“發酵工程”課程“理論—仿真—實操”教學體系研究

摘要：“發酵工程”是生物制藥專業開設的一門實踐性較強的必修課程。發揮仿真實驗教學的鏈接作用，“理論—仿真—實操”的教學體系實現了理論與實踐的有機融合。教學成效分析顯示，該教學體系增強了學生的學習興趣，提高了學生對理論知識的理解能力和應用實踐能力，促進了課程目標的達成。

關鍵詞：發酵工程;虛擬仿真實驗;虛實結合;“理論—仿真—實操”教學體系

中圖分類號：G712" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1672-5727（2024）02-0081-06

一、引言

發酵工程是利用微生物的某些特定功能，采用現代工程技術手段生產對人類有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術，作為生物工程的重要組成部分，在社會經濟中的作用日益顯著^[1-3]。國內諸多高等院校在生物工程、生物制藥等專業中開設“發酵工程”課程，并將其作為核心課程。“發酵工程”課程以“菌種選育→發酵生產→分離純化→產物”為主線^[4]，以傳統的微生物或動植物細胞發酵為例，結合生物學、工程學內容，旨在幫助學生把握發酵工程相關原理，熟知發酵工業流程，熟練技術應用，了解發酵工程相關前沿知識，樹立工程意識及經濟觀念，提高實踐創新能力，從而提高應用型、創新型人才的質量。

然而，多數院校受實踐條件所限，只能以傳統教學模式（理論教學、線下實驗室實操教學）進行授課^[5]。這種理論加實操的教學模式有利于學生加深對理論知識的理解及動手能力的提高。但是，基于發酵工程學科特點，傳統教學模式存在一定的局限性^[6-9]，限制了理論與實操相結合教學模式的教學效果。首先，教師在課堂講授工作原理復雜的工藝和設備時，如發酵罐系統等，只能對照教材進行講解，學生難以運用理論聯系實際的方法去解決操作過程中遇到的問題。這對提高學生學習主動性、創新性收效甚微。其次，理論教學之后直接實操，部分學生操作不熟練、不規范，極易造成設備損壞，甚至發生高溫蒸汽燙傷等情況，存在較高的安全風險^[10]。再者，由于實驗設備和試驗場地匱乏、課時有限等因素，傳統發酵工程實驗通常以分散的單元操作或簡單的認識實習來開展，學生很難系統了解發酵工藝的所有環節，無法實踐真實的發酵過程控制，實踐技能難以夯實。總之，“發酵工程”課程理論教學后直接進行實驗操作，不能完全發揮出“理論指導實踐，實踐豐富理論”的作用，是提升教學效果的瓶頸所在。

隨著互聯網信息化和多媒體的快速發展，虛擬仿真技術逐漸進入高校實驗課堂，其可操作性強、直觀性強、危險性小等特點，為實踐創新人才的培養提供了契機^[11-15]。為滿足當前高校對大學生工程素質教育的需求，進一步提高“理論—實操”教學模式的教學效果，我校在課堂理論教學和實驗室實操教學中引入虛擬仿真技術，充分發揮其鏈接作用，構建“理論—仿真—實操”的教學體系。該教學體系破解了場地和學時的限制，規范了學生的操作，提升了實驗場地的安全系數，而且讓學生對發酵過程控制的認識更為直觀，更容易理解與掌握發酵工程相關原理與技術。

二、“發酵工程”課程“理論—仿真—實操”教學體系的構建

發酵工程是整個生物工程的核心，是一門注重應用實踐的工程學科。在“發酵工程”課程中，微生物的培養、發酵生產及發酵產物的提取精制等是重要內容。但是，受時間、實驗場地、安全環保等條件的制約，學生難以系統掌握發酵工藝流程，實踐技能掌握不扎實，缺乏對發酵過程控制環節有效且真實的實踐，難以內化運用，也難以激發學生對發酵工程應用探究的主動性^[16]。因此，我校以虛實結合的發酵工程實驗為主題，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，以“典型生物藥物——青霉素的生產線”為例，運用虛擬仿真技術，發揮其鏈接作用，將虛擬仿真實驗與理論教學、實驗室實踐教學相結合，從教學模式設計、課程考核評價及教學成效分析三方面，構建“理論—仿真—實操”的教學體系（見圖1）。

三、“發酵工程”課程“理論—仿真—實操”教學模式的設計

“發酵工程”課程以發酵產品的典型生產過程為主線，以菌種選育和過程優化放大為重點，旨在使學生具備從事發酵工業所需的菌種生產、設備使用和發酵過程控制等方面的理論知識和操作技術，強化無菌操作的意識，提高學生分析解決實際問題的能力。課程教學主要由課堂理論教學、虛擬仿真教學和實驗室實操教學三部分組成。教學方法上，堅持案例教學，采用歸納法與演繹法相結合的方法。通過歸納法加深學生對基本概念的理解，提高分析解決問題的能力;通過演繹法，啟迪學生的創新思維，培養學生的創新意識和能力。

（一）理論教學

課堂理論教學選擇韋革宏主編的《發酵工程》（第二版）作為學生用教材。參考教材包括曹軍衛主編的《微生物工程》、陳堅主編的《發酵工程原理與技術》等。教學內容上突出生物制藥專業的特點，一方面，講述發酵工程學科的理論知識，另一方面，介紹典型產品的發酵生產。理論講授時，教師鼓勵學生以典型案例分析形式參與理論講解，提高學生分析和解決問題的能力;教師組織參觀見習、師生座談會等活動拉近理論知識與具體對象、教與學之間的距離;學生通過自己查閱資料、制作PPT等方式培養學習熱情。

（二）虛擬仿真教學

虛擬仿真教學內容既包括發酵設備的結構及功能，發酵工藝的基本流程等理論知識，也包括青霉素的生產過程，生產單元和生產裝置的開車、停車和事故處理等實驗操作^[17]，同時還涵蓋了考核環節（線上基礎知識考核和實踐技能考核）。

發酵罐的內部構造、管道閥門設置等理論知識，皆可以3D模型呈現（見圖2），并輔以動畫、視頻等多媒體教學，使學生能更為直觀深刻地掌握相關理論知識。

虛擬仿真實驗教學以典型生物藥物——青霉素的生產線為工藝模板（見圖3），主要包括生物藥物發酵工藝中菌種選育、培養基的優化、滅菌、發酵過程控制、分離純化等多道工序，質量控制貫穿整個工藝過程。在虛擬仿真實驗中，教師可以指導學生對操作過程的工藝參數比如溫度、PH值等進行修改，從而觀察發酵過程中參數變化對發酵的影響^[18];也可以引導學生改造原有生產過程使其更符合客觀規律，實現發酵過程的優化，提高生產過程的經濟和社會效益。另外，在虛擬仿真實驗中，學生可以大膽嘗試，熟悉各儀器設備的構造和使用方法;可以反復練習，規范自己的操作。這既消除了學生對大型儀器的陌生感、恐懼感^[19]，又能有效減少實驗室實操教學中安全隱患的發生。由于課時、資金等限制，實驗室實操難以為學生提供一個完整的發酵工藝過程操作教學及真實的發酵過程控制實踐體驗，虛擬仿真教學可以彌補這一點。因此，教師充分發揮虛擬仿真教學的鏈接作用，生動直觀地加深學生對理論知識的理解，為實驗操作奠定扎實的理論基礎;學生反復動手練習探索，為實操奠定良好的實踐基礎。學生通過虛實結合的實驗教學，深入掌握生物制藥生產工藝設計與過程控制的要點，培養解決復雜工程問題的能力及創新思維。

（三）實驗室實操教學

實驗室實操主要以小組的形式讓學生認識發酵設備和進行生物藥物發酵工藝的實踐操作。實驗是發酵工程知識從理論走向實踐最基本也最重要的途徑。在實驗操作中，虛擬仿真實驗只能作為有益補充去輔助實驗室實操教學，切忌直接代替^[20-21]。實驗室實操教學包括利用虛擬仿真技術進行實際操作前預習，課中參觀實體儀器認知相關設備和青霉素發酵生產的操作實踐，課后學生可以通過虛擬仿真系統探索實操過程中發現的問題、驗證猜想。通過分組討論、問題引導等學習方式進行課前預習，學生掌握了基本技術原理、步驟，熟悉了發酵設備、操作系統，能有效減少實操時學生手忙腳亂現象的發生。參觀實體儀器，學生直接認識發酵設備，消除學生的陌生感，將想象與現實聯系起來。實驗室實操包括菌種活化、種子制備、發酵罐的實罐滅菌、接種和發酵過程控制、產品分析和數據處理等，同時也涉及發酵罐、蒸汽發生器和空氣壓縮機等設備的自主操作^[22]。這些操作難以在虛擬仿真教學中讓學生獲得深刻體驗，只有在實際操作中才能培養學生安全嚴謹的操作意識，鍛煉學生的動手能力，獲得職業所需的技能。

（四）學時設置

以“青霉素的生產發酵”為例，“理論—仿真—實操”教學模式下“發酵工程”課程的學時設置劃分如下：理論講授2學時，虛擬仿真實驗4學時，實操4學時。采用虛擬仿真與實驗室實操“虛實結合”的教學手段，在分子、細胞和發酵罐三個層次上，以高強度、高轉化率、低成本、低污染為目標，系統講授發酵工程原理與技術及其應用。

理論教學、仿真訓練和實際操作三者相結合的“理論—仿真—實操”教學模式，能取長補短^[23]。通過仿真教學的橋梁作用，促進理論與實踐的融合。學生通過從理論到仿真再到實物操作的學習過程，既可掌握抗生素發酵的基本工藝流程和主要參數設置要求，也可獨立完成整個發酵工藝流程的操作。實物操作的過程中還可以進一步檢驗理論，然后通過虛擬仿真系統再次模擬操作，鞏固所學，驗證猜想，啟發創新，從而幫助學生形成“理論?實踐”的發酵知識體系完整的認知回路。不僅解決了因實驗設備和試驗場地匱乏導致的實操難問題，還通過反復的操作練習，最大程度地提高了學生理論知識水平和實踐技能^[24]。

四、“發酵工程”課程“理論—仿真—實操”教學體系課程考核評價

以“青霉素的生產發酵”為例，“發酵工程”課程“理論—仿真—實操”教學采用了線上考核與線下考核相結合的評價方式，課程成績（總評成績）由平時成績（30%）、實驗成績（40%）、期末成績（30%）三部分組成，三部分都是百分制。平時成績參考作業、考勤、隨堂測試、課后拓展、小組討論等方面的完成情況;實驗成績包括線下實驗室實物操作技能考核（15%），實驗報告（10%），虛擬仿真在線考核（15%）;期末考試以閉卷考試的方式進行，主要考查學生對發酵工藝的基本原理及相關技術要點的掌握程度。

線上考核主要是通過虛擬仿真系統進行。虛擬仿真實驗過程設置了三個考核模塊：一是基礎知識，考查學生對于發酵基礎知識的掌握情況;二是操作流程，考查學生對整個工藝的掌握情況;三是仿真實驗過程中參數的控制，考查學生對于整體實驗的控制。虛擬仿真實驗中，教師可以對每個學生的操作情況進行跟蹤、記錄，并做出評判、打出分數。學生則可以主動分析原因，找出問題所在，反復動手修正，通過自己的努力，得到滿意的成績^[25]。這可以促使學生掌握青霉素發酵生產所有的工藝流程、主要參數設置，能獨立完成整體實驗內容，更加清晰地掌握青霉素的發酵生產整體流程。線下考核則包括實驗室實物操作、實驗報告及期末考試。

五、“發酵工程”課程“理論—仿真—實操”教學模式成效分析

本文以虛實結合為主題，圍繞“青霉素的發酵工藝”，發揮仿真實驗教學的鏈接作用，構建“理論—仿真—實操”的教學體系，實現了理論與實踐的有機融合。教學成效分析顯示，該教學體系增強了學生的學習興趣，有效提高了學生對理論知識的理解能力和應用實踐能力，促進了課程目標的達成。

（一）課程目標達成度

選取德州學院醫藥與護理學院采用傳統模式教學的2018級生物制藥專業一班的全部學生（共30名）為對照組，采用“理論—仿真—實操”模式教學的2019級生物制藥專業一班的全部學生（共30名）和2020級生物制藥專業一班的全部學生（共29名）為實驗組。兩組學生由同一位教師授課，總學時相同。課程結束一周后通過對學生進行課程考核評價，完成課程目標達成度的調查。

課程目標達成度主要包括四個方面。課程目標1是工程知識能力。通過對發酵工程知識的學習，識記并理解發酵工程的相關概念，可復述和總結發酵工程基本實驗研究的原理及操作技能。占總課程目標權重的20%。課程目標2是實際應用能力。在建立了發酵工程知識體系、發酵工程研究方法體系的基礎上，能夠針對生產中遇到的發酵工程相關問題進行有理有據的分析，從而獲得相應解決方法。占總課程目標權重的20%。課程目標3是分析設計素養。學習完本課程后，學生能夠針對某個具體問題如利用發酵工程設計生產生物藥物制品，應用所學知識嘗試技術路線和方案的設計。占總課程目標權重的30%。課程目標4是實驗技能。在虛擬仿真實驗和實驗室實物操作中，能夠根據前期設計的實驗方案，自主進行實驗裝置的確認和搭建，科學、安全地開展實驗，采集實驗數據。占總課程目標權重的30%。課程目標達成度=∑（分目標達成度×權重），課程分目標達成度=∑（考核方式的平均分/滿分×權重）。具體課程目標達成度評價方法見表1。

發酵工程虛實結合實驗項目平臺建設以來，已完成了2個教學周期的實踐。在虛實結合的教學模式中，學生更愿意主動練習操作，思索在操作過程中遇到的問題，并多方嘗試找到解決辦法，從而學會總結并優化操作。這不僅鍛煉了學生獨立思考、解決疑難問題的能力，而且使學生學習興趣更濃厚。教學成效分析顯示，與該課程采用傳統教學模式培養的2018級學生相比，“理論—仿真—實操”教學模式下的2019級、2020級學生在發酵知識相關理論和操作水平方面均有明顯的提高，實踐動手能力和工程應用能力明顯提升，學生將專業理論知識應用于生產實踐的能力明顯增強，設備操作規范性也有提高。課程考核總評成績方面，2019級提高了8.2%，2020級提高了9.3%（見圖4水平軸“總評成績”）。課程目標達成度方面，2019級提高了10%，2020級提高了13%（見圖5水平軸課程整體）。

（二）學生滿意度

基于虛實結合的“發酵工程”實驗課程，對我校2019級生物制藥專業的全體學生開展了發酵工程“理論—仿真—實操”教學模式滿意度調查。調查主要通過問卷的形式進行，滿意程度共設 4 個等級：非常滿意、滿意、不滿意、非常不滿意。學生根據自身學習情況進行選擇，以此得到學生對于該實驗課程的總體反饋^[26]。

調查報告顯示，27.8%的學生對課程的難度表示非常滿意，72.2%的學生感到滿意。表明在“理論—仿真—實操”教學模式下，“發酵工程”課程知識更容易被學生理解接受，實物操作技能更容易被掌握。56.3%的學生認為“理論—仿真—實操”虛實結合的發酵工程實驗對青霉素發酵生產過程的掌握非常有用，有43.8%的學生認為比較有用，沒有學生認為無用。“理論—仿真—實操”教學模式下，“發酵工程”課程教學內容易于理解、更加有趣，且可操作性強，每個學生都有反復練習的機會，極大地提升了實驗參與度，出勤率上升。青霉素仿真軟件模擬實際生產的整個過程，學生在安全、逼真的操作環境下，全面了解生產裝置的操作和青霉素的生產過程。在實驗室實操教學中，學生既可以自己動手，又能看到直觀的操作結果，實驗主動性顯著提高。問卷調查結果顯示，2019級生物制藥全體學生對該教學模式的滿意度極高，44%的學生對該教學模式感到非常滿意，56%學生感到滿意，沒有學生感到不滿意（見圖6），該教學體系得到了廣大學生的認可。

六、結語

在發酵工程“理論—仿真—實操”教學體系中，虛擬仿真教學發揮鏈接作用，串聯理論學習與實踐操作，形成了“理論?實踐”的學習閉環，培養學生的實踐動手能力和創新應用能力，調動了學生的積極性。構建虛實結合實踐教學體系的關鍵在于虛擬仿真實驗教學平臺的建設，要與實際實驗條件相符合，確保真正實現“理論—仿真—實操”教學模式中各環節教學內容的統一，從而達到最佳教學效果，提高應用型人才培養質量。

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（責任編輯：任學甍）

Research on the Teaching System of \"Theory-Simulation-Practice\""for Fermentation Engineering Course

LI Na， ZHU Chao， WANG Xiao-yue， ZHENG Jian

（Dezhou University， Dezhou Shandong 253023， China）

Abstract： Fermentation engineering is a compulsory course with strong practicality for biopharmaceutical major. The teaching system of \"theory-simulation-practical\" plays the linking role of simulation experiment teaching and realizes the organic integration of theory and practice. The analysis of teaching effectiveness shows that the teaching system increases students' learning interest， improves students' understanding of theoretical knowledge and practical ability， and promotes the achievement of curriculum objectives.

Key words： fermentation engineering; virtual simulation experiment; combination of virtual and practicereal; \"theory-simulation-practice\"teaching system

作者簡介：李娜（1992—），女，碩士，德州學院醫藥與護理學院助教，研究方向為生物技術;朱超（1983—），男，博士，德州學院醫藥與護理學院副教授，研究方向為生物制藥、藥物分析、中藥質量控制;王曉玥（1992—），女，博士，德州學院醫藥與護理學院講師，研究方向為生物制藥、中藥資源與鑒定;鄭健（1992—），男，博士，德州學院醫藥與護理學院講師，研究方向為生物制藥、發酵工程。

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“生物制藥專業虛實結合實驗教學模式實踐”（編號：202102028010）;德州學院實驗技術項目“《發酵工程》虛實結合實驗項目的優化與實踐”（編號：SYJS21005）