生物制药工程虚拟实验平台建设与教学应用

文玲，段广新，曾剑峰

1.苏州大学附属第一医院放射科，江苏苏州 215000；2.苏州大学放射医学与防护学院，江苏苏州 215123

生物制药工程是一门多学科交叉融合的专业，该专业将生命医学、生物技术、药物、生物化学、工程学等多个学科融合， 解决药物生产过程中技术难题的同时，培养具有多学科优势的生物制药工程人才[1-2]。随着生物医药产业的不断进步，生物制药工程对专业技术人员的需求越来越迫切[3]，同时网络应用技术的飞速发展，迫使传统的生物制药工程转型。 目前，我国生物医药行业相关的基础研究已达国际前沿水平，而下游的生物医药技术及产业化则相对落后[4]。大多数高校培养实验型人才，往往采取传统的实验教学模式， 这种方式在教学内容、教学实践上的不足很大程度上限制了人才的培养，进而阻碍生物医药技术水平的提升[5]。 为积极响应国家“互联网+”战略及教育部新工科建设，苏州大学积极推进教育教学改革，推动产学合作协同育人。 通过建设生物制药工程虚拟教学实验平台，不仅可以弥补传统实验教学的缺点，还能够借助多种功能模块丰富教学，更好地培养相关专业技术型人才[6]。

1 传统实验教学的不足

生物制药工程是极具实践性的一门学科，实验教学更是培养专业技术型人才的重要一环。但有些高校的实验场地、设备等不能满足相关实验的要求，这使得很多实验无法在学校实验室进行，学生的实际操作能力难以得到明显提升。制约传统实验教学的原因主要有以下几个方面。

①实验条件方面：对于实验的开展，大多数学校实验室场地和硬件设施不能满足特殊实验的要求，使得部分实验教学仅局限于理论层面，学生的实践操作能力无法得到明显提升。部分实验还会涉及一些复杂且有潜在危险的步骤， 若学生稍有操作不当就会造成严重后果。为了确保学生的生命安全， 此类实验很少在实验室开展，学生也因此失去相关实验实际学习的机会。 对于实验后的处理， 有些生物制药实验涉及产物的分离和提取，若采取有机溶剂萃取的方法，不可避免地会产生废液，意味着实验室还需要考虑废液的处理，一定程度上限制了实验的进行。

②实验成本方面： 有些生物实验试剂难以保存、易失活；有些生物实验试剂有剧毒，需要专业的防毒防护面具；有些生物实验需要高纯度的试剂，价格昂贵且购买周期长，这些都限制了学生进行生物实验的机会。另外，有些生物实验还需要一些高精尖的仪器设备，这类仪器设备价格高昂，且部分体积庞大，需要占用足够的实验空间，限于经济成本及空间成本，多数学校的高精尖仪器设备有限，一定程度上限制了学生实验能力的培养。

③实验时间方面：对于时间成本，有限的教学时程制约了部分生物制药实验的正常进行，例如，红霉素发酵实验，红霉素链霉菌生长周期为7～9 d、菌种活化阶段需要3 周、种子培养需要2 周、发酵培养需要2 周，完整的实验操作周期很长[7]，而传统实验教学模式无法投入实现该实验的时间成本，给相关实验的进行带来了障碍。

2 生物制药工程虚拟实验平台建设构想

生物制药工程是生物制药专业学生需要掌握的基础知识，同时也是进入企业从事生物制药相关工作的必需技能。 通过建设生物制药工程虚拟实验平台，不仅可以弥补生物制药工程学科实操性不足的缺点，还可以更好地培养相关技术型人才[8]。

2.1 虚拟仿真实验平台设计要素

虚拟仿真实验凭借其独特优势弥补传统实验的众多不足，对于虚拟仿真实验平台设计应满足以下几个要素。

①虚拟仿真实验应具有“真实性”，虚拟仿真实验的实验器材应根据实际的实验器材等比例放缩，能够还原实验的真实场所。学生都将通过虚拟仿真实验平台较为真切地感受实验整个过程所用的仪器，从而确保实地操作熟练进行。

②虚拟仿真实验应实现人机交互[9-10]。 虚拟仿真实验技术是利用虚拟系统模仿真实实验的技术。学生可以利用自己的电子设备，通过鼠标点击等方式来完成实验操作。另外虚拟实验平台能够对学生的操作步骤及规范性做出判断，实现学生高效学习。 同时平台还可以根据学生操作反馈生成评价体系， 使学生可以及时了解自己的学习进度及效果，有效提高学生自主学习的主观能动性。

③虚拟仿真实验应具有记忆储备功能。历史操作记录的储存便于学生随时调取学习。软件可以根据学生每一次的学习操作生成个性化总结，帮助学生巩固之前的实验操作、加深学习，同时能够对应总结，设计相应的测试题目以达到查缺补漏的目的。

2.2 虚拟仿真实验设计模块

为适应教学与学习需要，虚拟仿真实验平台涵盖了实验学习的整个流程， 实验前先让学生打好理论基础，再利用虚拟仿真实验平台进行相关的实验操作。 因此，虚拟仿真实验平台具体共分3 个模块。

①理论知识模块。 为增强学习者的操作代入感、提高学习效率， 虚拟仿真实验平台将带有理论知识模块。学生可以在实验前自主学习相关理论知识，对实验的整个过程进行初步了解，清楚知悉实验的注意事项，在实验开始前首先知道如何确保实验安全。 另外，在此模块添加相关理论学习的测试， 题目围绕实验安全操作、实验步骤排序等，在正式实验开始前，通过这种检测方式，很大程度上可以帮助学生掌握基础理论与实验规范。

②实验操作模块。实验操作模块包括实验仪器和实验操作。实验仪器方面，此模块将利用现代技术实现3D展示。 首先对实物进行全景拍摄，然后根据拍摄图片进行画图绘制，尽量做到还原，清晰地描绘出各个实验器材的主体和附属结构，实现仪器的三维旋转展示。 学生可以通过点击相关部件，获取其名称和使用方法，同时还可以将整个仪器上的单独元件拖出，单个元件仍然可以进行360°操作， 供熟悉每一个零部件的具体结构，满足学生的学习需要。 该模块通过还原实验仪器实物，让学生在立体空间上了解相关设备，从而更好地结合书本的理论部分，掌握仪器的基本使用方法并探索仪器的运行原理。

实验操作模块是利用虚拟仿真实验平台进行微生物分离、种子培养、发酵培养和产物分离等相关生物制药实验操作， 每一个主实验又分为数个单元操作模块。具体的操作模式包含两部分，即练习模式和测验模式。

在练习模式里， 系统会对每一步操作做出简要概括，学生可以按照系统的指示完成相关操作，对于不理解的操作指示，通过点击操作指示框，系统即会跳转至相关操作的理论部分。

在测验模式里，系统不予以相关操作指示，待学生完成整个操作选择后， 系统会对学生的选择作出判断，并根据错误选择自动生成操作反馈，从而学生能够及时认识并改正自己的错误操作。

③互动讨论模块。互动讨论模块包括操作互动和师生讨论。 操作互动方面，学生可以邀请系统内好友进行虚拟实验合作，每一步操作两人都需操作正确，系统才会跳转至下一步骤，同时在互动模式中，学生可选择开启语音权限，实现互动过程中的实时交流。

师生讨论方面，每一个实验操作模块都设有对应的答疑区，学生可以将自己在实验学习中的疑问分享至此区，教师或其他的学生均能对其问题作出答复。 通过互动答疑的方式，学生能够加深对相关实验内容的理解。

2.3 虚拟实验平台应用于教学设计

实验教学可以利用虚拟实验平台实现“虚实结合”双重教学， 根据学生需要层次不同开设不同等级的平台，包括基础教学平台、专业研究平台、探索实验平台。

①基础教学平台。基础教学平台主要针对初次学习相关内容的学生，该平台可以广泛应用于教学前、教学中以及教学后。

教学前，学生首先通过浏览课本的方式初步了解所学内容，然后借助虚拟仿真实验平台的理论模块，加深对知识的掌握，同时完成自主检测。在此阶段，教师首先通过现有的线上教学平台发布预习任务，其次借助虚拟实验平台掌握学生的学习进度，最后利用线上教育平台发布相关信息，从而起到督促学生的作用。

教学中， 教师首先给学生讲解相关实验的理论部分，讲解时借助虚拟仿真实验平台的实验操作模块向学生演示相关实验步骤，其次在实验室开展教学时，教师需针对真实实验与虚拟实验不同的部分着重强调，包括实验仪器和操作步骤的差异。实验室的教学对于学生的学习起着十分重要的作用， 仿真实验虽具有多种优势，但无法完全替代实验室教学。由于在真实操作技术环境中，学生面临的情况要远比虚拟平台上的复杂，现实实验相比于虚拟实验更加锻炼学生的各方面能力。 例如，在培养基的制备过程中，学生可以真实地感受到灭菌前后培养基的颜色、黏度等变化，但在虚拟仿真实验平台中却感受不到[11]。 最后在实验室教学中，学生可以根据出现的情况进行讨论交流，同时教师也能够及时解答学生在实验过程中遇到的问题。

教学后，学生能够使用虚拟仿真实验平台进行自主复习。 选择进入平台实验操作的“测验模式”，学生可以测试自己相关实验的掌握程度，同时系统会将学生答题情况同步到教师端，有助于教师合理设计教学内容。 另外，学校应定时开放实验室，提供学生自主学习和巩固的机会。

②专业研究平台。专业研究平台主要针对需要深入研究相关内容的学生，该平台则应用于实验研究开展前以及研究进行中。

在实验研究开展前，学生可以利用虚拟仿真平台的理论知识模块，了解与研究内容相关的整体框架，为即将进行的实验研究提供合理的思考方向。对于需要深入研究的部分， 虚拟仿真平台则通过互联网检索知网、万方等数据库公开的相关文章，学生能够借助平台下载相关文章进行阅读。 此外，学生能够借助虚拟仿真平台中的实验操作模块， 自主学习与研究内容相关的实验操作，提高正式实验研究的效率。

在研究进行中， 学生会遇到相关理论或实验问题，此时能够利用虚拟仿真平台理论知识模块检索与之有关的文章，拓宽自己的理论认知，还可以在相应的实验研究讨论区中分享自己的困惑，与相关领域的同学老师交流，有助于实验研究的正常推进。

③探索实验平台。探索实验平台主要针对在相关领域研究有一定成果且想继续探索的学生，该平台则应用于发现问题。

对于探索实验，虚拟仿真平台的实验操作模块提供无限次的操作，学生可以在不断操作中发现有待研究的问题，进而针对其进行真实实验，同时查阅相关领域的文章，最终找到一个可行的探索方向。此外，学生能够在相关实验操作的讨论区发表自己的想法，与对该内容感兴趣的同学老师交流，有助于打开自己的思维，提出更好的观点。

在不断使用虚拟平台探索实验的过程中，学生还可以发现平台部分模块的不足之处，通过合适的途径对其进行反馈，有助于虚拟仿真平台的更新完善。

3 虚拟平台应用于教学的思考

基于笔者对多个虚拟仿真实验平台的使用，对于其应用于教学，笔者有以下的思考和建议：①部分虚拟仿真实验平台的理论知识较为片面。在使用平台的理论模块进行学习时，笔者发现很多书本上的重点内容在虚拟仿真实验平台并没有涉及， 如果单纯在平台上进行学习，会造成重点知识的遗漏。 虚拟仿真实验平台应不断完善实验理论知识的导入，这就要求使用者在虚拟仿真实验平台学习时，及时反馈所发现的漏洞，从而不断地补充相关内容。

②虚拟仿真实验平台部分操作欠缺真实性，存在误导学生的可能。 学校可以联合企业相关技术人员，共同参与对虚拟仿真实验平台上相关实验步骤的设置和评估，确保实验步骤的准确性和真实性。另外，学校可以联合软件设计的技术公司针对虚拟仿真实验平台的实验操作步骤进行优化，增强操作过程的真实感，以提高学生使用的体验感。

③缺少对虚拟仿真实验平台的宣传及使用讲解，一定程度上降低了学生使用的频次。如果只是提供学生虚拟仿真实验平台，不具体讲解和示范如何使用虚拟仿真实验平台，学生使用的积极性会大大降低。 老师应在实验教学的过程中应多结合虚拟仿真实验平台，通过在平台布置学习任务的方式增加学生的使用频次，从而起到督促学生学习的作用。

随着现代科技的不断进步，数字化教学不断深入每一所高校，教学已经不再局限于一支粉笔、一个黑板和一间教室。针对这种数字化教学趋势，笔者有以下建议：

①线上教学软件大多都具备正常教学的各种功能，但不可避免地会出现画面缺损、声音断续等问题[12]。因此需要相关的技术人员研究改进各项功能，不断地更新完善线上教学APP。

②在实际线上APP 教学的过程中， 由于教师对于软件的使用方法不够熟悉， 线上教学的效果总差强人意。因此需要学校联合有关软件的技术人员给教师提供专业的培训，从而进一步提高教师的线上教学能力。

③对于部分学生来说，线上教学会增加其学习的惰性[13]。 相比于线下学习，线上学习的方式无法提供教室学习的环境，失去这种环境的约束，部分学生的学习效率会降低，基于这种不足，笔者认为可以联合线上教学开发带有奖励机制的监督系统，通过增设线上环境的约束，一定程度上提高学生的学习效率。

从笔者的角度来看，无论是虚拟仿真实验平台的建设还是线上教学的各种途径，虚拟化的教学平台对于人才培养有很好的引导作用，如何将其切实应用于学习和教学是学生和教育工作者未来共同努力的方向。