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虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中的应用探究论文

 人参与  2025-01-02 10:30:58  分类 : 教育论文  点这评论  作者：团论文网  来源：https://www.tuanlunwen.com/
　　摘要：文章首先阐述了虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中应用的优势，然后论述了虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中的具体应用，最后从优化实验环节设计、提升实验项目的工程性两个方面提出了虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中的应用策略。

　　关键词：虚拟仿真技术；实验教学；生物制药专业

　　生物制药是目前国内外发展最迅速的产业之一，更新快、活力强、技术高是该产业的标签[1]。在高校的人才培养中，生物制药是由生物学、化学、药学、工程学等多学科相互融合形成的交叉学科，其涉及面广且知识点抽象，与生产实际结合紧密[2]。新工科背景下，生物制药专业建设需要注重产教融合，提高学生的综合实践能力，以应对生物医药产业变革，为产业发展培养应用型、创新型高素质人才，这对生物制药专业建设提出了新的挑战[3-4]。

　　笔者所在高校于2014年开设生物制药专业，该专业授予工学学士学位。为加强学生专业实践能力培养，该专业开设了生物化学实验、微生物学实验、发酵工程实验、生物分离工程实验、药剂学实验、洁净及隔离技术实验、生物制药综合实训等专业实验实践课程。但由于实验室条件有限，且无校内生物制药相关实训实践基地，导致实验课程的开设存在以下问题：第一，实验多为科学研究类，设备操作少，工程性不足；第二，实验成本高，实验周期长，易造成污染；第三，理论内容和实践应用联系不紧密，与目前主流生物制药产品生产脱节。这些问题导致学生生物制药生产相关能力锻炼不足、专业认同感有待加强，无法强化学生的工程能力和意识[5]，实验教学已成为生物制药专业人才培养的痛点。基于此，本研究探究了虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中的应用，以期助力人才培养。

　　一、虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中应用的优势

　　虚拟仿真技术将计算机图形学、仿真技术、多媒体技术及计算机网络技术融为一体，为使用者带来身临其境的实验感受。它不仅能够直观地展现那些难以直接观察的结构和原理，还能模拟真实生产中的流程和动态结果，使学生可以更加熟悉工业生产过程，让知识更加形象化、具体化，满足生物制药领域实验教学的需求[6]。通过这项技术，能够构建一个集教室、实验室和工厂于一体的综合性平台，真正实现“工厂进驻校园”的目标，从而为生物制药专业人才培养注入新的活力。

　　（一）突破教学资源限制，增强实验工程性

　　虚拟仿真技术通过对真实生产的模拟，可让学生真切认识到所学的理论知识可以转化为“神秘”的生物制药产品，由此打破空间壁垒，丰富实验内容，深化学生对生物制药产品生产深度和广度的认知，从而强化学生的专业认同感。同时，通过虚拟仿真软件解决生物制药工艺和工程问题，可以锻炼学生的工艺操作能力和工程设计能力，培养学生的工程思维。如教师在发酵工程实验、生物分离工程实验中可采用虚拟仿真技术模拟中大型发酵罐、生物分离设备等的生产操作，同时结合文字、视频等元素，让学生对真实生物发酵、分离等生产操作流程及生产注意事项有较全面认识，还可模拟生产中的事故处理，增强学生在生产中的安全意识，这是实验室科学实验中锥形瓶、摇床、烘箱、旋转蒸发仪、小型滤膜等无法实现的。
 

 
　　（二）提高实验效率，降低实验成本与风险

　　生物制药专业开设的部分实验课程生物培养时间长，所需药品耗材价格高，实验设备贵重、更新换代快且运行成本高，同时实验具有一定风险性，实验产生的废液（物）不易处理，这些都使得实验环节费时费力费财，且不能保证每位学生都有操作机会。而在虚拟仿真系统中进行教学，一切过程都在计算机上进行，避免了实际操作过程中可能出现的危险和操作不当引起的损失[7]。虚拟仿真技术可以打破时间和空间的限制，模拟关键环节，加快实验等待速度，降低实验的成本，还可以有效规避实验中的隐患，消除污染物影响。如微生物扩大培养环节、蛋白分离纯化环节、凝胶电泳环节的虚拟仿真模拟，可有效提高实验效率，降低实验的风险和成本。

　　（三）激发学生学习热情，提高学生学习灵活性

　　生物制药专业的实验操作环节可锻炼学生的实践能力和专业素质，但部分实验等待时间较长，验证内容机械化，容易导致实验中学生操作疲劳，影响学生参与实验的兴趣和积极性。生物制药虚拟仿真实验通过对目标人物的控制和交互，结合动画和音频提高学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。同时，由于其时间的灵活性，可以将虚拟仿真实验穿插在实体实验的等待时间，提高时间的利用率。另外，可通过平台上线虚拟仿真课程，供学生随时进行软件操作，进行实验的预习和复习。

　　（四）契合生物制药产品生产，增强学生专业认同感

　　专业认同感是激发学生学习主观能动性的重要源泉，生物制药专业认同感来自专业认知上的认同和价值观上的认同，这些要求学生有较好的理论知识和实践能力，同时对生物制药知识和实际应用与社会贡献的关系了解清楚[8]。虚拟仿真实验项目可以引入目前典型生物制药产品的生产，让学生对这些神秘的产品生产有全面的认识，并通过虚拟仿真产品的生产过程模拟，使学生掌握生物制药过程中复杂工程问题的解决方法，加深对制药生产设备、制药工艺原理及制药车间设计的理解，同时通过与实验室科学实验研究的结合，让学生更加清晰地认识到利用已学和待学的生物制药专业知识是如何一步步设计并制造出药品的，从而增强学生的专业认同感。

　　二、虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中的具体应用

　　近两个教学周期，通过与授课教师沟通和对学生反馈信息的研究，笔者分析了现今实验室硬件条件下生物制药专业实验课程开设项目的合理性及改进空间。对于高成本、高消耗、高危险性和条件不充分的实验项目，适当将学校已有软件或虚拟仿真平台线上软件融入实验教学环节，修改、完善这类实验教学大纲和指导书，优化虚拟仿真实验项目，并对结果进行评价分析，逐步完善虚拟仿真实验内容和虚拟仿真实验教学方式。

　　（一）在生物化学实验中的应用

　　生物化学实验是一门研究生物体内化学进程的实验课程，它主要研究细胞内各组分如蛋白质、糖类、脂类、核酸等生物大分子的功能，研究对象微观且抽象，研究方法精密且复杂，这对实验内容及教学策略提出了较高要求。该门课程在蛋白综合实验中引入了虚拟仿真实验项目——SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳虚拟仿真实验。在开展蛋白综合实验实物实验前，先让学生通过虚拟仿真软件模拟凝胶电泳实验的各个环节，包括样品制备、分离胶和浓缩胶的制备、灌胶、加样、电泳、染色、脱色等。虚拟仿真软件操作过程中，教师要对关键点和易错点进行问题引导，如各溶液、样品的加入量等，选择正确才可进行下一步，同时虚拟仿真软件可对一些操作进行放大处理，如制胶板中各液体加入位置的放大等，这些都可加深学生对重点操作步骤的印象。虚拟仿真环节结束后，教师可让学生对重点操作和易错操作点进行总结思考，形成文字，然后再进行实体的电泳实验。虚拟仿真操作让学生对凝胶电泳实验流程和注意事项有了直观的认识，之后再进行实际的实验操作，通过虚实结合，学生更好地掌握了该实验方法，在实际操作中获得助益，最终实验成功率和往届学生相比有了明显的提高，同时减少了试剂的浪费，降低了危险化学品的消耗量，节省了实验时间。

　　（二）在药剂学实验中的应用

　　药剂学实验是一门研究药物制剂剂型基本理论、处方设计、生产工艺、质量控制的实验课程，药物制剂涉及剂型较多，对生产设备及生产环境要求较高，将理论课程中的剂型全部在实验室实现难度很大。而在药剂学实验中引入虚拟仿真实验项目—注射剂生产虚拟仿真实验，可填补药剂学实验中注射剂实验的空白，丰富实验内容。学生可通过虚拟仿真软件模拟注射剂生产的全流程，包括称量、浓配稀配、洗瓶灭菌、灌封、灭菌捡漏、灯检等。虚拟仿真软件还可引导学生对操作相关的药品生产质量管理规范进行学习，让学生对药品生产要求有直观认识。另外，虚拟仿真软件可以让学生对相关设备进行仿真学习，深化学生对制剂生产的认知。实验结束后进行仿真考试，考查学生对注射剂生产流程和知识点的掌握情况，最后让学生以实验报告的形式记录实验的内容和自己的收获等。

　　（三）在发酵工程实验中的应用

　　发酵工程实验是一门利用微生物的某些特定功能，把微生物应用于产品生产的课程，具有明显的工程性，研究内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等。当前，实验室规模的摇瓶培养无法充分体现发酵工程的实验特点，而在发酵工程实验中引入虚拟仿真实验项目—灭活疫苗生产虚拟仿真实验，与真正的微生物工业生产过程相结合，可提升实验的工程性。通过虚拟仿真软件让学生模拟病毒灭活、病毒接种培养、动物细胞扩大培养、病毒分离纯化、半成品制备、罐装等疫苗生产的工艺全流程，并进行GMP车间内洁净区更衣消毒、车间漫游、生产设备学习、GMP设施学习、人员退更等模拟，可以使学生对于疫苗的生产工艺及生产环境要求有较深入的了解，并对药品生产质量管理规范有直观的认知。对于关键环节，如生物反应器内细胞的扩大培养、病毒接种等，虚拟仿真软件还可以结合DCS系统对加料量、温度、pH、溶氧等环节进行控制，并对操作结果进行直观反馈，从而提高学生解决复杂工程、工艺问题的能力。实验结束后选择关键操作单元进行虚拟仿真考试，考查学生对疫苗生产工艺流程的掌握情况，并对操作内容如灭活方法、空消方法等进行提问，根据回答情况对学生课堂表现进行评分，最后形成实验报告。虚拟仿真实验为疫苗生产的学习提供了安全、可靠、低成本和高真实性的实践教学条件，结合发酵工程实验中实体实验部分，增强了学生的学习体验，提升了教学效果[9]。

　　（四）在生物分离工程实验中的应用

　　生物分离工程实验是一门研究将生物混合物中的目标物通过特定的工艺流程进行分离得到纯化的目标物质的实验课程，由于生物分离技术较多，对耗材和试剂需求较大，因此实验成本较高。而在生物分离工程实验中引入虚拟仿真实验项目—膜分离虚拟仿真实验，通过软件模拟不同膜组件对原料液的分离流程，依次进行超滤实验、纳滤实验、反渗透实验，并通过调整流量记录进出水的电导率值或吸光度值，可以研究不同膜组件及不同流速下的分离效果。该实验教学过程中，要求学生根据实验内容先对工艺流程图进行学习，然后再进行操作，最终根据实验结果得出结论，并撰写实验报告。通过借助虚拟仿真软件，该实验在节省原料的同时，可以避免反渗透膜等耗材的消耗，同时可让实验中变量改变后的实验效果更稳定、更直观，增强实验的结果反馈。

 
　　（五）在空气洁净技术实验中的应用

　　空气洁净技术是实现《药品生产质量管理规范》的重要技术保证，空气洁净技术实验研究内容包括空气净化的基本原理和基础知识、洁净室设计、洁净室中洁净度及微生物检测等，这些内容涉及的设备设施是实验室所不具备的。对此，可在空气洁净技术实验中引入虚拟仿真实验项目—空调净化系统仿真实验、药品验证虚拟仿真实验。具体而言，可通过虚拟仿真软件，让学生依次模拟以下板块：①人员进入洁净区流程，即更鞋、洗手、更衣、更手套、风淋等；②空调净化设备操作流程，即对空调新风段、混合段、初效过滤段、表冷段、风机段、臭氧消毒段、电加热段、蒸汽加湿段、中效过滤段、出风段等进行模拟操作；③药品生产环境验证，即尘埃粒子检测、浮游菌沉降菌检测、风量风速检测、高效过滤器检漏。通过这些虚拟仿真实验项目的引入，弥补了实验室条件的不足，并丰富了实验内容，也为该实验课程中后续的洁净室设计实验的顺利开展打下了基础。

　　三、虚拟仿真技术在生物制药专业实验教学中的应用策略

　　虚拟仿真软件固然可以高度模拟制药过程，在一定程度上弥补实验室条件的不足，但若只是跟随软件的操作指示机械地进行操作，不进行操作前研判、操作后思考和软件知识点学习，那么虚拟仿真实验的成效会大打折扣。教育部原高教司司长吴岩阐释了虚拟仿真“金课”的“两性一度”要求，即高阶性、创新性和挑战度，要求打造好虚拟仿真实验项目，适当提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量[10]。为更好地发挥虚拟仿真软件教学的优势，达到虚拟仿真实验“两性一度”的标准，笔者基于多门虚拟仿真实验课程的教学实践，认为可以从以下几个方面进行虚拟仿真实验教学设计。

　　（一）优化实验环节设计

　　生物制药专业虚拟仿真实验的设计可以分为前、中、后三个环节。每个环节都有其独特的设计重点和要求，旨在为学生提供完整且富有成效的学习体验。

　　1.实验前环节设计。理论预习方面，通过在线课程、文献、科普视频等形式引导学生，要求学生对虚拟仿真实验项目涉及的药品生产流程或实验相关原理进行查阅，并形成预习报告，针对药品生产列出相关工艺和需要注意的事项，确保在进行实验前已经掌握相关的生物制药基础知识和原理。虚拟仿真预习方面，与学生共享虚拟仿真平台，介绍平台使用方法及操作，下载相应软件，帮助学生提前适应虚拟仿真实验环境，并鼓励具备条件的学生提前进行线上虚拟仿真软件操作和学习。任务驱动方面，明确实验的目标和预期结果，让学生了解实验的目的和意义，从而更有针对性地进行实验操作，并形成预习报告。

　　2.实验中环节设计。实验中注重课堂操作环节、提问环节、考试环节的把控。课堂操作环节，学生根据指导在虚拟仿真环境中进行实验操作，针对预习内容进行嵌入和对照，模拟真实的生物制药过程，验证工艺的同时探索发现生产中新的技术要求，系统进行实时反馈和提示，帮助学生纠正错误并优化操作。之后，教师通过文字或视频、动画等形式提供详细的知识点学习资料，包括设备使用、实验步骤、注意事项等。同时，针对实验内容进行课堂提问，包括操作易错点和操作中的安全注意事项等，并根据学生回答情况给出课堂表现分。学生操作完成后进行无操作提示或少量提示的虚拟仿真实验考试，并将成绩计入实验总分，这部分成绩及课堂表现得分构成实验中考核成绩。

　　3.实验后环节设计。实验后学生根据实验数据和分析结果撰写实验报告，总结实验过程和发现。报告模板进行有别于实体实验的设计，除了实验目的、原理步骤，着重通过实验分析总结、思考题、生产流程图绘制等板块来考查学生对于实验操作的原理及工程工艺知识的掌握。

　　通过以上设计，生物制药专业的虚拟仿真实验可以为学生提供一个安全、高效且富有成效的学习平台，帮助他们更好地掌握生物制药技术和知识。

　　（二）提升实验项目的工程性

　　生物制药专业的部分实验具有明显的工程性，可以培养学生对实验设备的设计、选取和使用方面的能力，对生物制品生产车间进行认知和设计的能力，以及对生物制药工艺过程进行优化和控制的能力。

　　1.设计模块。在综合性的虚拟仿真实验项目中，可适当引入工程设计模块，增强软件的交互性，允许学生根据自己的需求进行参数调整和实验设计，通过随机产量，让学生进行物料计算，进行所需发酵装置型号及数量的确定，再进行相关虚拟仿真实验，同时让学生根据虚拟仿真生产工艺自行绘制带控制点的工艺流程图，根据理论课上的知识设计产品生产车间的平面图，并进行洁净区划分和人物流绘制，同时对全国大学生制药工程设计竞赛相关作品进行展示和讲解，让学生认识到药品的生产和车间设计的专业性、复杂性。

　　2.操作模块。虚拟仿真软件需要结合工程实践，引入实际生物制药生产中的案例和问题，让学生在虚拟环境中解决真实问题。具体可设计多层次的实验任务，从基础操作到复杂工艺，逐步提升学生的实践能力和问题解决能力。同时，要让学生根据工艺参数，如pH值、温度等进行工艺条件设置，并根据结果优化调整参数等，通过实验结果实时反馈，确保学生在进行虚拟仿真实验时能够获得接近真实实验的体验。

　　四、结语

　　生物制药作为工科专业，对实验的工程性和完整性有着较高的要求，而传统的实验室教学模式往往仅针对生物制药相关基础科学验证及研究，有一定的局限性。而虚拟仿真实验可在一定程度提升实验的工程性，提高实验效率，节省实验成本，打破空间、时间的局限性。将虚拟仿真技术融入生物制药专业实验教学，并结合课程特点对实验环节进行灵活设计，改革实验教学模式，注重课程前后的任务驱动和虚实结合，能在一定程度上弥补传统教学模式存在的缺陷，培养紧跟生物制药行业发展趋势的高素质工科毕业生。

      参考文献：

　　[1]吴莺,张婉春,李光文.虚拟仿真技术在生物制药专业学生培养中的作用[J].海峡药学,2016,28(4):257-258.

　　[2]骆健美,滕玉鸥,张成林,等.新工科建设和专业认证背景下生物制药课程群构建与应用[J].中国教育技术装备,2023(22):1-3,15.

　　[3]马枝枝,胡斌,张霞,等.生物制药本科核心实验课程整合与方法探索[J].基层医学论坛,2020,24(31):4569-4571.

　　[4]来琳琳,刘岩峰,崔勇,等.新工科背景下生物制药虚拟仿真实验建设与实践[J].实验室科学,2022,25(3):105-107,110.

　　[5]聂丽蓉,卢明夏,李宗齐.虚拟仿真技术在化工与制药类专业实践教学中的应用[J].现代盐化工,2021,48(6):120-121.

　　[6]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.

　　[7]赵红,李忠,彭成松,等.制药工程专业虚拟现实仿真平台的特点及对学生进行实践教学的优势[J].安徽医药,2021,25(2):422-424.

　　[8]葛碧琛,陈小举,鲁文胜.基于“专业认同感”培养的生物制药专业教学改革与实践[J].巢湖学院学报,2021,23(3):142-149.

　　[9]柳海燕,侯景,刘青娥,等.虚实结合的疫苗工程综合性实验教学模式探索[J].丽水学院学报,2023,45(5):112-119.

　　[10]马玉静,魏然,马志才,等.“两性一度”导向下虚拟仿真平台的应用与实践[J].现代信息科技,2024,8(2):186-190.
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