虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革上的應(yīng)用

王曉丹 羅小葉 邱樹毅

[摘 要]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有高仿真、智能化、能夠開展危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)、直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)用于生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程改革上具有突破性的意義。采用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)室是目前全國(guó)生物工程及相關(guān)專業(yè)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，在今后的大學(xué)理論教育、實(shí)踐教學(xué)及畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中起到關(guān)鍵的作用。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真；教學(xué)；本科生；應(yīng)用

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）08-0079-03

生物工程專業(yè)設(shè)置生物工藝學(xué)是為了將理論知識(shí)上升到實(shí)踐層次。生物工藝學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教育一級(jí)學(xué)科輕工技術(shù)與工程學(xué)科下的重要組成部分，包括開展教學(xué)實(shí)踐的綜合性實(shí)驗(yàn)（啤酒、黃酒、食醋釀造技術(shù)，檸檬酸、氨基酸、抗生素、色素的發(fā)酵技術(shù)），培養(yǎng)技術(shù)型人才的開放性實(shí)驗(yàn)（甜酒釀、豆腐乳、酸奶的制作及城市生活污水的處理）。目前設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，一般采用教師先用PPT講解實(shí)驗(yàn)步驟、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小型模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，將全套生產(chǎn)工藝模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分割。受到時(shí)間、場(chǎng)地、設(shè)備、操作方式等多種限制因素的影響，學(xué)生只能夠在特定的時(shí)間和教室內(nèi)，利用不充分的設(shè)備結(jié)合學(xué)校的硬件條件完成簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生對(duì)于生產(chǎn)工藝無(wú)法完全貫通理解，操作能力并不能得到系統(tǒng)的培養(yǎng)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)多媒體及軟件系統(tǒng)模擬現(xiàn)實(shí)工藝流程及操作關(guān)鍵控制點(diǎn)、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種信息化手段，實(shí)現(xiàn)虛擬平臺(tái)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其優(yōu)點(diǎn)如下：1.不受場(chǎng)地和時(shí)間限制，可以按照正常教學(xué)實(shí)踐安排完成實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作；2.學(xué)生可以形象地看到整個(gè)工藝流程和全套生產(chǎn)設(shè)備；3.可以單獨(dú)對(duì)某一工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和操作，像實(shí)際生產(chǎn)操作一樣，對(duì)操作步驟的管理有系統(tǒng)性；4.減少學(xué)校對(duì)設(shè)備、原料、場(chǎng)地等資金的投入。高校創(chuàng)建生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)閷W(xué)生提供更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力與創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的專業(yè)知識(shí)與綜合素質(zhì)[1]。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)介

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[2]

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)該立足于三個(gè)基本問題——?jiǎng)?chuàng)意、創(chuàng)新、教育。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)是探究虛擬空間的教育價(jià)值以及這類學(xué)習(xí)是否有用于創(chuàng)新和科學(xué)技能的提高，讓高校教師、工程師及其他對(duì)虛擬活動(dòng)感興趣的人們受益。此外，還能推動(dòng)“虛擬創(chuàng)客”對(duì)教育的服務(wù)，讓教育市場(chǎng)涵養(yǎng)“虛擬創(chuàng)客”的理想和創(chuàng)意。

本科教學(xué)的重要環(huán)節(jié)就是培養(yǎng)復(fù)合型合格人才，使其能夠通過綜合型實(shí)驗(yàn)將理論知識(shí)與操作方法相融合。旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，使其理解掌握理論知識(shí)，并對(duì)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)技術(shù)問題、進(jìn)行工藝分析和解決現(xiàn)場(chǎng)問題的能力進(jìn)行培養(yǎng)。這都可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)在培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐操作分析能力、開展工藝提升研究、創(chuàng)新創(chuàng)造思維和考察新事物等方面與其他教學(xué)方法相比有著不可替代的獨(dú)特作用。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室包括數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)、數(shù)字化工藝平臺(tái)、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造平臺(tái)以及數(shù)字化生產(chǎn)管理平臺(tái)，具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)一體化流程，做到無(wú)紙化、數(shù)字化的生產(chǎn)過程管理?？梢詫⑵髽I(yè)項(xiàng)目新產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、操作關(guān)鍵、生產(chǎn)流程體現(xiàn)出來(lái)，集中培訓(xùn)師資力量，固化成企業(yè)化實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)[3]

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室通過演示讓學(xué)生能直觀地了解、分析、控制工藝過程中存在的問題。如在2016級(jí)生物工程專業(yè)學(xué)生開展啤酒釀造技術(shù)課虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生均表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣和積極性。這是因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)室具有技術(shù)含量髙、仿真髙度強(qiáng)以及與教材聯(lián)系緊密等特點(diǎn)。

首先，其具有高仿真的特點(diǎn)。在啤酒釀造技術(shù)課實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室提供了全套虛擬仿真啤酒生產(chǎn)設(shè)備，其仿真度很高。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不僅能了解啤酒釀造的完整工藝流程，還能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并且效果較好，便于學(xué)生準(zhǔn)確操作及觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

其次，操作具有智能化的特點(diǎn)。對(duì)于啤酒發(fā)酵實(shí)驗(yàn)過程中的一些重要步驟，系統(tǒng)能夠進(jìn)行下一個(gè)環(huán)節(jié)的提醒，在物料配比、酵母的添加量、溫度控制、壓力控制、發(fā)酵時(shí)間、冷卻過濾、水循環(huán)處理等方面幫助學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和操作，培養(yǎng)學(xué)生的自主意識(shí)和鍛煉學(xué)生的自主能力。

第三，能夠開展危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，由于實(shí)驗(yàn)過程是虛擬的，對(duì)于危險(xiǎn)性高的一些實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行操作，而且在操作的過程中還可對(duì)實(shí)驗(yàn)具體過程和步驟進(jìn)行展示。如溫度過高等錯(cuò)誤的操作行為，相對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)錯(cuò)誤模擬出其導(dǎo)致的結(jié)果，并展現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)一旦操作失誤所導(dǎo)致的危險(xiǎn)后果，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生規(guī)范操作的意識(shí)。

第四，其具有直觀性的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的啤酒釀造技術(shù)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在諸多抽象槪念，這給學(xué)生的理解帶來(lái)了一定的困難。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用動(dòng)畫演示的方式，能使抽象生澀的概念直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，從而極大地避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的弊端。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的意義[4]

傳統(tǒng)的生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于設(shè)備、場(chǎng)地、時(shí)間等要求較高，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入大，這也在一定程度上限制了本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的開展。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是結(jié)合食品加工工藝與現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)的一種新興的教學(xué)模式，其本科教學(xué)環(huán)節(jié)中有效地解決了高校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、時(shí)間等方面的問題，彌補(bǔ)了生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的不足，極大促進(jìn)了生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)水平的提升。因此，將傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)有效地結(jié)合在一起，為本科教學(xué)中的生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)做出了突出貢獻(xiàn)，為高校的教育事業(yè)發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用；將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)中，有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間不足對(duì)教學(xué)開展的局限，在提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和改革實(shí)踐教學(xué)模式等方面有著極其重要的意義。

二、生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課

生物工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。作為我國(guó)國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)專業(yè)，該專業(yè)主要培養(yǎng)的是生物工程領(lǐng)域的高級(jí)工程技術(shù)人才，課程建設(shè)的重點(diǎn)立足于生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)踐環(huán)節(jié)在生物工程專業(yè)本科教學(xué)過程中占有極其重要的地位。貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院的生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)在幾年前就已獨(dú)立設(shè)課，單獨(dú)考核。在學(xué)生培養(yǎng)上，切實(shí)加強(qiáng)了學(xué)生基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)、綜合素養(yǎng)的提升、科學(xué)發(fā)展的融合。在這幾年的發(fā)展歷程中，不斷地完善與理論課程配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并建立健全實(shí)驗(yàn)室管理體系，結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況與當(dāng)代食品行業(yè)的發(fā)展來(lái)開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生的實(shí)踐能力與分析問題能力有了極大提高，學(xué)院也在教學(xué)過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的教學(xué)效果[5]。

（一）生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)的教材種類少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繁雜。應(yīng)在學(xué)科培養(yǎng)上與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有效配置和安排，編寫實(shí)驗(yàn)講義。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置為液態(tài)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、固態(tài)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)、環(huán)境微生物工程實(shí)驗(yàn)、微生物產(chǎn)品中試生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)等模塊。每個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)內(nèi)容又可劃分為幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，比如液態(tài)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)分為分批培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和流加培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)等，微生物產(chǎn)品中試生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)分為酶制劑生產(chǎn)和抗生素生產(chǎn)等，環(huán)境微生物工程實(shí)驗(yàn)分為活性污泥處理生活污水和污染物微生物降解實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容涵蓋了生物工藝學(xué)課程的幾大教學(xué)內(nèi)容，使得實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置既符合教學(xué)大綱的要求，又順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。生物工藝學(xué)是將生物技術(shù)原理應(yīng)用到生產(chǎn)部門中而形成多學(xué)科知識(shí)的一門課程，是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來(lái)的新型學(xué)科，具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)性和實(shí)踐性。隨著生物工藝學(xué)的迅速發(fā)展，知識(shí)快速更新，其越來(lái)越受到各行各業(yè)的重視[6]。生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院生物工程、釀酒工程等專業(yè)的必修課程。生物工藝學(xué)與生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物工程、釀酒工程等專業(yè)重要的專業(yè)課程之一。其重點(diǎn)是使學(xué)生能夠掌握微生物培養(yǎng)、產(chǎn)物代謝的分離提純、代謝產(chǎn)物鑒定、微生物菌種改良等實(shí)驗(yàn)操作的理論基礎(chǔ)，能夠熟悉微生物培養(yǎng)與生化實(shí)驗(yàn)儀器的使用操作方法，培養(yǎng)符合現(xiàn)代化生產(chǎn)需要的專業(yè)性人才。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程上的應(yīng)用實(shí)例

（一）生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課傳統(tǒng)授課方式[7]

傳統(tǒng)的生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證，教學(xué)模式為以小組為單位，使用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，實(shí)驗(yàn)明確地提出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等，具體實(shí)驗(yàn)步驟都是教師提前擬定的，試驗(yàn)指導(dǎo)教師還會(huì)提前講述實(shí)驗(yàn)原理和有關(guān)注意事項(xiàng)并做實(shí)驗(yàn)的具體示范。此外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置單一，以理論驗(yàn)證為主。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生只需重復(fù)教師示范的步驟就可以得到結(jié)果，這限制了學(xué)生的獨(dú)立思考與自由發(fā)揮。

在這種教學(xué)模式下，學(xué)生體會(huì)不到實(shí)驗(yàn)趣味，不愿意主動(dòng)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，課堂上只會(huì)按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行機(jī)械模仿，無(wú)法分析與解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)缺乏主動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告敷衍了事、相互抄襲。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課中的授課方式[8]

生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)信息的基本材料單元分為實(shí)驗(yàn)文本素材、實(shí)驗(yàn)圖像類素材、實(shí)驗(yàn)音頻類素材、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程動(dòng)畫類素材等幾大類；在教學(xué)中會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的具體內(nèi)容和課堂上學(xué)生表現(xiàn)編制相應(yīng)的習(xí)題和思考題；對(duì)生物工藝學(xué)、生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中出現(xiàn)的知識(shí)可根據(jù)平臺(tái)劃分為網(wǎng)絡(luò)版課件和單機(jī)版課件以便于教師授課；依托現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的問題給出全面解答。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還配有網(wǎng)絡(luò)課程，網(wǎng)絡(luò)課程是通過網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)的某門學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容及實(shí)施的教學(xué)活動(dòng)的總和，這使得學(xué)生上課時(shí)間更加靈活，課后也可重復(fù)觀看網(wǎng)絡(luò)課程來(lái)復(fù)習(xí)和鞏固所學(xué)內(nèi)容。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革上的重大突破[9]

生物工程、釀酒工程專業(yè)的課程體系是以生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程理論為基礎(chǔ)，以生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課為教學(xué)核心，以生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為學(xué)習(xí)目標(biāo)的，其發(fā)展前景是以生物工藝市場(chǎng)為導(dǎo)向的綜合性復(fù)合知識(shí)體系。近些年來(lái)，不少高校都采用了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)也在教學(xué)過程當(dāng)中漸漸得到了體現(xiàn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課也因?yàn)楝F(xiàn)代科技的運(yùn)用而有了全新的改變。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室技術(shù)既是一種挑戰(zhàn)，也是一種機(jī)遇。它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中拘泥于地點(diǎn)因素、時(shí)間因素、經(jīng)費(fèi)因素、安全因素的現(xiàn)狀，可以隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且過程簡(jiǎn)單，教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)提升效率都非常高。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，在實(shí)踐教學(xué)中勢(shì)必會(huì)發(fā)揮出越來(lái)越大的作用。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張晴晴，陳先帥，喻明軍，等.創(chuàng)建中藥提取與分離虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的思考和建議[J].科學(xué)大眾：科學(xué)教育，2017（2）：188+192.

[2] 徐煒瑋，趙中華.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究與探索[J].信息記錄材料，2017（6）：86-88.

[3] 劉瓊，何潔凝，關(guān)冠恒，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)教學(xué)的作用研究[J].中國(guó)教育學(xué)刊，2015（S2）：318-319.

[4] 徐志超，宋韌，曹瑜.論高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2017（10）：125-126.

[5] 劉宇鵬，沈永紅，楊生玉.生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革的研究與實(shí)踐[J].科技信息，2012（29）：33.

[6] 尹亮，龐啟華，黃儒強(qiáng)，等.生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究探索[J].廣東化工，2014（14）：231+223

[7] 王娣，許暉，王永斌，等.基于工程化思想的《生物工藝學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].廣州化工，2014（22）：195-196.

[8] 郭潤(rùn)蘭，康艷萍，楊東亞，等.機(jī)械原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室資源共享平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017（6）：108-110.

[9] 馬海軍，焦紅茹.葡萄酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].科技資訊，2017（26）：11-12.

[責(zé)任編輯 劉鳳華]