计算机仿真技术在生物工程专业实践教学中的应用

于贞++林剑++鞠宝++姜爱莉

摘 要 将计算机仿真技术引入生物工程专业实践教学中来，通过仿真使学生在短时间内的操作水平大幅度提高，并在教师窗口进行人为干扰，让学生通过调控主要参数使生产恢复正常；由学生自己根据教师提供的工艺参数设计实验方案，并组织实施，通过自主解决实际发酵过程中出现的异常情况，提高学生分析问题和解决问题的能力。

关键词 计算机仿真；生物工程；实践教学

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）14-0163-02

1 生物工程专业实践教学现状

生物工程专业是一个实践性很强的应用型专业[1]，它对学生的科学水平、工程能力都有较高的要求。实践教学在本科专业教学过程中具有重要的地位，它不仅能使学生学习生产技能，进一步巩固和加深课堂理论知识，获得实践知识与技能，而且通过实践，使学生提高了理论联系实际及分析问题与解决问题的能力。因此，实践教学是生物工程专业本科教学的重要组成部分。

实验教学与生产实习是生物工程专业实践教学的重要组成部分，是生物工程专业的实践必修课[2]。传统的实验教学大都是课前由指导教师将实验所需试剂、材料及实验设备等准备工作做好，实验课上在教师的指导下，学生按照既定的实验步骤去完成整个实验。在整个过程中，学生处于被动地位，只是机械地参与，由于学生所学理论知识与实践还没有很好地联系起来，学生操作不熟练。这样的实验课如果课时少，就很难充分地调动学生的能动性。

生产实习是我国工科学生将三年的理论学习与生产实践直接结合的主要环节。按照要求，学生应在各个生产岗位上顶岗实习三个星期。通过生产实习，学生“真刀实枪”地锻炼，能使学生接受生产教育，亲身体会理论知识与实际生产之间的差异，了解企业对人才的具体需求，从而在第四年的学习中更能积极主动，有的放矢。但随着近几年高校的不断扩召，学生数量猛增，无论是实验教学还是生产实习，都难以满足实践教学的要求。一方面，以前一人一套的仪器设备变成现在的一组一套，在实验时间相同的情况下，学生练习操作的时间有不同程度的缩短；另一方面，现代企业大都是大型连续化生产，要求生产过程连续稳定，而生产实习本身会干扰企业的正常生产秩序。

为了解决这样的矛盾，许多企业建立了参观走廊供实习的学生参观，学生的生产实习就只能看不能动，一点儿动手的机会也没有了。在目前的“加强基础理论教育、拓宽知识口径”的指导思想下，这一矛盾更为突出。由于缺乏实操机会，生物工程专业毕业的学生对于工艺理论有一定的了解，而对于实际生产工艺缺乏正确的理解，学生学的知识与生产实际脱节严重，动手能力也差，难以适应工作岗位，企业又不得不对学生进行上岗前的培训，这样就又增加了企业的用人成本。为了使培养的毕业生能够更好地适应社会的需求，必须对实践教学内容进行革新，以适应新的形势要求。

2 生物工程专业实践教学改革

为了使学生真正地在实践中得到锻炼，将理论与实践相结合，对生物工程专业的实践环节进行系统的教学改革，在工程化、系统化思路的指导下，把工业生产融合到计算机仿真和实验室规模生产中，提出新的实践教学思想。

在学生生产实习环节，引入计算机仿真技术 近十年来，过程仿真技术在操作技能训练方面的应用在全世界许多国家得到普及。这种仿真系统能逼真地模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故状态的现象，它没有危险性，能节省费用，大大缩短培训时间，成为许多企业考核操作工人取得上岗资格的必要手段[3]。因而通过一套与现场生产装置非常相似的实习仿真教学系统，使学生不出校门就能了解实际生产工艺和设备，通过对仿真系统的反复操作，使学生对生产实际有了很好的认识，而亲自动手使学生锻炼并提高了专业应用技能，从而将所学专业知识与生产实际紧密结合在一起，极大地提高了学生生产实习的兴趣和能动性。

为此，课题组深入到生产一线进行认真调研，选取了典型的有代表性的生产过程，开发仿真软件。其中，谷氨酸发酵生产是先对淀粉原料进行糊化、糖化处理再进行后发酵的典型的细菌好氧发酵；柠檬酸发酵是典型的霉菌好氧发酵，并且在发酵过程中具有边发酵边糖化的特点；啤酒生产过程是典型的酵母厌氧发酵过程。目前酒精的双效精馏在节能方面有了很大的改进，因而研发了具有自主知识产权的谷氨酸、柠檬酸和啤酒发酵生产及酒精的双效精馏仿真软件，并把它们应用到生产实习中去，学生连续两个周上机模拟，使学生在短期内的操作水平得到大幅度提高；最后一周带领学生到相关企业进行实地参观考察，将仿真系统中的生产设备、各种调节生产的装置（如调节器、调节阀、管路连接）的布局等实物化，并通过对所参观企业的控制室和各种设备的控制面板的考察，使学生对仿真软件中集散型计算机控制系统等也有了进一步的感性认识。这不仅解决了企业连续性稳定生产与学生生产实习的矛盾，也解决了学校的经费困难问题。

筹建与工业生产过程相同的实验室规模的生产线 计算机仿真软件只是包含了主要的工艺过程，还有一些具体的操作没法在计算机上体现出来，比如原料的预处理、物料的混合、糖化终点的判断以及菌种的活化、扩培、接种、取样等。为了让学生有上岗实操的机会，选择两个典型产品的生产过程即啤酒与味精的生产，在实验室筹建两个小的生产车间，其生产过程完全与工业化生产过程相同。这样在进行专业实验时，学生就能够从生产原料的预处理、培养基的制备、发酵罐的灭菌及菌种的活化、扩培、接种及对发酵过程中各工艺参数的控制、产品的分离提取等各个环节进行实际操作，使学生能真正地将理论与实践技能结合在一起，较好地达到生产实习的目的。

将仿真与实验结合，提高学生综合素质 将生物工程专业的生产实习时间与专业综合实验时间实行无缝衔接，为了提高学生分析问题、解决问题的能力，在仿真环节学生操作熟练后，通过教师窗口人为设置干扰，让学生根据主要参数的变化采取必要的措施使主要参数回到正常范围以内，以增强学生的工程化意识。

在实验室规模专业综合实验谷氨酸发酵和啤酒发酵过程中，教师不再是实验准备的主要人员，生产前的准备工作，如计算、药品的称量、实验原料的准备、试剂的配置以及菌种的活化、扩培等，均由学生自主完成，教师负责及时纠正学生操作不当之处。整个生产的实施过程在指导教师给出的参数及计算机仿真的基础上由学生自主制定，和指导教师讨论完善后具体实施。学生按照具体制订的实验方案实施，对仿真软件中所涉及的主要工艺参数进行实时监控，并对生产过程的是否正常做出评判。一旦出现异常，首先根据仿真软件的实践经验和前期测定的数据，提出自己的调整方案，同指导教师讨论后对相关操作和参数进行调整，直至生产恢复正常。

3 生物工程专业实践教学改革的现实意义和实践效果

将计算机仿真技术引入生物工程专业实践教学当中来，使学生能够更好地获得实践方面的锻炼，也解决了学校实习经费严重不足的困难。

通过利用完全与生产过程相同的发酵生产仿真软件，不但使学生对实际生产过程有了更好的认识，而且通过反复操作，在不干扰企业正常生产的前提下，提高了学生的动手能力。同时，利用仿真软件强化学生对各种干扰的处理和应变训练，使学生对实际生产过程中出现的异常问题，能够提出较为合理的处置方案，提高了学生分析问题和解决问题的能力，达到既强化学生工程意识，又提高学生综合素质的要求。

通过以上改革，在目前实践教学资源严重不足的情况下，使学生能够更好地获得实践方面的锻炼，提高动手能力和专业应用技能，加强学生对工业生产的认识，强化工程化的概念。对于提高学生的实际操作能力、理论联系实际能力、分析问题解决问题能力有着显著的推动作用。随着上述实践教学体系的不断提高和完善，对于生物工程专业整体教学水平的提高也必将具有重要意义。

参考文献

[1]康小虎，田永强，谢放，等.生物工程专业实践教学改革探讨[J].实验科学与技术，2011，9（5）：86-87.

[2]王光彦.现行大学教师绩效评价制度的反思与改革[J].中国高等教育，2009（8）：20-23.

[3]赵刚.化工仿真实训指导[M].北京：化学工业出版社，

2001：1-2.endprint