生物药物制备技术虚拟实验教学平台的构建初探*

2014-05-10彭昕范三微许丽丽何军邀

中国教育技术装备 2014年8期

◆彭昕范三微许丽丽何军邀

作者：彭昕，浙江医药高等专科学校讲师，主要从事生物制药技术专业课程教学；范三微、许丽丽、何军邀，浙江医药高等专科学校生物制药教研室（315100）。

生物制药技术是在药学、生物技术、制药工程学等学科基础上发展起来的新兴交叉学科。本专业主要培养从事生物药物生产制备、分析检验和质量控制、设备养护和市场营销等工作的高级应用性人才。由于生物技术的特殊性（高技术、高风险、高回报），对学生扎实过硬的综合实践技能功底和研究及创新能力的训练显得尤为重要。

生物药物制备技术是生物制药技术专业最重要的专业主干课程，该课程教学内容广泛，涉及发酵工程、基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程等多方面。传统实践教学手段受到场地、仪器和设备等各方面教学资源的限制，远不能满足教学需要。

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（教高〔2006〕16号文件）的出台，标志着高等职业教育的工作重点从抓规模扩张转向内涵建设。文件中强调“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”，虚拟实验室平台的建设成为高等职业院校提高实践教学质量，加强内涵建设的重要部分[1]。

近年来虚拟现实技术的研究越来越引起关注，但在药学相关课程中的应用少有报道，尤其是高职高专院校开展虚拟实验室教学的报道更为少见。浙江医药高等专科学校生物制药技术经过13年的建设，于2010年成为中央财政支持的职业教育实训示范基地，并在该专业主干课程——生物药物制备技术的实验实训教学中全面开展了项目模块化教学，构建了该课程实践教学多媒体资源库[2]。为进一步提高该课程的实践教学质量，本文对生物药物制备技术虚拟实验教学平台的构建做了初步探讨。

1 生物药物制备技术实践教学面临的问题

浙江医药高等专科学校生物制药技术专业目前已建设成为浙江省特色专业、宁波市重点专业。作为专业核心课程，生物药物质量检测技术和生物药物制备技术两门课程分别是省级和校级精品课程，并建有课程教学资源共享网站。虽然取得一定的成绩，但在教学中仍然存在一些突出的问题。

1）生物药物制备技术实验所需仪器设备较多，如微生物或动植物细胞培养系统、蛋白层析系统以及一些大型精密仪器如定量PCR仪、红外光谱仪、质谱仪、原子吸收光谱仪等，需要操作者具有熟练的操作技能。实践课上通常是教师对仪器的介绍和简单的操作演示，导致学生对仪器的认识及其操作了解肤浅，走上工作岗位后基本不能直接操作。虽然实训车间已购入中试规模的发酵罐，但由于各方面限制，目前只让学生做到空消的步骤，没有实际进行菌种培养的工作。下游分离纯化的实训项目因为考虑到需要使用大量易燃易爆易挥发的有机溶剂，存在较大的环境污染和安全隐患，目前也仅开设了一些小试规模的蛋白质盐析、层析等小实验项目。

2）生物工程及组织细胞培养方面的实验大多非常耗时，往往需多天甚至更长，并且需要超纯级的实验试剂，有些试剂具有一定的毒性、放射性，并因环境污染而不具有可行性。这使得实验项目非常有限，即便是开设了的实验，由于实验仪器和试剂昂贵也不可能让学生重复实验，造成学生实践技能和经验掌握不足。

3）近几年随着招生规模扩大，实验室硬件建设滞后。学生人均设备台套数相对减少，实验时经常是分组完成实验，造成一人实验多人观摩的局面，学生实际锻炼的机会少。且因为一般一个实验教师要同时指导20个左右的学生，学生操作有错误时不一定能即时发现，影响了教学效果。

2 生物药物制备技术虚拟实验教学平台的构建

虚拟实验平台的特点及发展现状虚拟实验室是基于Web技术、虚拟现实技术构建的开放式虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。实验者借助其软件系统可完成各种预定的实验项目。虚拟实验室具有低成本、高安全、高效率、长效性、开放性、共享性等优点，可以增强学生学习的主动性，取得较好的教学效果，是一种建构主义理论倡导的“以学生为中心”的抛锚式教学策略和随机进行学习的教学方式。

虚拟实验室是由美国的William Wolf教授首次提出的。美国十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位，如Model ChemLab是一款面向中学和大学的、交互性很强的普通化学实验室，学生可以进行酸碱滴定等化学实验。另外，生物领域中的“虚拟青蛙解剖”实验教学也是一例[3]。

在我国，虚拟实验室的建设也得到了较大的重视，清华大学、华中理工大学、复旦大学等高校走在了前列。上海等地多所电大也在积极筹建远程实验室，作为突破远程教育中实验教学局限的全新尝试，如基于VRML的机械设计虚拟实验系统、基于VR ML的工程图学虚拟实验室、基于VRML的动物解剖虚拟实验系统等[4]。总体上我国虚拟实验系统的开发和应用尚处于初级阶段，本科院校的建设速度快，而高职院校发展缓慢。

生物药物制备技术虚拟实验平台的总体设计

1）技术选取。

①Java技术。Java是一种使网页由静态转为动态的软件编程语言，其自动内存管理和下标检查机制具有较强的稳定性和安全性，对于构建网络虚拟实验平台而言是至关重要的特性。另外，Java3D也是目前构建三维实体的主要方法之一[5]。Java的跨平台特性迎合了网络计算机的思想，它还是一个动态代码系统，用Java语言开发的交互动画具有可视化、可听化、可操作化的特性，非常有利于虚拟实验室的构建[1]。

②Flash技术。网络视频播放器基本是以Flash技术实现，Flash技术所具备的强大功能足以保证虚拟实验室功能的实现。实验资源用Flash动画模拟实现，按照实验流程将所需的实验器材放入主场景中，再利用Flash内置的脚本语言ActionScript实现三维实验场景中虚拟实验器材的点击、拖拽等交互操作，营造出真实性强的虚拟实验环境[6]。

另外，采用Dreamweaver设计网页，Photoshop处理图形图像，Adobe Premiere处理数字视频课件，Access创建数据库。

2）模块设计。虚拟实验平台主体功能模块分为课堂教学辅助模块、学生仿真练习模块、实践仿真考核模块。

①课堂教学辅助模块包括仪器子模块（主要介绍冷冻离心机、PCR仪、蛋白层析系统、高效液相、酶标仪等常用仪器及一些大型精密仪器如基因测序仪、流式细胞仪、核磁共振仪等的原理、操作规程、注意事项、保管养护等）、企业生产实况子模块、第二课堂及交流园地子模块等。

②学生仿真练习模块包括基本实验项目子模块及综合实训项目子模块，走访生物制药企业了解企业产品结构、相关岗位对专业技能方面的需求，同时结合国家职业标准及企业员工技术培训的共性需求，完善现有实验实训项目，设计一系列连贯的、开放性、综合性实验实训项目。基本实验项目子模块中主要安排一些细胞培养、生物大分子含量测定以及电泳、盐析、层析等基本生化技术项目。综合实训项目子模块则安排一些生物制药工艺综合技能实训项目，如青霉素发酵、重组人胰岛素生产、酶法合成阿莫西林。以实际的生产线为基础，对实际需要的生产设备及场景进行模拟，让学生能够对涉及到的设备进行仿真操作，真正了解生产线流程、工艺以及生产设备的操作与维护。

③实践仿真考核模块主要包括仿真操作考核、半自动实验报告及在线测试系统。实验过程中系统会给出操作正确与否的反馈，当实验完成后，会出现显示分数的界面并显示实验者本次操作成绩。实验者网上可随时提交实验成绩，还可以通过不断重复以掌握实验的重点和过程。在线测试可根据每个实验设计不同的试题，通过在线考核及时反馈教学效果。