虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)體系

李海云 李子院 董新紅 陸芽春 李霞 海洪 陳沁

摘 要：生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)是生物工程、生物制藥等專(zhuān)業(yè)的主干實(shí)驗(yàn)課程之一，旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作鞏固學(xué)生生物制藥工藝?yán)碚撝R(shí)、鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題能力以及工程能力及素養(yǎng)。在生物制藥工藝實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程體系，可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受場(chǎng)地、時(shí)間、安全等條件的限制，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有益于提高學(xué)生的工程能力和工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：專(zhuān)業(yè)特色 生物工程 培育途徑 高等教育

一、生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

《生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)》是國(guó)內(nèi)高校生物工程專(zhuān)業(yè)或方向的主干實(shí)驗(yàn)課程之一。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解和掌握生物制藥工藝的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論，掌握常見(jiàn)生化藥物的制備方法、技術(shù)和工藝，了解和熟悉生物制藥實(shí)際工廠的基本操作和工藝過(guò)程，掌握生產(chǎn)和應(yīng)用的基本工藝和原理，使學(xué)生初步具有開(kāi)發(fā)和研究生化藥物的基本能力，滿足社會(huì)對(duì)生物工程專(zhuān)業(yè)人才的需求。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于受實(shí)驗(yàn)室條件以及實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，大部分地方理工類(lèi)高校開(kāi)設(shè)的生物制藥工藝實(shí)驗(yàn)多數(shù)限于實(shí)驗(yàn)室水平的驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于學(xué)生的綜合工程能力的培養(yǎng)方面效果不夠理想[1]。

二、虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)課程體系

為了解決生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)中存在的上述問(wèn)題，我校生物工程專(zhuān)業(yè)采用虛實(shí)結(jié)合方法對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系進(jìn)行了優(yōu)化[2]。

1.真實(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系

為了培養(yǎng)學(xué)生在生物制藥方面的實(shí)際動(dòng)手能力，真實(shí)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了溶菌酶結(jié)晶的制備及活力測(cè)定、四環(huán)素的定向發(fā)酵及其效價(jià)測(cè)定以及硫酸軟骨素的制備等三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中溶菌酶結(jié)晶的制備及活力測(cè)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含溶菌酶粗結(jié)晶的制備、 溶菌酶的初步純化及重結(jié)晶、溶菌酶活力和蛋白質(zhì)含量的測(cè)定等三個(gè)子實(shí)驗(yàn)。四環(huán)素的定向發(fā)酵及其效價(jià)測(cè)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含金霉素鏈霉菌種子液的制備、四環(huán)素的定向發(fā)酵、四環(huán)素效價(jià)測(cè)定等三個(gè)子實(shí)驗(yàn)[3]。

2.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目體系

為了使學(xué)生了解和熟悉生物制藥實(shí)際工廠的基本操作和工藝過(guò)程，培養(yǎng)基本的工程實(shí)踐能力，與北京微瑞集智科技有限公司合作開(kāi)發(fā)了原料藥如維生素C微生物發(fā)酵制藥工藝虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。本項(xiàng)目以實(shí)際生產(chǎn)的維生素C工藝為藍(lán)本，基于virtools三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)構(gòu)建，在計(jì)算機(jī)屏幕上，逼真再現(xiàn)了真實(shí)生物制藥生產(chǎn)的操作場(chǎng)景與生產(chǎn)裝置，精準(zhǔn)地再現(xiàn)了生物制藥生產(chǎn)廠中的無(wú)菌操作、種子培養(yǎng)、接種、發(fā)酵、工藝控制等各個(gè)工序中的重點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)備，如發(fā)酵罐、種子罐等，實(shí)時(shí)模擬真實(shí)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程與現(xiàn)象，仿真模擬了藥廠生產(chǎn)的全部更衣和操作過(guò)程及各個(gè)崗位的技術(shù)操作[4]。

三、虛實(shí)結(jié)合的生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)課程體系的優(yōu)勢(shì)

仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所生成的虛擬仿真工廠，依據(jù)真實(shí)化工廠的相關(guān)理論和實(shí)踐操作規(guī)程在虛擬仿真工廠中進(jìn)行相應(yīng)操作、驗(yàn)證和運(yùn)行。在實(shí)踐教學(xué)中，以實(shí)際應(yīng)用為目的，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)，使學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐環(huán)節(jié)中。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)由教師和系統(tǒng)指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修正。教學(xué)活動(dòng)以學(xué)生為主體，這就有利于學(xué)生掌握知識(shí)同時(shí)將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和分析中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)間、空間的限制，也避免了對(duì)實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等的依賴(lài)性，可不受實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)次數(shù)和生物安全等的限制，給學(xué)生提供一個(gè)便捷安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生能夠清楚地認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分，并加深印象。與此同時(shí)，避開(kāi)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所需要的消耗排放，對(duì)周?chē)沫h(huán)境也是一種很好的保護(hù)。通過(guò)模塊和程序?qū)崿F(xiàn)三維動(dòng)態(tài)全景漫游與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互設(shè)計(jì)，擁有熟悉單元設(shè)備與生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)工藝流程與參數(shù)、虛擬生產(chǎn)過(guò)程反饋跟蹤考核等多項(xiàng)實(shí)訓(xùn)功能，使學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐環(huán)節(jié)中。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)由教師和系統(tǒng)指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修正。以學(xué)生為主體，有利于學(xué)生掌握知識(shí)同時(shí)將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和分析中，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效手段。傳統(tǒng)教學(xué)中專(zhuān)業(yè)表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要教師在實(shí)驗(yàn)前再次強(qiáng)調(diào)。實(shí)驗(yàn)完成后，由于受主客觀條件限制，一般難以重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的疑點(diǎn)往往得不到驗(yàn)證。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)前有針對(duì)性地體驗(yàn)整個(gè)操作過(guò)程，為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作奠定基礎(chǔ);可以讓學(xué)生進(jìn)行無(wú)限制性、多次的模擬實(shí)驗(yàn)，甚至可以根據(jù)學(xué)生的意愿選擇性調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，從而使學(xué)生看到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下容易忽略的細(xì)節(jié)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，是較好的鞏固與復(fù)習(xí)的手段;打破了時(shí)間與空間的限制，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果[5]。

四、應(yīng)用效果

學(xué)生通過(guò)虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建的生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)體系，既學(xué)習(xí)和實(shí)踐蛋白類(lèi)藥物、多糖類(lèi)藥物、抗生素類(lèi)藥物的生物制藥技術(shù)和工藝，又通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)了解和熟悉實(shí)際制藥工廠和車(chē)間的基本布局、基本操作，使學(xué)生在生物制藥工藝領(lǐng)域綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到了較好的訓(xùn)練，提高了學(xué)生的獨(dú)立操作能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施效果尤為突出，主要體現(xiàn)在：（1）創(chuàng)造與實(shí)際環(huán)境相似度非常高的環(huán)境，有利于學(xué)生快速學(xué)習(xí)。依托虛擬仿真、人機(jī)交互技術(shù)建立起來(lái)的虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)，可以逼真的模擬生產(chǎn)環(huán)境和工藝流程。高度逼真的體驗(yàn)環(huán)境，使得學(xué)生能夠獲得生動(dòng)直觀的感性認(rèn)識(shí)，增進(jìn)對(duì)抽象原理的理解。（2）彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)習(xí)的不足。傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)和認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)過(guò)程，學(xué)生在工廠中只能看，不能動(dòng)的缺點(diǎn)，而在3D虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真操作中，學(xué)生可通過(guò)設(shè)備操作、閥門(mén)操作、儀表監(jiān)控來(lái)模擬真實(shí)生產(chǎn)操作過(guò)程，并能根據(jù)儀表反饋數(shù)值及趨勢(shì)曲線及時(shí)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度，通過(guò)人機(jī)交互生產(chǎn)合格產(chǎn)品。在3D虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真操作中，學(xué)生可了解工藝、設(shè)備、安全等知識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)工藝操作、裝置的全面認(rèn)識(shí)。（3）增加安全可靠性。虛擬仿真系統(tǒng)使得體驗(yàn)過(guò)程不再帶來(lái)人身傷害和環(huán)境危害，也不會(huì)浪費(fèi)任何財(cái)力、物力，體驗(yàn)者可以通過(guò)虛擬仿真熟練掌握知識(shí)原理和操作流程，這種過(guò)程還可以無(wú)限制的進(jìn)行重復(fù)，強(qiáng)化知識(shí)過(guò)程。

結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的生物制藥工藝綜合實(shí)驗(yàn)體系，特別是通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)化工廠的環(huán)境和裝置對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)訓(xùn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，克服實(shí)際工程實(shí)訓(xùn)只能看、不能動(dòng)的缺點(diǎn)，同時(shí)提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)體系不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平、增強(qiáng)了對(duì)生物制藥工藝基礎(chǔ)知識(shí)和理論的理解，同時(shí)還拓展了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，大大提高了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，更能滿足社會(huì)對(duì)生物制藥人才的需求。

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