計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

于貞++林劍++鞠寶++姜愛(ài)莉

摘 要 將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，通過(guò)仿真使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)的操作水平大幅度提高，并在教師窗口進(jìn)行人為干擾，讓學(xué)生通過(guò)調(diào)控主要參數(shù)使生產(chǎn)恢復(fù)正常；由學(xué)生自己根據(jù)教師提供的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并組織實(shí)施，通過(guò)自主解決實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)仿真；生物工程；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）14-0163-02

1 生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

生物工程專(zhuān)業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)[1]，它對(duì)學(xué)生的科學(xué)水平、工程能力都有較高的要求。實(shí)踐教學(xué)在本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中具有重要的地位，它不僅能使學(xué)生學(xué)習(xí)生產(chǎn)技能，進(jìn)一步鞏固和加深課堂理論知識(shí)，獲得實(shí)踐知識(shí)與技能，而且通過(guò)實(shí)踐，使學(xué)生提高了理論聯(lián)系實(shí)際及分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。因此，實(shí)踐教學(xué)是生物工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)的重要組成部分。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)習(xí)是生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，是生物工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐必修課[2]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大都是課前由指導(dǎo)教師將實(shí)驗(yàn)所需試劑、材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等準(zhǔn)備工作做好，實(shí)驗(yàn)課上在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按照既定的實(shí)驗(yàn)步驟去完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生處于被動(dòng)地位，只是機(jī)械地參與，由于學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐還沒(méi)有很好地聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生操作不熟練。這樣的實(shí)驗(yàn)課如果課時(shí)少，就很難充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性。

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是我國(guó)工科學(xué)生將三年的理論學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實(shí)踐直接結(jié)合的主要環(huán)節(jié)。按照要求，學(xué)生應(yīng)在各個(gè)生產(chǎn)崗位上頂崗實(shí)習(xí)三個(gè)星期。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)生“真刀實(shí)槍”地鍛煉，能使學(xué)生接受生產(chǎn)教育，親身體會(huì)理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)之間的差異，了解企業(yè)對(duì)人才的具體需求，從而在第四年的學(xué)習(xí)中更能積極主動(dòng)，有的放矢。但隨著近幾年高校的不斷擴(kuò)召，學(xué)生數(shù)量猛增，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是生產(chǎn)實(shí)習(xí)，都難以滿(mǎn)足實(shí)踐教學(xué)的要求。一方面，以前一人一套的儀器設(shè)備變成現(xiàn)在的一組一套，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間相同的情況下，學(xué)生練習(xí)操作的時(shí)間有不同程度的縮短；另一方面，現(xiàn)代企業(yè)大都是大型連續(xù)化生產(chǎn)，要求生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定，而生產(chǎn)實(shí)習(xí)本身會(huì)干擾企業(yè)的正常生產(chǎn)秩序。

為了解決這樣的矛盾，許多企業(yè)建立了參觀走廊供實(shí)習(xí)的學(xué)生參觀，學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)習(xí)就只能看不能動(dòng)，一點(diǎn)兒動(dòng)手的機(jī)會(huì)也沒(méi)有了。在目前的“加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教育、拓寬知識(shí)口徑”的指導(dǎo)思想下，這一矛盾更為突出。由于缺乏實(shí)操機(jī)會(huì)，生物工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)的學(xué)生對(duì)于工藝?yán)碚撚幸欢ǖ牧私?，而?duì)于實(shí)際生產(chǎn)工藝缺乏正確的理解，學(xué)生學(xué)的知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)嚴(yán)重，動(dòng)手能力也差，難以適應(yīng)工作崗位，企業(yè)又不得不對(duì)學(xué)生進(jìn)行上崗前的培訓(xùn)，這樣就又增加了企業(yè)的用人成本。為了使培養(yǎng)的畢業(yè)生能夠更好地適應(yīng)社會(huì)的需求，必須對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行革新，以適應(yīng)新的形勢(shì)要求。

2 生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

為了使學(xué)生真正地在實(shí)踐中得到鍛煉，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)生物工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)改革，在工程化、系統(tǒng)化思路的指導(dǎo)下，把工業(yè)生產(chǎn)融合到計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)中，提出新的實(shí)踐教學(xué)思想。

在學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 近十年來(lái)，過(guò)程仿真技術(shù)在操作技能訓(xùn)練方面的應(yīng)用在全世界許多國(guó)家得到普及。這種仿真系統(tǒng)能逼真地模擬工廠開(kāi)車(chē)、停車(chē)、正常運(yùn)行和各種事故狀態(tài)的現(xiàn)象，它沒(méi)有危險(xiǎn)性，能節(jié)省費(fèi)用，大大縮短培訓(xùn)時(shí)間，成為許多企業(yè)考核操作工人取得上崗資格的必要手段[3]。因而通過(guò)一套與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置非常相似的實(shí)習(xí)仿真教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生不出校門(mén)就能了解實(shí)際生產(chǎn)工藝和設(shè)備，通過(guò)對(duì)仿真系統(tǒng)的反復(fù)操作，使學(xué)生對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有了很好的認(rèn)識(shí)，而親自動(dòng)手使學(xué)生鍛煉并提高了專(zhuān)業(yè)應(yīng)用技能，從而將所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合在一起，極大地提高了學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)的興趣和能動(dòng)性。

為此，課題組深入到生產(chǎn)一線(xiàn)進(jìn)行認(rèn)真調(diào)研，選取了典型的有代表性的生產(chǎn)過(guò)程，開(kāi)發(fā)仿真軟件。其中，谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)是先對(duì)淀粉原料進(jìn)行糊化、糖化處理再進(jìn)行后發(fā)酵的典型的細(xì)菌好氧發(fā)酵；檸檬酸發(fā)酵是典型的霉菌好氧發(fā)酵，并且在發(fā)酵過(guò)程中具有邊發(fā)酵邊糖化的特點(diǎn)；啤酒生產(chǎn)過(guò)程是典型的酵母厭氧發(fā)酵過(guò)程。目前酒精的雙效精餾在節(jié)能方面有了很大的改進(jìn)，因而研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的谷氨酸、檸檬酸和啤酒發(fā)酵生產(chǎn)及酒精的雙效精餾仿真軟件，并把它們應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)習(xí)中去，學(xué)生連續(xù)兩個(gè)周上機(jī)模擬，使學(xué)生在短期內(nèi)的操作水平得到大幅度提高；最后一周帶領(lǐng)學(xué)生到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行實(shí)地參觀考察，將仿真系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備、各種調(diào)節(jié)生產(chǎn)的裝置（如調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、管路連接）的布局等實(shí)物化，并通過(guò)對(duì)所參觀企業(yè)的控制室和各種設(shè)備的控制面板的考察，使學(xué)生對(duì)仿真軟件中集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等也有了進(jìn)一步的感性認(rèn)識(shí)。這不僅解決了企業(yè)連續(xù)性穩(wěn)定生產(chǎn)與學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)的矛盾，也解決了學(xué)校的經(jīng)費(fèi)困難問(wèn)題。

籌建與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相同的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生產(chǎn)線(xiàn) 計(jì)算機(jī)仿真軟件只是包含了主要的工藝過(guò)程，還有一些具體的操作沒(méi)法在計(jì)算機(jī)上體現(xiàn)出來(lái)，比如原料的預(yù)處理、物料的混合、糖化終點(diǎn)的判斷以及菌種的活化、擴(kuò)培、接種、取樣等。為了讓學(xué)生有上崗實(shí)操的機(jī)會(huì)，選擇兩個(gè)典型產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程即啤酒與味精的生產(chǎn)，在實(shí)驗(yàn)室籌建兩個(gè)小的生產(chǎn)車(chē)間，其生產(chǎn)過(guò)程完全與工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程相同。這樣在進(jìn)行專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生就能夠從生產(chǎn)原料的預(yù)處理、培養(yǎng)基的制備、發(fā)酵罐的滅菌及菌種的活化、擴(kuò)培、接種及對(duì)發(fā)酵過(guò)程中各工藝參數(shù)的控制、產(chǎn)品的分離提取等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)際操作，使學(xué)生能真正地將理論與實(shí)踐技能結(jié)合在一起，較好地達(dá)到生產(chǎn)實(shí)習(xí)的目的。

將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，提高學(xué)生綜合素質(zhì) 將生物工程專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)間與專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)間實(shí)行無(wú)縫銜接，為了提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，在仿真環(huán)節(jié)學(xué)生操作熟練后，通過(guò)教師窗口人為設(shè)置干擾，讓學(xué)生根據(jù)主要參數(shù)的變化采取必要的措施使主要參數(shù)回到正常范圍以?xún)?nèi)，以增強(qiáng)學(xué)生的工程化意識(shí)。

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)谷氨酸發(fā)酵和啤酒發(fā)酵過(guò)程中，教師不再是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的主要人員，生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，如計(jì)算、藥品的稱(chēng)量、實(shí)驗(yàn)原料的準(zhǔn)備、試劑的配置以及菌種的活化、擴(kuò)培等，均由學(xué)生自主完成，教師負(fù)責(zé)及時(shí)糾正學(xué)生操作不當(dāng)之處。整個(gè)生產(chǎn)的實(shí)施過(guò)程在指導(dǎo)教師給出的參數(shù)及計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上由學(xué)生自主制定，和指導(dǎo)教師討論完善后具體實(shí)施。學(xué)生按照具體制訂的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施，對(duì)仿真軟件中所涉及的主要工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的是否正常做出評(píng)判。一旦出現(xiàn)異常，首先根據(jù)仿真軟件的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和前期測(cè)定的數(shù)據(jù)，提出自己的調(diào)整方案，同指導(dǎo)教師討論后對(duì)相關(guān)操作和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至生產(chǎn)恢復(fù)正常。

3 生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐效果

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中來(lái)，使學(xué)生能夠更好地獲得實(shí)踐方面的鍛煉，也解決了學(xué)校實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足的困難。

通過(guò)利用完全與生產(chǎn)過(guò)程相同的發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件，不但使學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程有了更好的認(rèn)識(shí)，而且通過(guò)反復(fù)操作，在不干擾企業(yè)正常生產(chǎn)的前提下，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。同時(shí)，利用仿真軟件強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各種干擾的處理和應(yīng)變訓(xùn)練，使學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常問(wèn)題，能夠提出較為合理的處置方案，提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，達(dá)到既強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)，又提高學(xué)生綜合素質(zhì)的要求。

通過(guò)以上改革，在目前實(shí)踐教學(xué)資源嚴(yán)重不足的情況下，使學(xué)生能夠更好地獲得實(shí)踐方面的鍛煉，提高動(dòng)手能力和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用技能，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化工程化的概念。對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)際操作能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力有著顯著的推動(dòng)作用。隨著上述實(shí)踐教學(xué)體系的不斷提高和完善，對(duì)于生物工程專(zhuān)業(yè)整體教學(xué)水平的提高也必將具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]康小虎，田永強(qiáng)，謝放，等.生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（5）：86-87.

[2]王光彥.現(xiàn)行大學(xué)教師績(jī)效評(píng)價(jià)制度的反思與改革[J].中國(guó)高等教育，2009（8）：20-23.

[3]趙剛.化工仿真實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，

2001：1-2.endprint