虛擬仿真技術(shù)在酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用

常雅寧， 彭鈺珂， 魏東芝， 胡曉鳴

(華東理工大學(xué) a.發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，b.生物工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

酶工程是酶的生產(chǎn)與應(yīng)用的技術(shù)過程，其最主要任務(wù)是通過人工操作，獲得人們所需的酶，并通過各種方法使酶發(fā)揮其催化功能[1]。隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，酶制劑已經(jīng)越來越多的應(yīng)用在生物、食品、醫(yī)藥、輕工、化工、環(huán)保、能源等領(lǐng)域，并且發(fā)揮著重要作用，因此，酶工程也成為生物、食品等專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程[2-3]。目前，高校的酶工程實(shí)驗(yàn)或作為生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的一個(gè)重要組成模塊開設(shè)[4-5]，或作為一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課開設(shè)[6-7]，但這兩種形式的課程內(nèi)容都集中在酶的提取、分離純化、性質(zhì)鑒定等酶工程中上游環(huán)節(jié)，而酶反應(yīng)器、酶的催化工業(yè)應(yīng)用等下游環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)卻較少涉及到。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上搭建的可輔助甚至替代傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境[8-9]。虛擬仿真技術(shù)將教學(xué)內(nèi)容、虛擬設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對(duì)象有機(jī)地融合，創(chuàng)造一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以通過人機(jī)交互終端像在真實(shí)環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)[9]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在互聯(lián)網(wǎng)終端創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使課程不受課時(shí)、場地和實(shí)驗(yàn)條件的限制[10-11]，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享[12]，激發(fā)了成長于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

基于酶工程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性與廣泛的應(yīng)用性，發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心將酶工程作為生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的重要模塊，面向生工學(xué)院全部專業(yè)及藥學(xué)院、化工學(xué)院部分專業(yè)的大二學(xué)生開設(shè)。針對(duì)模塊中下游實(shí)驗(yàn)的缺失，中心依托教師優(yōu)質(zhì)酶制劑應(yīng)用科研項(xiàng)目，以“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”為原則，本文構(gòu)建了以“糖化酶催化啤酒發(fā)酵”為內(nèi)容的酶試劑催化應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，來完善酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的實(shí)踐能力，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。

1 現(xiàn)階段酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

按工藝流程分類，酶工程實(shí)驗(yàn)主要分為3個(gè)環(huán)節(jié)：以酶的分離提取和改性為主的上游環(huán)節(jié)、以酶學(xué)性質(zhì)鑒定為主的中游環(huán)節(jié)、以酶反應(yīng)器等酶的應(yīng)用為主的下游環(huán)節(jié)。其中上游和中游環(huán)節(jié)反應(yīng)時(shí)間較短，所需設(shè)備體積較小且較為經(jīng)濟(jì)，適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；而下游實(shí)驗(yàn)所需酶反應(yīng)器等設(shè)備往往占地面積較大，造價(jià)昂貴，且下游實(shí)驗(yàn)尤其是工業(yè)放大實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間較長，課時(shí)內(nèi)無法完成，增加了下游實(shí)驗(yàn)開設(shè)的難度。隨著國家經(jīng)濟(jì)改革的不斷推進(jìn)，社會(huì)對(duì)高素質(zhì)綜合應(yīng)用型人才的需求也隨之增加[13]，高校開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)需要注重課程內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際的結(jié)合。酶工程實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程[14]，下游應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的缺失降低了課程與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系，不利于學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用情況，減弱了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)熱情，弱化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

將教師科研成果納入實(shí)驗(yàn)課程是現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的熱點(diǎn)[15]，若能利用教師的科研設(shè)備來開設(shè)酶工程下游實(shí)驗(yàn)，則是解決設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)課程開展限制的一種可行的辦法。然而如今我校和國內(nèi)不少高校實(shí)行兩地甚至多地辦學(xué)，即設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)的校區(qū)，本科生生活學(xué)習(xí)場所與教師的科研實(shí)驗(yàn)室往往不在一個(gè)校區(qū)，本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)若要利用科研實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，通常還存在著空間上的阻礙。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不涉及實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑，大大降低了優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的難度。

2 酶試劑催化應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)

2.1 課程特點(diǎn)

發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心有著豐富的酶工程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，酶工程課程于2007年被評(píng)為國家精品課程，2014年被評(píng)為國家資源共享課程。實(shí)驗(yàn)中心酶工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)有眾多工作在科研一線的教師，平均每年有10多項(xiàng)圍繞酶制劑研究的課題。通過評(píng)估教師科研項(xiàng)目的應(yīng)用性和可操作性，最終選擇了以“糖化酶催化啤酒發(fā)酵”為內(nèi)容來構(gòu)建酶試劑催化應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程?！疤腔复呋【瓢l(fā)酵”是典型的酶催化工業(yè)應(yīng)用實(shí)例，啤酒的生產(chǎn)實(shí)質(zhì)上就是利用酶將原料中高分子不溶物催化分解為可溶性小分子物質(zhì)，再通過酵母發(fā)酵得到飲料酒的過程。正確使用酶制劑，合理利用酶生物技術(shù)，使之在啤酒生產(chǎn)過程中發(fā)揮出最大功效是啤酒生產(chǎn)的關(guān)鍵。該實(shí)驗(yàn)以科研項(xiàng)目帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，內(nèi)容貼近生產(chǎn)一線，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐聯(lián)系的結(jié)合。

實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真技術(shù)逼真地還原工廠車間實(shí)景，讓學(xué)生可以真切地感知整體催化工藝流程。課程采用虛擬分批攪拌式酶反應(yīng)器，工藝流程簡潔明晰，適于具有一定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的大學(xué)二年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)。上課時(shí)學(xué)生單人單機(jī)操作，避免實(shí)體實(shí)驗(yàn)學(xué)生分組造成的部分學(xué)生開小差情況的出現(xiàn)，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)投入度與教學(xué)質(zhì)量。啤酒是生活中常見的飲品，以啤酒生產(chǎn)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，實(shí)驗(yàn)中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全天候開放，學(xué)生可利用課余時(shí)間自由學(xué)習(xí)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.2 課程內(nèi)容

酶試劑催化應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)分為“學(xué)習(xí)模式”和“考核模式”，如圖1所示，學(xué)生首先需要在“學(xué)習(xí)模式”中完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)備操作的學(xué)習(xí)。這一模式包括實(shí)驗(yàn)簡介、設(shè)備展示和實(shí)驗(yàn)操作3個(gè)界面。實(shí)驗(yàn)簡介界面包含了“糖化酶催化啤酒發(fā)酵”完整工藝流程的文字介紹，學(xué)生可在操作前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。圖2所示為設(shè)備展示界面，360°展示了啤酒釀造所需的全部設(shè)備，學(xué)生可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，從不同角度查看設(shè)備的細(xì)節(jié)。實(shí)驗(yàn)操作界面即“學(xué)習(xí)模式”的主界面，利用虛擬仿真技術(shù)還原了生產(chǎn)車間的場景，并且除啤酒發(fā)酵生產(chǎn)所需設(shè)備外，車間內(nèi)還設(shè)有可檢測糖度等發(fā)酵液指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)檢測區(qū)域，讓學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)酶催化啤酒發(fā)酵的工藝操作，還可以了解通過檢測發(fā)酵液糖度等數(shù)據(jù)來掌握發(fā)酵程度的方法。在實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，學(xué)生均可在車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)“自由漫游”，并可以任意角度查看設(shè)備。開始實(shí)驗(yàn)操作后，學(xué)生可根據(jù)左下角對(duì)話框的提示來學(xué)習(xí)每一步操作，相應(yīng)的設(shè)備或閥門也會(huì)以藍(lán)光高亮顯示。在需特別注意的環(huán)節(jié)，注意事項(xiàng)會(huì)以對(duì)話框形式在屏幕中間彈出。在操作過程中，學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)簡介和設(shè)備展示界面再次進(jìn)行學(xué)習(xí)?！皩W(xué)習(xí)模式”不設(shè)時(shí)間限制，學(xué)生可針對(duì)自己的情況反復(fù)學(xué)習(xí)。

圖1 學(xué)習(xí)模式3D操作界面

圖2 設(shè)備展示界面

通過學(xué)習(xí)模式已經(jīng)掌握酶催化啤酒發(fā)酵工藝的學(xué)生，可進(jìn)入“考核模式”完成實(shí)驗(yàn)課程考核，界面如圖3所示?！翱己四Ｊ健敝袑W(xué)生將不會(huì)獲得任何關(guān)于實(shí)驗(yàn)步驟或設(shè)備的提示，并且需在15 min內(nèi)獨(dú)立完成全部實(shí)驗(yàn)操作。如沒有在規(guī)定時(shí)間完成操作則視為未通過考核，學(xué)生需再次回到“學(xué)習(xí)模式”進(jìn)行復(fù)習(xí)；“考核模式”中有任何疑問，學(xué)生也可以隨時(shí)切換至“學(xué)習(xí)模式”學(xué)習(xí)，此時(shí)在“考核模式”內(nèi)之前的操作將取消，學(xué)生需在完成學(xué)習(xí)后重新參加考核。

實(shí)踐證明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)酶催化在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用情況的認(rèn)識(shí)。在大學(xué)三年級(jí)的工廠參觀實(shí)習(xí)中，學(xué)生不再像以往一樣走馬觀花，而是可以基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得的知識(shí)將虛擬設(shè)備與實(shí)際設(shè)備對(duì)應(yīng)起來，通過對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝的設(shè)計(jì)、使用進(jìn)行提問，深入了解工廠生產(chǎn)情況，彌補(bǔ)了當(dāng)今大學(xué)生對(duì)企業(yè)生產(chǎn)了解不足的缺憾，為今后科研和求職增加了助力。

圖3 考核模式3D操作界面

3 展 望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)，可以便捷地實(shí)現(xiàn)高校優(yōu)質(zhì)教育資源共享?！疤腔复呋【瓢l(fā)酵”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程自開設(shè)以來，除用作我校學(xué)生酶工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K教學(xué)資源外，因其貼近生活的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與安全、簡單的操作流程，還作為中心科普教育基地的重要內(nèi)容，為前來參觀的中學(xué)生進(jìn)行酶制劑應(yīng)用的科普。目前中心正在整合教師應(yīng)用類科研項(xiàng)目，完善其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，旨在讓學(xué)生在宿舍甚至在家中也可進(jìn)行學(xué)習(xí)，并進(jìn)一步用于地區(qū)及西部兄弟院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。

4 結(jié) 語

酶工程實(shí)驗(yàn)是一門與科研和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)課程，是高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程的重要一環(huán)，然而酶工程下游實(shí)驗(yàn)的缺失減弱了教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性與實(shí)踐性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，以計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)終端，打破了時(shí)間和空間對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的束縛，有利于將優(yōu)秀教師科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。酶試劑催化應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)完善了酶工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)了課程與生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解與認(rèn)識(shí)，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更適于新時(shí)期高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。