虛擬仿真技術(shù)在發(fā)酵工程制藥實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

羅方

[摘? ? ? ? ? ?要]? 發(fā)酵工程制藥是生物制藥專業(yè)的核心課程，其內(nèi)容豐富、涉及面廣，同時(shí)與生產(chǎn)實(shí)際密切聯(lián)系。虛擬仿真技術(shù)是利用電腦創(chuàng)造虛擬環(huán)境來模擬真實(shí)環(huán)境，并可以利用虛擬環(huán)境模仿真實(shí)環(huán)境中的操作和運(yùn)行的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑梢韵龑?shí)體實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制，降低實(shí)驗(yàn)成本?？偨Y(jié)生物制藥專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，并以生物制藥仿真系統(tǒng)為例，對(duì)發(fā)酵工程制藥實(shí)踐教學(xué)中引入仿真系統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行探討。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 發(fā)酵工程制藥;虛擬仿真技術(shù);教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）01-0090-02

發(fā)酵工程制藥是生物制藥專業(yè)的核心課程，課程內(nèi)容豐富，涉及微生物、生物化學(xué)、生物制藥設(shè)備、生化分離技術(shù)等內(nèi)容，同時(shí)它又是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。提高學(xué)生實(shí)踐能力是實(shí)現(xiàn)高職高專培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才目標(biāo)的重點(diǎn)[1]，特別是對(duì)于制藥專業(yè)的學(xué)生來說，由于企業(yè)推行藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理（簡稱GMP）認(rèn)證，從業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高，這就對(duì)制藥類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求[2]。為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)發(fā)酵制藥原理的理解和掌握，提高實(shí)驗(yàn)操作的能力，一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小試操作的基礎(chǔ)上還要進(jìn)實(shí)訓(xùn)車間進(jìn)行中試或生產(chǎn)性試驗(yàn)。由于發(fā)酵實(shí)訓(xùn)車間建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用高昂，使中試及生產(chǎn)性實(shí)踐教學(xué)無法大規(guī)模開展。多媒體教學(xué)法通過提供圖片及視頻在一定程度上提高了學(xué)生對(duì)真實(shí)車間的了解，但無法身臨其境，難以有代入感。因此，將沉浸感強(qiáng)、交互性好的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)引入實(shí)踐教學(xué)中，可最大程度展示制藥車間的生產(chǎn)流程，提高設(shè)備的操作感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果[3，4]。

一、發(fā)酵制藥實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)

發(fā)酵工程制藥是利用微生物或動(dòng)植物細(xì)胞的生命活動(dòng)而獲得特定藥物的技術(shù)過程，是現(xiàn)代生物制藥技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的主要方法。發(fā)酵工程制藥主要包括上游工程（優(yōu)良菌株的選育、發(fā)酵條件的確定、培養(yǎng)基的選擇和制備），中游工程（最適發(fā)酵條件的確定）和下游工程（活性物質(zhì)的分離提?。?/p>

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的發(fā)酵實(shí)踐教學(xué)主要分為小試階段（普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行），中試和生產(chǎn)性實(shí)踐階段（實(shí)訓(xùn)車間內(nèi)進(jìn)行）。小試階段所需的普通實(shí)驗(yàn)室數(shù)量多，所需設(shè)備體積較小且較為經(jīng)濟(jì)，能滿足大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求，提高學(xué)生的基礎(chǔ)操作能力。但普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境并不滿足GMP要求，并與真實(shí)的工業(yè)制藥車間差距大，難以培養(yǎng)學(xué)生GMP素養(yǎng)。中試和生產(chǎn)性實(shí)踐一般在GMP車間內(nèi)進(jìn)行，所需發(fā)酵相關(guān)設(shè)備往往占地面積較大，價(jià)格昂貴，涉及的設(shè)備結(jié)構(gòu)和連接管路復(fù)雜;發(fā)酵的方法生產(chǎn)藥品的生產(chǎn)周期一般較長，需要幾天甚至十幾天才能最終完成;滅菌過程需要在高溫高壓條件下進(jìn)行，有一定的危險(xiǎn)性。建立GMP實(shí)訓(xùn)車間不僅初期投資成本高，建成后的維護(hù)成本亦遠(yuǎn)高于普通實(shí)驗(yàn)室。一般高校難以實(shí)現(xiàn)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)制藥GMP實(shí)訓(xùn)車間，即使建有實(shí)訓(xùn)車間，每種設(shè)備也最多只有1～3套。目前我國正處于高職教育擴(kuò)招階段，一般采用大班教學(xué)，一班人數(shù)多達(dá)幾十人，只有少數(shù)學(xué)生具有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。若減少每批實(shí)訓(xùn)學(xué)生的數(shù)量，可以增加每位學(xué)生設(shè)備使用的概率。但由于同一專業(yè)的學(xué)生通常為幾百人，減少每批上課學(xué)生的數(shù)量意味著需要更長的周轉(zhuǎn)時(shí)間和更多的指導(dǎo)教師，難以適合目前專業(yè)教師較少的現(xiàn)狀。實(shí)訓(xùn)過程中還涉及大量原材料、水電、消毒用品等成本的消耗，生產(chǎn)出來的藥品不能后續(xù)使用，需要報(bào)廢處理，這些原因均阻礙了GMP實(shí)訓(xùn)車間的建設(shè)和使用。

二、虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

（一）虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各種先進(jìn)的信息技術(shù)越來越多地應(yīng)用到教育教學(xué)中，新的技術(shù)帶來了新的教育方式和手段[5]。隨著計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)已逐步應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中。仿真技術(shù)是利用電腦創(chuàng)造虛擬環(huán)境來模擬真實(shí)環(huán)境，并可以利用虛擬環(huán)境模仿真實(shí)環(huán)境中的操作和運(yùn)行[6]。我校使用了生物制藥仿真系統(tǒng)，該平臺(tái)中基于企業(yè)生產(chǎn)的虛擬仿真場景和生產(chǎn)流程，將發(fā)酵制藥工藝流程和設(shè)備原理等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行合理分解，歸納為各個(gè)單元操作。學(xué)生可以按照各個(gè)子模塊學(xué)習(xí)，又可以把各個(gè)子模塊串起來形成整體的操作流程，消除了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中只能選擇幾個(gè)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行單元性操作，無法體驗(yàn)完整的藥品生產(chǎn)過程的問題。

（二）仿真系統(tǒng)在發(fā)酵工程制藥課程中的應(yīng)用

通過我院引入的生物制藥仿真軟件實(shí)例，探討了仿真系統(tǒng)的教學(xué)方式對(duì)發(fā)酵工程制藥實(shí)踐教學(xué)的影響。發(fā)酵工程制藥課程實(shí)踐設(shè)計(jì)內(nèi)容框架如下圖所示，主要由實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和仿真教學(xué)兩部分組成。實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中主要培養(yǎng)學(xué)生課程相關(guān)的基礎(chǔ)操作訓(xùn)練和無菌意識(shí)。虛擬仿真系統(tǒng)以天冬酰胺酶的發(fā)酵工藝為主線，包括知識(shí)庫、單元實(shí)訓(xùn)模塊分類和操作、考核模塊。

在知識(shí)庫中，主要介紹了天冬酰胺酶的發(fā)酵工藝流程，學(xué)生可了解完整的產(chǎn)品工藝生產(chǎn)流程，理解各生產(chǎn)崗位的工作內(nèi)容;還提供了GMP車間的整體結(jié)構(gòu)和設(shè)備分布，提高學(xué)生的沉浸感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。除此之外，還通過視頻文件介紹了發(fā)酵工藝中所涉及的核心設(shè)備的使用原理、使用方法及主要崗位設(shè)置等。單元實(shí)訓(xùn)模塊提供車間內(nèi)各種虛擬制藥設(shè)備的仿真實(shí)訓(xùn)操作，工藝分成多個(gè)單元模塊，包括菌種培養(yǎng)、種子培養(yǎng)、種子罐空消和實(shí)消、種子罐接種、種子罐培養(yǎng)等，學(xué)生可以在掌握整體生產(chǎn)工藝的技術(shù)上進(jìn)一步深入單元操作。進(jìn)入操作頁面后，可以進(jìn)行對(duì)設(shè)備的選擇和移動(dòng)，并能通過對(duì)管道閥門的控制，對(duì)發(fā)酵過程中的溫度、pH值、進(jìn)料和出料等各參數(shù)進(jìn)行控制，最后完成單元目標(biāo)。考核模塊又分為單元實(shí)訓(xùn)模塊考核和理論知識(shí)考核。指導(dǎo)教師可以利用實(shí)訓(xùn)模塊了解學(xué)生仿真實(shí)訓(xùn)的效果。理論知識(shí)考核點(diǎn)可以由教師自行設(shè)計(jì)自行導(dǎo)入，一般為與實(shí)訓(xùn)工藝流程、設(shè)備原理和標(biāo)準(zhǔn)操作方法、涉及的試劑相關(guān)的內(nèi)容。經(jīng)考核后學(xué)生的成績可以由office文件形式導(dǎo)出并存檔。

通過對(duì)門冬酰胺酶發(fā)酵工廠實(shí)物設(shè)備的仿真模擬，使學(xué)生掌握該工藝的設(shè)計(jì)原理、車間環(huán)境、相關(guān)設(shè)備、參數(shù)控制等有了更為深入的了解。雖然仿真教學(xué)具有界面直觀、操作方便、安全性高、無損耗、無操作次數(shù)限制等特點(diǎn)，能節(jié)約大量的教育成本，但是，仿真教學(xué)不能完全取代實(shí)物操作，因?yàn)樵谡鎸?shí)操作環(huán)境中，學(xué)生接觸到的信息遠(yuǎn)大于仿真系統(tǒng)提供的內(nèi)容。舉例來說，如對(duì)培養(yǎng)基的配制過程中學(xué)生可以真實(shí)地感受到培養(yǎng)基的顏色、黏度及滅菌前后的色澤變化，而在仿真系統(tǒng)操作時(shí)卻無法感知。進(jìn)一步來說，仿真系統(tǒng)不會(huì)提示操作不當(dāng)產(chǎn)生的后果，如操作不當(dāng)造成發(fā)酵污染雜菌，高溫高壓滅菌可能出現(xiàn)管路炸裂等意外事故。在實(shí)踐中僅安排仿真教學(xué)容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)際操作的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，更重要的是會(huì)削弱學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

為了提高發(fā)酵工程制藥實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果，可以開放實(shí)驗(yàn)室。由于虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)時(shí)間的限制，可以通過采取在整個(gè)課程期間對(duì)學(xué)生全天候開放機(jī)房，這樣學(xué)生就可以根據(jù)自己的需要隨時(shí)進(jìn)行仿真軟件的實(shí)驗(yàn)操作，方便其自主的預(yù)習(xí)或?qū)W習(xí)復(fù)習(xí)課程。提供開放實(shí)驗(yàn)室可以最大程度地發(fā)揮教學(xué)資源利用率，提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性，提供學(xué)生實(shí)踐條件。

三、結(jié)語

基于企業(yè)生產(chǎn)和GMP車間的虛擬仿真場景的實(shí)踐教學(xué)仿真軟件在發(fā)酵工程制藥課程中的應(yīng)用，可以節(jié)省學(xué)校的資金投入，節(jié)約教室空間占有率;實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和仿真設(shè)備的交互，提高學(xué)生對(duì)真實(shí)企業(yè)生產(chǎn)的了解。通過后臺(tái)修改，使仿真內(nèi)容與國家要求和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)技術(shù)同步更新。通過仿真技術(shù)和發(fā)酵工程制藥實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，加強(qiáng)了課程與生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系，增強(qiáng)了課程的學(xué)習(xí)趣味性和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而使實(shí)踐教學(xué)更適合于新時(shí)期高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪天友.應(yīng)用型人才培養(yǎng)與高校教學(xué)改革問題探究[J]. 高教學(xué)刊，2017（6）.

[2]朱夢蓉.GMP認(rèn)證后制藥企業(yè)質(zhì)量改進(jìn)的持續(xù)性研究[J].科技進(jìn)步與對(duì)策，2017（11）：156-159.

[3]項(xiàng)朝陽，賀昉，段丹萍，等.基于Quest 3D的仿真制藥實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2013（5）：77-82.

[4]梁蕊芳，徐龍，翁鴻珍，等.仿真技術(shù)在發(fā)酵工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012（11）：15-18.

[5]顧昊，孫智杰.李勤.生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（4）：108-110，120.

[6]常雅寧，彭鈺珂，魏東芝，等.虛擬仿真技術(shù)在酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019（2）：243-245，250.

編輯 陳鮮艷