生物藥物制備技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建初探*

◆彭昕 范三微 許麗麗 何軍邀

作者：彭昕，浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校講師，主要從事生物制藥技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)；范三微、許麗麗、何軍邀，浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校生物制藥教研室（315100）。

生物制藥技術(shù)是在藥學(xué)、生物技術(shù)、制藥工程學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科。本專業(yè)主要培養(yǎng)從事生物藥物生產(chǎn)制備、分析檢驗(yàn)和質(zhì)量控制、設(shè)備養(yǎng)護(hù)和市場(chǎng)營(yíng)銷等工作的高級(jí)應(yīng)用性人才。由于生物技術(shù)的特殊性（高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)），對(duì)學(xué)生扎實(shí)過硬的綜合實(shí)踐技能功底和研究及創(chuàng)新能力的訓(xùn)練顯得尤為重要。

生物藥物制備技術(shù)是生物制藥技術(shù)專業(yè)最重要的專業(yè)主干課程，該課程教學(xué)內(nèi)容廣泛，涉及發(fā)酵工程、基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程等多方面。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)手段受到場(chǎng)地、儀器和設(shè)備等各方面 教學(xué)資源的限制，遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)需要。

教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》（教高〔2006〕16號(hào)文件）的出臺(tái)，標(biāo)志著高等職業(yè)教育的工作重點(diǎn)從抓規(guī)模擴(kuò)張轉(zhuǎn)向內(nèi)涵建設(shè)。文件中強(qiáng)調(diào)“要充分利用現(xiàn)代信息 技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實(shí)驗(yàn)”，虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建設(shè)成為高等職業(yè)院校提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)內(nèi)涵建設(shè)的重要部分[1]。

近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究越來越引起關(guān)注，但在藥學(xué)相關(guān)課程中的應(yīng)用少有報(bào)道，尤其是高職高專院校開展虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的報(bào)道更為少見。浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校生物制藥技術(shù)經(jīng)過13年的建設(shè)，于2010年成為中央財(cái)政支持的職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)示范基地，并在該專業(yè)主干課程——生物藥物制備技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中全面開展了項(xiàng)目模塊化教學(xué)，構(gòu)建了該課程實(shí)踐教學(xué)多媒體資源庫(kù)[2]。為進(jìn)一步提高該課程的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，本文對(duì)生物藥物制備技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建做了初步探討。

1 生物藥物制備技術(shù)實(shí)踐教學(xué)面臨的問題

浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校生物制藥技術(shù)專業(yè)目前已建設(shè)成為浙江省特色專業(yè)、寧波市重點(diǎn)專業(yè)。作為專業(yè)核心課程，生物藥物質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)和生物藥物制備技術(shù)兩門課程分別是省級(jí)和校級(jí)精品課程，并建有課程教學(xué)資源共享網(wǎng)站。雖然取得一定的成績(jī)，但在教學(xué)中仍然存在一些突出的問題。

1）生物藥物制備技術(shù)實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備較多，如微生物或動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)、蛋白層析系統(tǒng)以及一些大型精密儀器如定量PCR儀、紅外光譜儀、質(zhì)譜儀、原子吸收光譜儀等，需要操作者具有熟練的操作技能。實(shí)踐課上通常是教師對(duì)儀器的介紹和簡(jiǎn)單的操作演示，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)及其操作了解膚淺，走上工作崗位后基本不能直接操作。雖然實(shí)訓(xùn)車間已購(gòu)入中試規(guī)模的發(fā)酵罐，但由于各方面限制，目前只讓學(xué)生做到空消的步驟，沒有實(shí)際進(jìn)行菌種培養(yǎng)的工作。下游分離純化的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目因?yàn)榭紤]到需要使用大量易燃易爆易揮發(fā)的有機(jī)溶劑，存在較大的環(huán)境污染和安全隱患，目前也僅開設(shè)了一些小試規(guī)模的蛋白質(zhì)鹽析、層析等小實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2）生物工程及組織細(xì)胞培養(yǎng)方面的實(shí)驗(yàn)大多非常耗時(shí)，往往需多天甚至更長(zhǎng)，并且需要超純級(jí)的實(shí)驗(yàn)試劑，有些試劑具有一定的毒性、放射性，并因環(huán)境污染而不具有可行性。這使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目非常有限，即便是開設(shè)了的實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)儀器和試劑昂貴也不可能讓學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)，造成學(xué)生實(shí)踐技能和經(jīng)驗(yàn)掌握不足。

3）近幾年隨著招生規(guī)模擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)滯后。學(xué)生人均設(shè)備臺(tái)套數(shù)相對(duì)減少，實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常是分組完成實(shí)驗(yàn)，造成一人實(shí)驗(yàn)多人觀摩的局面，學(xué)生實(shí)際鍛煉的機(jī)會(huì)少。且因?yàn)橐话阋粋€(gè)實(shí)驗(yàn)教師要同時(shí)指導(dǎo)20個(gè)左右的學(xué)生，學(xué)生操作有錯(cuò)誤時(shí)不一定能即時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響了教學(xué)效果。

2 生物藥物制備技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀 虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。實(shí)驗(yàn)者借助其軟件系統(tǒng)可完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)室具有低成本、高安全、高效率、長(zhǎng)效性、開放性、共享性等優(yōu)點(diǎn)，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，取得較好的教學(xué)效果，是一種建構(gòu)主義理論倡導(dǎo)的“以學(xué)生為中心”的拋錨式教學(xué)策略和隨機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)的教學(xué)方式。

虛擬實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)的William Wolf教授首次提出的。美國(guó)十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)，在該領(lǐng)域的研究已處于領(lǐng)先地位，如Model ChemLab是一款面向中學(xué)和大學(xué)的、交互性很強(qiáng)的普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以進(jìn)行酸堿滴定等化學(xué)實(shí)驗(yàn)。另外，生物領(lǐng)域中的“虛擬青蛙解剖”實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是一例[3]。

在我國(guó)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了較大的重視，清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校走在了前列。上海等地多所電大也在積極籌建遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，作為突破遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)局限的全新嘗試，如基于VRML的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于VR ML的工程圖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、基于VRML的動(dòng)物解剖虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等[4]?？傮w上我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，本科院校的建設(shè)速度快，而高職院校發(fā)展緩慢。

生物藥物制備技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1）技術(shù)選取。

①Java技術(shù)。Java是一種使網(wǎng)頁(yè) 由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)的軟件編程語(yǔ)言，其自動(dòng)內(nèi)存管理和下標(biāo)檢查機(jī)制具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)而言是至關(guān)重要的特性。另外，Java3D也是目前構(gòu)建三維實(shí)體的主要方法之一[5]。Java的跨平臺(tái)特性迎合了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的思想，它 還是一個(gè)動(dòng)態(tài)代碼系 統(tǒng)，用Java語(yǔ) 言開發(fā)的交互動(dòng)畫具有可視化、可聽化、可操作化的特性，非常有利于虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[1]。

②Flash技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)視頻播放器基本是以Flash技術(shù)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)lash技術(shù)所具備的強(qiáng)大功能足以保證虛擬實(shí)驗(yàn)室功能的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)資源用Flash動(dòng)畫模擬實(shí)現(xiàn)，按照實(shí)驗(yàn)流程將所 需的實(shí)驗(yàn)器材放入主場(chǎng)景中，再利用Flash內(nèi)置 的腳本語(yǔ) 言ActionScript實(shí)現(xiàn)三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中虛擬實(shí)驗(yàn)器材的點(diǎn)擊、拖拽等交互操作，營(yíng)造出真實(shí)性強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境[6]。

另外，采用Dreamweaver設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)，Photoshop處理圖形圖像，Adobe Premiere處理數(shù)字視頻課件，Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）模塊設(shè)計(jì)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體功能模塊分為課堂教學(xué)輔助模塊、學(xué)生仿真練習(xí)模塊、實(shí)踐仿真考核模塊。

①課堂教學(xué)輔助模塊包括儀器子模塊（主要介紹冷凍離心機(jī)、PCR儀、蛋白層析系統(tǒng)、高效液相、酶標(biāo)儀等常用儀器及一些大型精密儀器如基因測(cè)序儀、流式細(xì)胞儀、核磁共振儀等的原理、操作規(guī)程、注意事項(xiàng)、保管養(yǎng)護(hù)等）、企業(yè)生產(chǎn)實(shí)況子模塊、第二課堂及交流園地子模塊等。

②學(xué)生仿真練習(xí)模塊包括基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子模塊及綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目子模塊，走訪生物制藥企業(yè)了解企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、相關(guān)崗位對(duì)專業(yè)技能方面的需求，同時(shí)結(jié)合國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)員工技術(shù)培訓(xùn)的共性需求，完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)一系列連貫的、開放性、綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?；緦?shí)驗(yàn)項(xiàng)目子模塊中主要安排一些細(xì)胞培養(yǎng)、生物大分子含量測(cè)定以及電泳、鹽析、層析等基本生化技術(shù)項(xiàng)目。綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目子模塊則安排一些生物制藥工藝綜合技能實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如青霉素發(fā)酵、重組人胰島素生產(chǎn)、酶法合成阿莫西林。以實(shí)際的生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際需要的生產(chǎn)設(shè)備及場(chǎng)景進(jìn)行模擬，讓學(xué)生能夠?qū)ι婕暗降脑O(shè)備進(jìn)行仿真操作，真正了解生產(chǎn)線流程、工藝以及生產(chǎn)設(shè)備的操作與維 護(hù)。

③實(shí)踐仿真考核模塊主要包括仿真操 作考核、半自動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及在線測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)會(huì)給出操作正確與否的反饋，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成后，會(huì)出現(xiàn)顯示分?jǐn)?shù)的界面并顯示實(shí)驗(yàn)者本次操作成績(jī)。實(shí)驗(yàn)者網(wǎng)上可隨時(shí)提交實(shí)驗(yàn)成績(jī)，還可以通過不斷重復(fù)以掌握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和過程。在線測(cè)試可根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的試題，通過在線考核及時(shí)反饋教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，是當(dāng)今實(shí)踐教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)。生物藥物制備技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)突破了傳統(tǒng)教學(xué)手段，立足于專業(yè)核心技能，將虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行整 合，為學(xué)生提供獨(dú)立或協(xié)作完成操作的仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生解決問題和自主創(chuàng)新的能力。

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