虚实结合构建生物制药工艺综合实验体系

李海云 李子院 董新红 陆芽春 李霞 海洪 陈沁

摘 要：生物制药工艺综合实验是生物工程、生物制药等专业的主干实验课程之一，旨在通过实验操作巩固学生生物制药工艺理论知识、锻炼实践动手能力、分析和解决问题能力以及工程能力及素养。在生物制药工艺实验中引入虚拟仿真实验教学、构建虚实结合的实验课程体系，可以突破传统实验受场地、时间、安全等条件的限制，丰富了实验教学内容，有益于提高学生的工程能力和工程素养。

关键词：专业特色 生物工程 培育途径 高等教育

一、生物制药工艺综合实验存在的问题

《生物制药工艺综合实验》是国内高校生物工程专业或方向的主干实验课程之一。通过本课程的学习，学生能够理解和掌握生物制药工艺的基础知识、基本理论，掌握常见生化药物的制备方法、技术和工艺，了解和熟悉生物制药实际工厂的基本操作和工艺过程，掌握生产和应用的基本工艺和原理，使学生初步具有开发和研究生化药物的基本能力，满足社会对生物工程专业人才的需求。但长期以来，由于受实验室条件以及实验课时的限制，大部分地方理工类高校开设的生物制药工艺实验多数限于实验室水平的验证性、综合性和设计型实验，而对于学生的綜合工程能力的培养方面效果不够理想[1]。

二、虚实结合构建生物制药工艺综合实验课程体系

为了解决生物制药工艺综合实验中存在的上述问题，我校生物工程专业采用虚实结合方法对实验项目体系进行了优化[2]。

1.真实基础实验项目体系

为了培养学生在生物制药方面的实际动手能力，真实实验中设计了溶菌酶结晶的制备及活力测定、四环素的定向发酵及其效价测定以及硫酸软骨素的制备等三个实验项目，其中溶菌酶结晶的制备及活力测定实验项目包含溶菌酶粗结晶的制备、 溶菌酶的初步纯化及重结晶、溶菌酶活力和蛋白质含量的测定等三个子实验。四环素的定向发酵及其效价测定实验项目包含金霉素链霉菌种子液的制备、四环素的定向发酵、四环素效价测定等三个子实验[3]。

2.虚拟仿真实训项目体系

为了使学生了解和熟悉生物制药实际工厂的基本操作和工艺过程，培养基本的工程实践能力，与北京微瑞集智科技有限公司合作开发了原料药如维生素C微生物发酵制药工艺虚拟仿真实训项目。本项目以实际生产的维生素C工艺为蓝本，基于virtools三维虚拟现实技术平台构建，在计算机屏幕上，逼真再现了真实生物制药生产的操作场景与生产装置，精准地再现了生物制药生产厂中的无菌操作、种子培养、接种、发酵、工艺控制等各个工序中的重点生产设备，如发酵罐、种子罐等，实时模拟真实发酵生产过程与现象，仿真模拟了药厂生产的全部更衣和操作过程及各个岗位的技术操作[4]。

三、虚实结合的生物制药工艺综合实验课程体系的优势

仿真实训教学是基于虚拟现实技术所生成的虚拟仿真工厂，依据真实化工厂的相关理论和实践操作规程在虚拟仿真工厂中进行相应操作、验证和运行。在实践教学中，以实际应用为目的，强调关键步骤和注意事项，使学生在实践教学中能将理论知识应用到实践环节中。在实训过程的每一个环节由教师和系统指导，发现问题并及时修正。教学活动以学生为主体，这就有利于学生掌握知识同时将所学的知识运用到工艺参数的调节和分析中。虚拟仿真实验室不受时间、空间的限制，也避免了对实验材料和实验室仪器设备等的依赖性，可不受实验条件、实验次数和生物安全等的限制，给学生提供一个便捷安全的学习环境。学生模拟真实实验操作，使学生能够清楚地认识实验的关键部分，并加深印象。与此同时，避开了真实实验中所需要的消耗排放，对周围的环境也是一种很好的保护。通过模块和程序实现三维动态全景漫游与动态实时交互设计，拥有熟悉单元设备与生产装置、生产工艺流程与参数、虚拟生产过程反馈跟踪考核等多项实训功能，使学生在实践教学中能将理论知识应用到实践环节中。在实训过程的每一个环节由教师和系统指导，发现问题并及时修正。以学生为主体，有利于学生掌握知识同时将所学的知识运用到工艺参数的调节和分析中，可以提高实验教学效果，提高实验教学质量的有效手段。传统教学中专业表述晦涩难懂，效果欠佳，往往需要教师在实验前再次强调。实验完成后，由于受主客观条件限制，一般难以重复实验，实验过程中的疑点往往得不到验证。虚拟仿真实验室可让学生实验前有针对性地体验整个操作过程，为进入实验室进行实际操作奠定基础;可以让学生进行无限制性、多次的模拟实验，甚至可以根据学生的意愿选择性调节实验进程，从而使学生看到传统实验条件下容易忽略的细节，加深对知识点的理解，是较好的巩固与复习的手段;打破了时间与空间的限制，能提高学生的学习效率，增强学习效果[5]。

四、应用效果

学生通过虚实结合构建的生物制药工艺综合实验体系，既学习和实践蛋白类药物、多糖类药物、抗生素类药物的生物制药技术和工艺，又通过虚拟仿真实训了解和熟悉实际制药工厂和车间的基本布局、基本操作，使学生在生物制药工艺领域综合实验技术得到了较好的训练，提高了学生的独立操作能力，激发了学生的学习和研究兴趣。

虚拟仿真实训项目实施效果尤为突出，主要体现在：（1）创造与实际环境相似度非常高的环境，有利于学生快速学习。依托虚拟仿真、人机交互技术建立起来的虚拟体验系统，可以逼真的模拟生产环境和工艺流程。高度逼真的体验环境，使得学生能够获得生动直观的感性认识，增进对抽象原理的理解。（2）弥补传统实习的不足。传统的生产实习和认识实习过程，学生在工厂中只能看，不能动的缺点，而在3D虚拟现实生产实习仿真操作中，学生可通过设备操作、阀门操作、仪表监控来模拟真实生产操作过程，并能根据仪表反馈数值及趋势曲线及时调整阀门开度，通过人机交互生产合格产品。在3D虚拟现实认识实习仿真操作中，学生可了解工艺、设备、安全等知识，最终实现学生对工艺操作、装置的全面认识。（3）增加安全可靠性。虚拟仿真系统使得体验过程不再带来人身伤害和环境危害，也不会浪费任何财力、物力，体验者可以通过虚拟仿真熟练掌握知识原理和操作流程，这种过程还可以无限制的进行重复，强化知识过程。

结语

构建虚实结合的生物制药工艺综合实验体系，特别是通过虚拟仿真技术，构建高度仿真的虚拟现实化工厂的环境和装置对象，学生在虚拟环境中开展实训，达到教学大纲所要求的教学效果，克服实际工程实训只能看、不能动的缺点，同时提供可靠、安全和经济的实习实训项目。虚实结合的实验体系不仅提高了学生的实验技术水平、增强了对生物制药工艺基础知识和理论的理解，同时还拓展了学生的工程实践能力，大大提高了学生的培养质量，更能满足社会对生物制药人才的需求。

参考文献

[1]吴沁航，刘春美，张芳，等.以学生为中心的生物制药工艺学教学改革[J].中国中医药现代远程教育，2017，15（22）：4-5.

[2]曾柏全，徐刚标，姚跃飞，等.生物制药工艺学实验教学体系改革[J].研究中南林业科技大学学报（社会科学版）2010，4（4）：144-145.

[3]郭军红，崔锦峰，杨保平.新工科背景下虚实结合虚拟仿真实验项目的建设[J].实验技术与管理，2019，36（8），119-122.

[4]刘金库，黄婕，裴小琴，等.“一求实六融合”理念——高校虚拟仿真实验教学项目建设的新视角化工高等教育，2019，（5）：76-79.

[5]郭婷，杨树国，江永亨，等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理，2019，36（10）：215-217，220.