虚拟仿真技术在发酵工程制药实践教学中的应用

罗方

[摘           要]  发酵工程制药是生物制药专业的核心课程，其内容丰富、涉及面广，同时与生产实际密切联系。虚拟仿真技术是利用电脑创造虚拟环境来模拟真实环境，并可以利用虚拟环境模仿真实环境中的操作和运行的新型实验模式，可以消除实体实验时间和空间的限制，降低实验成本。总结生物制药专业实践教学中存在的问题，并以生物制药仿真系统为例，对发酵工程制药实践教学中引入仿真系统的教学方式进行探讨。

[关    键   词]  发酵工程制药;虚拟仿真技术;教学改革

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2020）01-0090-02

发酵工程制药是生物制药专业的核心课程，课程内容丰富，涉及微生物、生物化学、生物制药设备、生化分离技术等内容，同时它又是一门应用性和实践性较强的课程。提高学生实践能力是实现高职高专培养应用型技术人才目标的重点[1]，特别是对于制药专业的学生来说，由于企业推行药品生产质量管理（简称GMP）认证，从业标准高，这就对制药类专业的实践教学提出了更高的要求[2]。为了培养学生对发酵制药原理的理解和掌握，提高实验操作的能力，一般在实验室进行小试操作的基础上还要进实训车间进行中试或生产性试验。由于发酵实训车间建设、维护和运行费用高昂，使中试及生产性实践教学无法大规模开展。多媒体教学法通过提供图片及视频在一定程度上提高了学生对真实车间的了解，但无法身临其境，难以有代入感。因此，将沉浸感强、交互性好的虚拟仿真教学系统引入实践教学中，可最大程度展示制药车间的生产流程，提高设备的操作感，激发学生的学习热情，从而增强实践教学的教学效果[3，4]。

一、发酵制药实践教学的特点

发酵工程制药是利用微生物或动植物细胞的生命活动而获得特定药物的技术过程，是现代生物制药技术得以实现的主要方法。发酵工程制药主要包括上游工程（优良菌株的选育、发酵条件的确定、培养基的选择和制备），中游工程（最适发酵条件的确定）和下游工程（活性物质的分离提取）。

实践教学是培养应用型技术人才的重要环节，传统的发酵实践教学主要分为小试阶段（普通实验室内进行），中试和生产性实践阶段（实训车间内进行）。小试阶段所需的普通实验室数量多，所需设备体积较小且较为经济，能满足大部分学生的实验要求，提高学生的基础操作能力。但普通实验室环境并不满足GMP要求，并与真实的工业制药车间差距大，难以培养学生GMP素养。中试和生产性实践一般在GMP车间内进行，所需发酵相关设备往往占地面积较大，价格昂贵，涉及的设备结构和连接管路复杂;发酵的方法生产药品的生产周期一般较长，需要几天甚至十几天才能最终完成;灭菌过程需要在高温高压条件下进行，有一定的危险性。建立GMP实训车间不仅初期投资成本高，建成后的维护成本亦远高于普通实验室。一般高校难以实现建设标准制药GMP实训车间，即使建有实训车间，每种设备也最多只有1～3套。目前我国正处于高职教育扩招阶段，一般采用大班教学，一班人数多达几十人，只有少数学生具有动手操作的机会。若减少每批实训学生的数量，可以增加每位学生设备使用的概率。但由于同一专业的学生通常为几百人，减少每批上课学生的数量意味着需要更长的周转时间和更多的指导教师，难以适合目前专业教师较少的现状。实训过程中还涉及大量原材料、水电、消毒用品等成本的消耗，生产出来的药品不能后续使用，需要报废处理，这些原因均阻碍了GMP实训车间的建设和使用。

二、虚拟仿真系统的应用

（一）虚拟仿真教学的优点

随着现代教育技术的飞速发展，网络技术等各种先进的信息技术越来越多地应用到教育教学中，新的技术带来了新的教育方式和手段[5]。随着计算机虚拟技术的快速发展，仿真技术已逐步应用于实践教学中。仿真技术是利用电脑创造虚拟环境来模拟真实环境，并可以利用虚拟环境模仿真实环境中的操作和运行[6]。我校使用了生物制药仿真系统，该平台中基于企业生产的虚拟仿真场景和生产流程，将发酵制药工艺流程和设备原理等学科知识进行合理分解，归纳为各个单元操作。学生可以按照各个子模块学习，又可以把各个子模块串起来形成整体的操作流程，消除了传统实训教学中只能选择几个重点设备进行单元性操作，无法体验完整的药品生产过程的问题。

（二）仿真系统在发酵工程制药课程中的应用

通过我院引入的生物制药仿真软件实例，探讨了仿真系统的教学方式对发酵工程制药实践教学的影响。发酵工程制药课程实践设计内容框架如下图所示，主要由实验室教学和仿真教学两部分组成。实验室教学中主要培养学生课程相关的基础操作训练和无菌意识。虚拟仿真系统以天冬酰胺酶的发酵工艺为主线，包括知识库、单元实训模块分类和操作、考核模块。

在知识库中，主要介绍了天冬酰胺酶的发酵工艺流程，学生可了解完整的产品工艺生产流程，理解各生产岗位的工作内容;还提供了GMP车间的整体结构和设备分布，提高学生的沉浸感，激发学生的学习兴趣。除此之外，还通过视频文件介绍了发酵工艺中所涉及的核心设备的使用原理、使用方法及主要岗位设置等。单元实训模块提供车间内各种虚拟制药设备的仿真实训操作，工艺分成多个单元模块，包括菌种培养、种子培养、种子罐空消和实消、种子罐接种、种子罐培养等，学生可以在掌握整体生产工艺的技术上进一步深入单元操作。进入操作页面后，可以进行对设备的选择和移动，并能通过对管道阀门的控制，对发酵过程中的温度、pH值、进料和出料等各参数进行控制，最后完成单元目标。考核模块又分为单元实训模块考核和理论知识考核。指导教师可以利用实训模块了解学生仿真实训的效果。理论知识考核点可以由教师自行设计自行導入，一般为与实训工艺流程、设备原理和标准操作方法、涉及的试剂相关的内容。经考核后学生的成绩可以由office文件形式导出并存档。

通过对门冬酰胺酶发酵工厂实物设备的仿真模拟，使学生掌握该工艺的设计原理、车间环境、相关设备、参数控制等有了更为深入的了解。虽然仿真教学具有界面直观、操作方便、安全性高、无损耗、无操作次数限制等特点，能节约大量的教育成本，但是，仿真教学不能完全取代实物操作，因为在真实操作环境中，学生接触到的信息远大于仿真系统提供的内容。举例来说，如对培养基的配制过程中学生可以真实地感受到培养基的颜色、黏度及灭菌前后的色泽变化，而在仿真系统操作时却无法感知。进一步来说，仿真系统不会提示操作不当产生的后果，如操作不当造成发酵污染杂菌，高温高压灭菌可能出现管路炸裂等意外事故。在实践中仅安排仿真教学容易导致学生对实际操作的风险认识不足，更重要的是会削弱学生分析和解决实际问题的能力。

为了提高发酵工程制药实践教学的教学效果，可以开放实验室。由于虚拟仿真教学系统打破了传统实验室教学时间的限制，可以通过采取在整个课程期间对学生全天候开放机房，这样学生就可以根据自己的需要随时进行仿真软件的实验操作，方便其自主的预习或学习复习课程。提供开放实验室可以最大程度地发挥教学资源利用率，提高学生学习自主性，提供学生实践条件。

三、结语

基于企业生产和GMP车间的虚拟仿真场景的实践教学仿真软件在发酵工程制药课程中的应用，可以节省学校的资金投入，节约教室空间占有率;实现实验技能训练和仿真设备的交互，提高学生对真实企业生产的了解。通过后台修改，使仿真内容与国家要求和现实生产技术同步更新。通过仿真技术和发酵工程制药实践教学结合，加强了课程与生产实际的联系，增强了课程的学习趣味性和学生的学习积极性，从而使实践教学更适合于新时期高素质应用型人才的培養。

参考文献：

[1]汪天友.应用型人才培养与高校教学改革问题探究[J]. 高教学刊，2017（6）.

[2]朱梦蓉.GMP认证后制药企业质量改进的持续性研究[J].科技进步与对策，2017（11）：156-159.

[3]项朝阳，贺昉，段丹萍，等.基于Quest 3D的仿真制药实训系统的设计与实现[J].中国职业技术教育，2013（5）：77-82.

[4]梁蕊芳，徐龙，翁鸿珍，等.仿真技术在发酵工程教学中的应用[J].中国现代教育装备，2012（11）：15-18.

[5]顾昊，孙智杰.李勤.生物学虚实结合实验教学模式探索与研究[J].实验室研究与探索，2016，35（4）：108-110，120.

[6]常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等.虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用[J].实验室研究与探索，2019（2）：243-245，250.

编辑 陈鲜艳