虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用

常雅宁， 彭钰珂， 魏东芝， 胡晓鸣

(华东理工大学 a.发酵工程实验教学示范中心，b.生物工程学院，上海 200237)

0 引 言

酶工程是酶的生产与应用的技术过程，其最主要任务是通过人工操作，获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其催化功能[1]。随着生物技术的飞速发展，酶制剂已经越来越多的应用在生物、食品、医药、轻工、化工、环保、能源等领域，并且发挥着重要作用，因此，酶工程也成为生物、食品等专业一门重要的基础实验课程[2-3]。目前，高校的酶工程实验或作为生物化学实验课的一个重要组成模块开设[4-5]，或作为一门专业实验课开设[6-7]，但这两种形式的课程内容都集中在酶的提取、分离纯化、性质鉴定等酶工程中上游环节，而酶反应器、酶的催化工业应用等下游环节实验却较少涉及到。

虚拟仿真实验是指借助于多媒体技术和虚拟现实等技术，在计算机和网络上搭建的可辅助甚至替代传统实体实验操作环节的相关软硬件操作环境[8-9]。虚拟仿真技术将教学内容、虚拟设备和实验对象有机地融合，创造一个逼真的实验环境，学生可以通过人机交互终端像在真实环境中完成实验课程的学习[9]。虚拟仿真实验在互联网终端创建的虚拟实验环境，使课程不受课时、场地和实验条件的限制[10-11]，有利于实验教学资源的共享[12]，激发了成长于互联网时代的学生的学习兴趣，提升实验教学质量。

基于酶工程实验的基础性与广泛的应用性，发酵工程实验教学示范中心将酶工程作为生物化学实验课程中的重要模块，面向生工学院全部专业及药学院、化工学院部分专业的大二学生开设。针对模块中下游实验的缺失，中心依托教师优质酶制剂应用科研项目，以“虚实结合、相互补充、能实不虚”为原则，本文构建了以“糖化酶催化啤酒发酵”为内容的酶试剂催化应用虚拟仿真实验，来完善酶工程实验教学模块，从而提高实验教学质量与学生的实践能力，探索实验教学的新模式。

1 现阶段酶工程实验教学的不足

按工艺流程分类，酶工程实验主要分为3个环节：以酶的分离提取和改性为主的上游环节、以酶学性质鉴定为主的中游环节、以酶反应器等酶的应用为主的下游环节。其中上游和中游环节反应时间较短，所需设备体积较小且较为经济，适用于实验教学；而下游实验所需酶反应器等设备往往占地面积较大，造价昂贵，且下游实验尤其是工业放大实验所需时间较长，课时内无法完成，增加了下游实验开设的难度。随着国家经济改革的不断推进，社会对高素质综合应用型人才的需求也随之增加[13]，高校开设实验课程时需要注重课程内容与生产实际的结合。酶工程实验是一门实践性和应用性很强的实验课程[14]，下游应用实验的缺失降低了课程与企业生产实际的联系，不利于学生了解所学内容的实际应用情况，减弱了学生对专业知识的学习热情，弱化了实验教学效果。

将教师科研成果纳入实验课程是现今实验教学改革的热点[15]，若能利用教师的科研设备来开设酶工程下游实验，则是解决设备对实验课程开展限制的一种可行的办法。然而如今我校和国内不少高校实行两地甚至多地办学，即设置两个或多个的校区，本科生生活学习场所与教师的科研实验室往往不在一个校区，本科实验教学若要利用科研实验室的设备，通常还存在着空间上的阻碍。虚拟仿真实验不涉及实体实验设备与试剂，大大降低了优秀科研成果转化为实验教学内容的难度。

2 酶试剂催化应用虚拟仿真实验课程的建设

2.1 课程特点

发酵工程实验教学示范中心有着丰富的酶工程教学经验，酶工程课程于2007年被评为国家精品课程，2014年被评为国家资源共享课程。实验中心酶工程教学团队有众多工作在科研一线的教师，平均每年有10多项围绕酶制剂研究的课题。通过评估教师科研项目的应用性和可操作性，最终选择了以“糖化酶催化啤酒发酵”为内容来构建酶试剂催化应用虚拟仿真实验课程。“糖化酶催化啤酒发酵”是典型的酶催化工业应用实例，啤酒的生产实质上就是利用酶将原料中高分子不溶物催化分解为可溶性小分子物质，再通过酵母发酵得到饮料酒的过程。正确使用酶制剂，合理利用酶生物技术，使之在啤酒生产过程中发挥出最大功效是啤酒生产的关键。该实验以科研项目带动实验教学，内容贴近生产一线，能够让学生体验到所学知识与实践联系的结合。

实验通过虚拟仿真技术逼真地还原工厂车间实景，让学生可以真切地感知整体催化工艺流程。课程采用虚拟分批搅拌式酶反应器，工艺流程简洁明晰，适于具有一定实验基础的大学二年级学生学习。上课时学生单人单机操作，避免实体实验学生分组造成的部分学生开小差情况的出现，提高了学生实验投入度与教学质量。啤酒是生活中常见的饮品，以啤酒生产为实验内容有助于提高学生的实验兴趣，调动学生的学习积极性。此外，实验中心的虚拟仿真实验室实行全天候开放，学生可利用课余时间自由学习，大大提高了学生的学习效率。

2.2 课程内容

酶试剂催化应用虚拟仿真实验操作系统分为“学习模式”和“考核模式”，如图1所示，学生首先需要在“学习模式”中完成实验内容和设备操作的学习。这一模式包括实验简介、设备展示和实验操作3个界面。实验简介界面包含了“糖化酶催化啤酒发酵”完整工艺流程的文字介绍，学生可在操作前对实验内容进行预习。图2所示为设备展示界面，360°展示了啤酒酿造所需的全部设备，学生可通过鼠标点击拖动旋转设备，从不同角度查看设备的细节。实验操作界面即“学习模式”的主界面，利用虚拟仿真技术还原了生产车间的场景，并且除啤酒发酵生产所需设备外，车间内还设有可检测糖度等发酵液指标的实验检测区域，让学生不仅可以学习酶催化啤酒发酵的工艺操作，还可以了解通过检测发酵液糖度等数据来掌握发酵程度的方法。在实验前和实验进行中，学生均可在车间内实现“自由漫游”，并可以任意角度查看设备。开始实验操作后，学生可根据左下角对话框的提示来学习每一步操作，相应的设备或阀门也会以蓝光高亮显示。在需特别注意的环节，注意事项会以对话框形式在屏幕中间弹出。在操作过程中，学生可随时进入实验简介和设备展示界面再次进行学习。“学习模式”不设时间限制，学生可针对自己的情况反复学习。

图1 学习模式3D操作界面

图2 设备展示界面

通过学习模式已经掌握酶催化啤酒发酵工艺的学生，可进入“考核模式”完成实验课程考核，界面如图3所示。“考核模式”中学生将不会获得任何关于实验步骤或设备的提示，并且需在15 min内独立完成全部实验操作。如没有在规定时间完成操作则视为未通过考核，学生需再次回到“学习模式”进行复习；“考核模式”中有任何疑问，学生也可以随时切换至“学习模式”学习，此时在“考核模式”内之前的操作将取消，学生需在完成学习后重新参加考核。

实践证明，虚拟仿真实验提高了学生的实验参与度，增进了学生对酶催化在工业生产中应用情况的认识。在大学三年级的工厂参观实习中，学生不再像以往一样走马观花，而是可以基于虚拟仿真实验获得的知识将虚拟设备与实际设备对应起来，通过对生产设备和工艺的设计、使用进行提问，深入了解工厂生产情况，弥补了当今大学生对企业生产了解不足的缺憾，为今后科研和求职增加了助力。

图3 考核模式3D操作界面

3 展 望

虚拟仿真实验依托互联网与计算机，可以便捷地实现高校优质教育资源共享。“糖化酶催化啤酒发酵”虚拟仿真实验课程自开设以来，除用作我校学生酶工程实验模块教学资源外，因其贴近生活的实验内容与安全、简单的操作流程，还作为中心科普教育基地的重要内容，为前来参观的中学生进行酶制剂应用的科普。目前中心正在整合教师应用类科研项目，完善其他专业实验课程虚拟仿真实验内容，建立虚拟实验网络平台，旨在让学生在宿舍甚至在家中也可进行学习，并进一步用于地区及西部兄弟院校实验教学资源共享。

4 结 语

酶工程实验是一门与科研和工业生产实际联系紧密的实验课程，是高素质应用型人才培养过程的重要一环，然而酶工程下游实验的缺失减弱了教学内容的应用性与实践性。虚拟仿真实验以互联网为媒介，以计算机为实验终端，打破了时间和空间对传统实体实验的束缚，有利于将优秀教师科研成果转化为实验教学内容。酶试剂催化应用虚拟仿真实验的开设完善了酶工程实验内容，加强了课程与生产实际的联系，加深了学生对实验内容的理解与认识，从而使实验教学更适于新时期高素质应用型人才的培养。