺少對虛擬仿真實驗平臺的宣傳及使用講解，一定程度上降低了學生使用的頻次。如果只是提供學生虛擬仿真實驗平臺，不具體講解和示范如何使用虛擬仿真實驗平臺，學生使用的積極性會大大降低。 老師應在實驗教學的過程中應多結合虛擬仿真實驗平臺，通過在平臺布置學習任務的方式增加學生的使用頻次，從而起到督促學生學習的作用。

隨著現代科技的不斷進步，數字化教學不斷深入每一所高校，教學已經不再局限于一支粉筆、一個黑板和一間教室。針對這種數字化教學趨勢，筆者有以下建議：

①線上教學軟件大多都具備正常教學的各種功能，但不可避免地會出現畫面缺損、聲音斷續等問題[12]。因此需要相關的技術人員研究改進各項功能，不斷地更新完善線上教學APP。

②在實際線上APP 教學的過程中， 由于教師對于軟件的使用方法不夠熟悉， 線上教學的效果總差強人意。因此需要學校聯合有關軟件的技術人員給教師提供專業的培訓，從而進一步提高教師的線上教學能力。

③對于部分學生來說，線上教學會增加其學習的惰性[13]。 相比于線下學習，線上學習的方式無法提供教室學習的環境，失去這種環境的約束，部分學生的學習效率會降低，基于這種不足，筆者認為可以聯合線上教學開發帶有獎勵機制的監督系統，通過增設線上環境的約束，一定程度上提高學生的學習效率。

從筆者的角度來看，無論是虛擬仿真實驗平臺的建設還是線上教學的各種途徑，虛擬化的教學平臺對于人才培養有很好的引導作用，如何將其切實應用于學習和教學是學生和教育工作者未來共同努力的方向。