仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學(xué)中的應(yīng)用

梁蕊芳徐 龍翁鴻珍袁 倩

仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學(xué)中的應(yīng)用

梁蕊芳1徐 龍1翁鴻珍1袁 倩2

1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程系 內(nèi)蒙古包頭 014035 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010018

發(fā)酵工程是一門內(nèi)容豐富、涉及面廣，并與生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系的一門課程，是工業(yè)生物技術(shù)的核心。通過(guò)仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學(xué)中的應(yīng)用，闡述了仿真技術(shù)與發(fā)酵工程教學(xué)結(jié)合的基本思想，并通過(guò)實(shí)例闡明了仿真技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)仿真教學(xué)的方式進(jìn)行了探討。

仿真技術(shù)；發(fā)酵工程；教學(xué)實(shí)踐；教育改革

Abstract: Fermentation engineering with rich contents, covering a wide range and close connection with actual production, is the core of industrial biotechnology. With appllication of artif cial technique in teaching of fermentation, this paper expound the basic idea of artif cial technique combined with teaching of fermentation engineering, the advantages and disadvantages of application of artif cal technique. Mode of simulation teaching was studied.

Key words: artif cial technique; fermentation engineering; teaching practice; educational reform

從我國(guó)目前的教育發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展需求來(lái)看，以信息化教育帶動(dòng)現(xiàn)代化教育已經(jīng)成為教育改革的趨勢(shì)。與此同時(shí)，如何推進(jìn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)和教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、分析問題和解決問題的能力，已經(jīng)成為提高教育質(zhì)量的關(guān)鍵，對(duì)職業(yè)教育更是重中之重。發(fā)酵工程是微生物、生物制藥、生物工程、生物技術(shù)、食品等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容豐富、涉及面寬，并且與生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系。為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)發(fā)酵工程科學(xué)原理的理解與掌握，提高實(shí)驗(yàn)操作、科學(xué)研究及實(shí)際動(dòng)手能力，需要在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，向?qū)嶒?yàn)室小試、中試、生產(chǎn)性試驗(yàn)及工廠實(shí)踐的方向發(fā)展，而且很多教學(xué)內(nèi)容都應(yīng)將單元操作與生產(chǎn)緊密結(jié)合。從教育改革的需要出發(fā)，立足于發(fā)酵工程教學(xué)的特點(diǎn)，我系在發(fā)酵工程教學(xué)中引入了仿真技術(shù)，傳統(tǒng)的教育模式得到改善，使得教與學(xué)的方式發(fā)生了根本性變化。

1 基本思想

仿真技術(shù)在航天、航空、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有悠久的歷史，是設(shè)計(jì)的基本方法。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的發(fā)展，使仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍得到了迅速擴(kuò)大，涵蓋了社會(huì)的各個(gè)方面。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)被引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，稱為仿真實(shí)驗(yàn)[1]。仿真技術(shù)綜合集成了多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)，以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以各種物理效應(yīng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)設(shè)想的或?qū)嶋H的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)[2]。

發(fā)酵工程在狹義上稱為微生物工程，是在特定條件下通過(guò)人為控制，利用微生物或動(dòng)植物細(xì)胞的生命活動(dòng)而獲得特定物質(zhì)的技術(shù)過(guò)程，是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分[3]。發(fā)酵工程主要包括上游工程，中游工程和下游工程三部分。其中優(yōu)良菌株的選育，最適發(fā)酵條件的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等屬于上游工程；最適發(fā)酵條件下，在發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞并生產(chǎn)代謝產(chǎn)物屬于中游工程；從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品屬于下游工程。而下游工程技術(shù)又包括固液分離、細(xì)胞破壁、蛋白質(zhì)純化以及產(chǎn)品的包裝處理等技術(shù)[4]。

若要利用電腦創(chuàng)造虛擬環(huán)境來(lái)模擬各種真實(shí)環(huán)境，并根據(jù)真實(shí)環(huán)境和實(shí)際操作情況在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、運(yùn)行，把仿真技術(shù)和發(fā)酵工程教學(xué)完美結(jié)合起來(lái)，需要將發(fā)酵工程中各個(gè)研究對(duì)象共性的規(guī)律提煉出來(lái)，歸納為各個(gè)單元操作，并將這些單元操作按照發(fā)酵工藝過(guò)程整合為菌種、培養(yǎng)基、種子擴(kuò)培、發(fā)酵過(guò)程控制、提取、精制及包裝一條主線，開發(fā)出基于企業(yè)的虛擬仿真場(chǎng)景的實(shí)踐教學(xué)軟件或技能訓(xùn)練平臺(tái)。不僅可以節(jié)省學(xué)校的資金投入，快速而高效率地提高學(xué)生技能實(shí)踐的進(jìn)度；還可以實(shí)現(xiàn)技能訓(xùn)練中與仿真設(shè)備的交互，能夠無(wú)限制地使用和復(fù)制，減少人為損壞的可能性；通過(guò)修改模型有效增加新設(shè)備的功能，優(yōu)化資源庫(kù)；充分利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵應(yīng)用技能合作性訓(xùn)練、協(xié)同性訓(xùn)練以及遠(yuǎn)程訓(xùn)練等，達(dá)到資源共享[5]。從學(xué)生的角度，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)的內(nèi)容在相應(yīng)仿真環(huán)境中，進(jìn)行開車操作，可以自由改變各個(gè)工藝點(diǎn)的參數(shù)，自由控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)的閥門，觀察工藝反應(yīng)現(xiàn)象，了解生產(chǎn)實(shí)踐中每一部分對(duì)結(jié)果的影響，直到掌握工藝操作，模擬生產(chǎn)出合格產(chǎn)品為止。

2 發(fā)酵工藝仿真軟件的應(yīng)用

仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，可以通過(guò)我系引進(jìn)的青霉素發(fā)酵工藝仿真軟件實(shí)例來(lái)說(shuō)明。該軟件主要用于制藥工程相關(guān)專業(yè)的教學(xué)培訓(xùn)，使參加培訓(xùn)的學(xué)生能夠充分地理解青霉素生產(chǎn)工藝流程，一對(duì)一親自動(dòng)手操作，觀察工藝反應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)行開車操作，同時(shí)對(duì)于操作過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行客觀的考核與評(píng)定。

仿真軟件以青霉素的生產(chǎn)工藝過(guò)程為主線，以各節(jié)點(diǎn)單元操作控制為重點(diǎn)來(lái)進(jìn)行實(shí)踐培訓(xùn)。如圖1所示，在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中，重點(diǎn)控制預(yù)處理、提取流程、精制流程、一次BA萃取、一次反萃取、二次BA萃取、脫色操作、結(jié)晶操作、抽濾干燥等控制點(diǎn)，使學(xué)生能夠清晰地認(rèn)識(shí)到關(guān)鍵控制點(diǎn)，并進(jìn)行單元操作。

圖1 青霉素生產(chǎn)工藝流程界面(圖片均來(lái)自于教學(xué)軟件)

在各單元中還細(xì)分出子模塊。以預(yù)處理單元為例(如圖2所示)，子模塊包含菌種介紹、孢子制備、滅菌、培養(yǎng)基配制、發(fā)酵工藝操作、發(fā)酵罐操作等，進(jìn)一步深入到單元里的精細(xì)流程，并給予各模塊非常鮮活的模擬現(xiàn)場(chǎng)，使學(xué)生能夠在縱觀全局的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備和參數(shù)進(jìn)行控制。

圖2 發(fā)酵流程界面

涉及具體的操作控制時(shí)，可進(jìn)入操作界面(如圖3所示)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的控制及閥門的開關(guān)，如對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH值、時(shí)間、各種填料、出料等參數(shù)條件的控制。在各參數(shù)設(shè)定好的情況下還可以對(duì)發(fā)酵情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，通過(guò)發(fā)酵情況(如圖4所示)來(lái)確定各參數(shù)設(shè)定及操作是否正確，如果操作失誤會(huì)產(chǎn)生故障，在故障的產(chǎn)生和排除過(guò)程中，鍛煉學(xué)生的應(yīng)急能力，熟練操作技能。

圖3 發(fā)酵罐操作界面

圖4 菌種曲線界面

青霉素發(fā)酵是典型工藝，可見仿真軟件具有界面直觀、生動(dòng)，操作方便，易學(xué)易用的特點(diǎn)；仿真手段符合實(shí)際工藝要求，設(shè)備齊全逼真，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)中學(xué)生無(wú)法親自動(dòng)手操作的不足。通過(guò)對(duì)青霉素發(fā)酵工廠實(shí)物設(shè)備的仿真模擬，使學(xué)生對(duì)青霉素發(fā)酵的工藝原理、操作環(huán)境、控制系統(tǒng)、故障處理有了更深的理解。

3 仿真軟件應(yīng)用的弊端

雖然仿真軟件在教學(xué)中具有高效率、高精度、安全、無(wú)消耗等特點(diǎn)，但是，仿真軟件不應(yīng)該也不可能取代實(shí)物實(shí)踐。因?yàn)閷?shí)物實(shí)踐中會(huì)產(chǎn)生許多意想不到的問題并能發(fā)現(xiàn)思維盲點(diǎn)，而仿真過(guò)程是一個(gè)理想化的過(guò)程，在仿真軟件中儀器、元器件的溫度、料液濃度、黏度、顏色等物理特性無(wú)法感知；添加劑及化學(xué)藥品的味道、氣味也無(wú)法感知。同時(shí)，仿真操作時(shí)因?yàn)椴挥脫?dān)心誤操作帶來(lái)的后果(例如：溫度過(guò)高導(dǎo)致管道、罐體等設(shè)備的炸裂)，操作不當(dāng)造成的泄露、爆炸或?qū)嵺`裝置損壞等意外事故，容易使學(xué)生麻痹大意。長(zhǎng)此以往不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的學(xué)風(fēng)，并且會(huì)削弱學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力[6,7]。可見，仿真軟件并不能完全取代現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的實(shí)踐操作。

4 仿真教學(xué)方式的思考

仿真軟件的應(yīng)用雖然大大提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，給教學(xué)注入了新的活力，但它畢竟是教學(xué)的輔助工具，為了讓它融入教學(xué)中，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的方式方法和觀念進(jìn)行改革，提高教學(xué)質(zhì)量，筆者結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)從以下幾方面進(jìn)行探討。

(1)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。發(fā)酵工程不僅與微生物學(xué)、生物化學(xué)和化工原理等課程密切相關(guān)，而且不同院系和專業(yè)對(duì)該課程的側(cè)重點(diǎn)不同。需要我們選用的教材在內(nèi)容闡述符合教學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，能夠反映學(xué)科發(fā)展的動(dòng)態(tài)性和現(xiàn)實(shí)性，并體現(xiàn)課程本身的專業(yè)性和系統(tǒng)性，注重知識(shí)性和應(yīng)用性。教師則要有針對(duì)性地編寫教學(xué)大綱和安排教學(xué)內(nèi)容，要求重難點(diǎn)突出，學(xué)時(shí)分配得當(dāng)，避免重復(fù)[8,9]。因?yàn)榻滩钠矫鎴D及仿真軟件具有感官方面的不足，因此隨著發(fā)酵工程學(xué)研究?jī)?nèi)容的不斷豐富和發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容也必須不斷充實(shí)更新，要充分利用資料圖片或到工廠實(shí)地考察，使設(shè)備及部件變得更加生動(dòng)直觀。

(2)強(qiáng)化生物學(xué)和工程學(xué)兩個(gè)基礎(chǔ)。發(fā)酵工程是利用微生物特定機(jī)能在特定反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)過(guò)程，因而要堅(jiān)持生物學(xué)基礎(chǔ)和工程學(xué)基礎(chǔ)并重，力求讓學(xué)生在掌握生物學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，利用工程學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)酵過(guò)程的放大與控制的基本特點(diǎn)[3]?；谝陨弦螅覀兗訌?qiáng)了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的講解。利用仿真軟件把發(fā)酵過(guò)程放大，使發(fā)酵過(guò)程控制等內(nèi)容與工程相關(guān)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)仿真軟件展現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的多尺度問題，將生物學(xué)和工程學(xué)基礎(chǔ)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。從而鍛煉學(xué)生通過(guò)工程的視角和思維，運(yùn)用工程的原理和方法解決實(shí)際問題的能力。

(3)建立良好的協(xié)作學(xué)習(xí)模式。在教學(xué)及仿真軟件操作過(guò)程中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行組或工段的劃分，建立崗位模擬的協(xié)作學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生進(jìn)行自由探索和自主學(xué)習(xí)，并在學(xué)習(xí)中互相支持和配合。 注重各崗位或工段之間的配合及與環(huán)境的交互作用，一方面引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)仿真軟件，根據(jù)自己本身的情況，從不同的角度選擇自己學(xué)習(xí)的切入點(diǎn)，建立起理論知識(shí)和實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)，達(dá)到對(duì)新知識(shí)的掌握；另一方面，學(xué)生可以利用實(shí)際工程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)集成信息系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的自我考核，并在教師的組織和引導(dǎo)下一起討論和交流，使學(xué)習(xí)者群體的智慧與思維被整個(gè)群體所共享，共同完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的完善和更深刻的理解[10]。

(4)開放實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)課是高等教育教學(xué)體系的組成部分。發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科研思維和實(shí)踐能力的重要手段之一，在生物工程教學(xué)中占有十分重要的地位[11]。應(yīng)打破實(shí)驗(yàn)室只在上課時(shí)間對(duì)學(xué)生開放的傳統(tǒng)模式，采取在整個(gè)課程期間，對(duì)學(xué)生全天候開放實(shí)驗(yàn)室及其儀器設(shè)備，并提供相應(yīng)的仿真軟件的實(shí)驗(yàn)室管理模式。這樣，學(xué)生就可以根據(jù)自己的需要隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行課程知識(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，方便其自主地預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)課程。實(shí)驗(yàn)室的開放，能夠最大限度地發(fā)揮教學(xué)資源效益，擴(kuò)展學(xué)生自主發(fā)展和實(shí)踐鍛煉的空間[12]。

(5)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。發(fā)酵工程是來(lái)源于工廠實(shí)踐，又應(yīng)用于工廠生產(chǎn)的綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。實(shí)踐在這門課程中占有非常重要的地位，而仿真軟件正是理論教學(xué)與實(shí)踐之間的橋梁，仿真軟件實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合。為了讓學(xué)生深刻理解理論講解內(nèi)容，仿真教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)讓學(xué)生加強(qiáng)了解并初步掌握發(fā)酵設(shè)備。利用仿真操作對(duì)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格的基本功訓(xùn)練，并進(jìn)行階段性的基本技能考核，合格者方能進(jìn)入工廠實(shí)踐，以此來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生刻苦鉆研的精神。但仿真軟件不能完全取代工廠實(shí)踐。雖然仿真軟件很直觀，但和實(shí)際情景有很大的差別，實(shí)際儀器元件的使用有很多經(jīng)驗(yàn)問題，儀器的擺放、設(shè)備的布局及連接操作等在電腦上也是不能實(shí)現(xiàn)的，這方面的經(jīng)驗(yàn)必須從實(shí)際操作中獲得。這就要求教學(xué)實(shí)訓(xùn)基地要和企業(yè)具有長(zhǎng)期的合作關(guān)系，不僅能讓學(xué)生進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，還要能夠讓學(xué)生進(jìn)入車間進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐。

5 結(jié)束語(yǔ)

將仿真教學(xué)應(yīng)用在發(fā)酵工程教學(xué)中，可以節(jié)約大量的教育成本，帶來(lái)很多方便。對(duì)學(xué)生來(lái)講，也摒棄了一些不好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，有效地提高了學(xué)習(xí)效果和效率，是輔助教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的有效手段和重要途徑，是我們應(yīng)該大力提倡和推廣的。但是仿真教學(xué)還具有一些弊端，因此我們不能完全依靠仿真教學(xué)解決實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，不能用仿真教學(xué)完全替代實(shí)物教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。綜上所述，我們應(yīng)該將仿真教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，相輔相成，揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮各自的特點(diǎn)，推動(dòng)我國(guó)教育的發(fā)展。

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Application of artif cial technique in teaching of fermentation engineering

Liang Ruifang1, Xu Long1, Weng Hongzhen1, Yuan Qian21. Baotou light industry vocational technical college, Baotou, 014035, China 2. Inner Mongolia agricultural university, Hohhot, 010018, China

2011-10-20

梁蕊芳，碩士，講師。