《生物分離工程》綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)與實(shí)踐

吳昊,胡永紅,呂浩,米利,賈紅華,吳菁嵐

1(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京,211816) 2(南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院,江蘇 南京,211816)

生物煉制是利用可再生的生物基原料,生產(chǎn)各種化學(xué)品、燃料和生物基材料的過程,其中的分離提取過程是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的關(guān)鍵下游技術(shù)?！渡锓蛛x工程》是生物工程專業(yè)的核心課程[1],是連接生物技術(shù)、生物制藥和生物能源等專業(yè)方向的橋梁學(xué)科[2],也是食品、醫(yī)藥等專業(yè)的重要課程。其教學(xué)內(nèi)容涵蓋十余類典型分離技術(shù)的原理、過程控制、分離材料與設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,體現(xiàn)了化工原理、微生物學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)乃至化工機(jī)械、材料工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉與綜合[3],兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的雙重特點(diǎn)?！渡锓蛛x工程》具有綜合性、實(shí)踐性、工程化三位一體的專業(yè)特色,如果在實(shí)踐教學(xué)中不能體現(xiàn)眾多知識點(diǎn)之間的有機(jī)聯(lián)系與學(xué)科交叉,就會(huì)造成知識碎片化,形成“學(xué)不能致用”的后果。因此,開展以實(shí)際體系提取目標(biāo)產(chǎn)物為導(dǎo)向的生物分離工程全流程綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué),有助于促進(jìn)學(xué)生將書本上的理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,對于“新工科”背景下培養(yǎng)復(fù)合型專業(yè)人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于現(xiàn)代信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可將教學(xué)內(nèi)容、虛擬設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對象有機(jī)地融合為一個(gè)整體,在參與者與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)過程中不受課時(shí)、場地和實(shí)驗(yàn)室條件的限制,具有可重復(fù)、可設(shè)計(jì)、低成本、高效率和零風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢[4]。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入專業(yè)課程體系建設(shè)可以發(fā)揮多重優(yōu)勢：(1)有利于加強(qiáng)知識概念教學(xué)立體化呈現(xiàn)[5],提高理論課程與實(shí)驗(yàn)課程的連貫性、銜接性;(2)有利于打破傳統(tǒng)教育的時(shí)空界限[6],推廣以學(xué)為主、以問題為導(dǎo)向、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式;(3)有利于將高水平科研成果和重大工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容[7],將工程理念與科學(xué)研究方法融入到實(shí)驗(yàn)中,培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

進(jìn)入21世紀(jì)后,發(fā)達(dá)國家的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已逐漸從離線式向在線網(wǎng)頁式轉(zhuǎn)變[8],并應(yīng)用于生物工程相關(guān)課程中。如DOMINGUES等[9]在生物工程的教學(xué)中采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成CTR反應(yīng)器停留時(shí)間分布檢測、展現(xiàn)氧傳質(zhì)系數(shù)與通氣速率及攪拌動(dòng)力之間聯(lián)系。西班牙Granada大學(xué)開發(fā)了基于不同反應(yīng)器模式的生物乙醇發(fā)酵過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用于生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)中[10]。新西蘭奧克蘭大學(xué)和丹麥科技大學(xué)的實(shí)踐表明：開展發(fā)酵工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)可以滿足教學(xué)需求,提升了學(xué)生的認(rèn)知水平,降低了新冠疫情對教學(xué)的不利影響[11]。在我國推行“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)改革的大背景下,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)[12]、發(fā)酵工程[13]、酶工程[14]、生物制藥工藝學(xué)[15]、白酒釀造工藝學(xué)[16]等生物工程類專業(yè)課程的教學(xué)中也取得了顯著效果和良好的反響。

南京工業(yè)大學(xué) 《生物分離工程》課程組自2019年開始,依托本校的科研轉(zhuǎn)化成果,以工業(yè)尺度的典型生物農(nóng)藥多抗菌素分離提取作為實(shí)驗(yàn)對象,開發(fā)了在線式的生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并應(yīng)用于本校的專業(yè)教學(xué)中。通過實(shí)踐,增強(qiáng)了學(xué)生對相關(guān)生物分離技術(shù)原理和相關(guān)規(guī)律的理解與掌握,使其對生物分離工程的應(yīng)用乃至實(shí)際操控有了直觀的認(rèn)識,啟發(fā)了對生物分離過程設(shè)計(jì)的思考,并為 《生物工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》和《專業(yè)實(shí)習(xí)》等相關(guān)課程的施教打下了良好基礎(chǔ),起到了“以虛促實(shí)、虛實(shí)互補(bǔ)”的效果。為此,本文對生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié),希望能為生物技術(shù)領(lǐng)域推進(jìn)工程教育“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的改革實(shí)踐提供參考。

1 傳統(tǒng)模式開展工業(yè)尺度生物分離工程綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)中存在的問題

綜合性實(shí)驗(yàn)以實(shí)際工程問題為背景,是多門課程的有機(jī)結(jié)合,突出了各學(xué)科知識間的內(nèi)在聯(lián)系,有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和實(shí)踐能力。但是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下開展工業(yè)尺度的生物分離工程綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)主要存在4大難題：

(1)現(xiàn)有排課方式難以開展全流程的生物分離工程綜合性實(shí)驗(yàn)。生物技術(shù)產(chǎn)品的分離提取是將多種分離技術(shù)集成并形成環(huán)環(huán)相扣的完整分離路線,受產(chǎn)品穩(wěn)定性、質(zhì)量等因素的限制,整個(gè)分離過程不能隨便中止,有些甚至持續(xù)數(shù)天。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的排課是分散式的,導(dǎo)致只能選取某個(gè)分離單元甚至是其中某個(gè)影響因素開展實(shí)驗(yàn),學(xué)生無法體驗(yàn)分離過程上下游的配合銜接以及多種要素的影響規(guī)律。

(2)教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以提供大批量的真實(shí)分離原料與規(guī)?；姆蛛x設(shè)備,不能體現(xiàn)真實(shí)體系的分離特性。生物轉(zhuǎn)化過程易受干擾,難以在短時(shí)間內(nèi)為教學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備大批合格原料。而真實(shí)體系中所含有的副產(chǎn)物、雜質(zhì),決定了其分離特性,這是人工模擬難以提供的。此外,小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的規(guī)?；蛛x設(shè)備存在巨大差異,并不能展現(xiàn)相應(yīng)的分離特性與操控過程,而教學(xué)單位難以提供價(jià)值不菲的規(guī)?；O(shè)備。

(3)由于存在安全風(fēng)險(xiǎn),部分生物分離技術(shù)無法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在某些分離提取過程中會(huì)涉及高溫、高壓、高速設(shè)備,或大量使用易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕性甚至有毒的原輔材料,具有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)在中藥提取實(shí)驗(yàn)教學(xué)中曾發(fā)生過多人受傷的爆燃事故。安監(jiān)部門要求運(yùn)行人員具備上崗操作資質(zhì)證書,相關(guān)設(shè)備和場地必須通過專業(yè)審核,而這些是教學(xué)單位與師生難以提供的。

(4)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式偏重模仿,難以發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性,不利于深入探究。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)是由教師設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案甚至固化分離參數(shù),學(xué)生只能機(jī)械地被動(dòng)執(zhí)行。另一方面,真實(shí)的生物分離實(shí)驗(yàn)過程難以在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)實(shí)施,不利于學(xué)生深入考察各種因素的影響規(guī)律,形成自己的認(rèn)知。

由此可見,專業(yè)課綜合實(shí)驗(yàn)的缺乏致使學(xué)生的動(dòng)手操作能力、分析和解決實(shí)際工程問題的能力得不到應(yīng)有的鍛煉。通過建設(shè)生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解決以上問題,需要結(jié)合“新工科”建設(shè)需求,充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式的優(yōu)勢,圍繞“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”的金課建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),體現(xiàn)“探索、設(shè)計(jì)、實(shí)踐三合一”的實(shí)驗(yàn)理念。

2 生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對象的選擇

典型的生物分離過程按照先后順序可分為4大分離類型：預(yù)處理、產(chǎn)物粗分離、產(chǎn)物純化、產(chǎn)品精制[17],每個(gè)分離單元中又包含有若干分離技術(shù)。因此,建設(shè)生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)選擇具有代表性的生物技術(shù)產(chǎn)品分離過程。近年來,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目產(chǎn)學(xué)研一體化的趨勢日益明顯,基于真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境開發(fā),呈現(xiàn)本行業(yè)先進(jìn)的技術(shù)、工藝和系統(tǒng),促進(jìn)科教融合、產(chǎn)教融合,成為協(xié)同育人的重要途徑[18]。

多抗菌素又稱多抗霉素,屬于肽嘧啶核苷類抗生素,是一種防止植物病害的廣譜性生物農(nóng)藥[19],有利于保護(hù)環(huán)境和食品安全。南京工業(yè)大學(xué)科研成果轉(zhuǎn)化的多抗菌素生產(chǎn)技術(shù)已投入批量生產(chǎn),并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。從鏈霉菌發(fā)酵液中分離提取多抗菌素涉及菌體、雜質(zhì)蛋白、色素、殘留底物、無機(jī)鹽、溶劑等典型雜質(zhì)的脫除,并最終脫水形成固態(tài)產(chǎn)品,其分離過程涉及膜分離、萃取、吸附、過濾、蒸餾、干燥等典型生物分離技術(shù),完全覆蓋四大分離類型,是一種具有代表性的生化產(chǎn)品分離過程。因此,選擇該產(chǎn)品的分離過程開發(fā)工業(yè)尺度的在線式生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn),以典型生物農(nóng)藥多抗菌素的規(guī)?；蛛x提取(6 000 L規(guī)模的鏈霉菌發(fā)酵液)為實(shí)驗(yàn)任務(wù)導(dǎo)向,可涵蓋分離技術(shù)、分離設(shè)備與過程控制相關(guān)的知識點(diǎn),實(shí)現(xiàn)理論知識與應(yīng)用實(shí)踐的融合。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

通過開展工業(yè)尺度的鏈霉菌發(fā)酵液提取多抗菌素虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),使學(xué)生從感性認(rèn)識與理性知識兩個(gè)層面深入領(lǐng)會(huì)《生物分離工程》的核心要義,達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：

(1)掌握相關(guān)分離技術(shù)(如膜分離、萃取、吸附等)的原理,通過探究影響相關(guān)分離效率的主要因素,熟悉工藝參數(shù)的選擇策略,領(lǐng)悟基于目標(biāo)產(chǎn)品與雜質(zhì)物性差異的生物分離路線設(shè)計(jì)思路。

(2)掌握工業(yè)尺度分離設(shè)備的選型、參數(shù)設(shè)置和過程控制方法(如膜分離設(shè)備、萃取設(shè)備、蒸發(fā)設(shè)備、過濾設(shè)備等),提升實(shí)踐操作能力。

(3)通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變《生物分離工程》的教學(xué)理念,將以書本上的理論知識為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q實(shí)際問題的實(shí)踐為中心,將學(xué)分驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蝿?wù)驅(qū)動(dòng),改變灌輸式、模仿式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)新意識,培養(yǎng)利用所學(xué)專業(yè)知識解決實(shí)際工程問題的能力。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容,將整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)成設(shè)計(jì)為：背景知識、單元實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)反饋4個(gè)功能模塊(圖1)。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模塊構(gòu)成Fig.1 Modules of virtual simulation experiment

背景知識模塊用于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)多抗菌素分離的實(shí)驗(yàn)背景、產(chǎn)品體系的特點(diǎn)與理化性質(zhì)、相關(guān)分離技術(shù)的原理、設(shè)備選型方法等基礎(chǔ)知識,用于啟發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思路。

按照“先探究后實(shí)踐”的循序遞進(jìn)原則,將實(shí)驗(yàn)分為單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K,通過多媒體、模型仿真和數(shù)據(jù)交互形成逼真的人機(jī)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,兼顧科研素養(yǎng)與技能培養(yǎng)兩方面的需求。具體設(shè)計(jì)如下：

單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K是按照先后次序?qū)⒍嗫咕胤蛛x過程的主要核心知識點(diǎn)拆解成3個(gè)探究性的單元實(shí)驗(yàn)(微濾預(yù)處理多抗菌素發(fā)酵液、逆流萃取分離多抗菌素、活性炭吸附純化多抗菌素和分離設(shè)備的模擬操作)和1個(gè)操作性的單元實(shí)驗(yàn)(多種分離設(shè)備的模擬操作),相關(guān)實(shí)驗(yàn)可不受限制地反復(fù)操作。通過探索多種因素與不同參數(shù)水平對分離效果的影響規(guī)律,為綜合實(shí)驗(yàn)中自主設(shè)定分離參數(shù)提供依據(jù);通過掌握典型分離設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及開停車操作步驟,提升操作技能,確保綜合實(shí)驗(yàn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括發(fā)酵液雜質(zhì)篩分、產(chǎn)物純化直至獲取多抗菌素產(chǎn)品構(gòu)成的全流程的完整生物分離過程。整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)中,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)內(nèi)置的基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分離模型運(yùn)算并展示相關(guān)的階段性分離結(jié)果,便于使用者自我評估。在實(shí)驗(yàn)交互中,各分離環(huán)節(jié)中不固化具體的分離參數(shù),允許學(xué)生在一定范圍內(nèi)自主設(shè)計(jì)、選擇,允許實(shí)驗(yàn)失敗,允許改正錯(cuò)誤,以此考察學(xué)生在分離方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置、過程控制等方面的掌握情況。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置異常狀態(tài)和安全隱患,根據(jù)學(xué)生的處置手段,利用仿真模型模擬出相應(yīng)的處理效果,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)度,鍛煉其應(yīng)變能力。

實(shí)驗(yàn)反饋模塊是利用設(shè)置的響應(yīng)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集技術(shù),結(jié)合評分標(biāo)準(zhǔn),通過系統(tǒng)生成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),供學(xué)生分析反思。教師通過系統(tǒng)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并輔以學(xué)生在系統(tǒng)中提交的心得體會(huì),及時(shí)了解每個(gè)學(xué)生對相關(guān)知識的掌握情況,持續(xù)改進(jìn)教學(xué)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)

生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對使用者的考核評價(jià)由3部分構(gòu)成：(1)通過記錄學(xué)生在背景知識和單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的活動(dòng)軌跡,完成過程性評價(jià)(占實(shí)驗(yàn)總評成績的30%)；(2)通過追蹤綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的個(gè)體交互操作響應(yīng)與分離數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動(dòng)形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)成績(占實(shí)驗(yàn)總評成績60%)；(3)教師依據(jù)學(xué)生線上提交的實(shí)驗(yàn)心得,了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的總結(jié)與反思并進(jìn)行評價(jià)(占實(shí)驗(yàn)總評成績的10%)。整個(gè)考核標(biāo)準(zhǔn)需要兼顧學(xué)生的知識技能、科學(xué)理念及主觀能動(dòng)性。

在實(shí)驗(yàn)成績的評價(jià)中,評分內(nèi)容包括分離設(shè)計(jì)、過程控制、操作規(guī)范、分離效果、提取收率等5個(gè)方面。以產(chǎn)物粗分離環(huán)節(jié)的評分標(biāo)準(zhǔn)為例(表1),總計(jì)15項(xiàng)評價(jià)內(nèi)容中,涉及分離設(shè)計(jì)3項(xiàng)、過程控制3項(xiàng)、操作規(guī)范4項(xiàng)、分離效果3項(xiàng)、提取收率2項(xiàng)。這種評價(jià)方式貼近真實(shí)的產(chǎn)品分離提取過程,有助于培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)分離體系的特點(diǎn)選擇合適的工藝、設(shè)備、參數(shù)并

表1 產(chǎn)物粗分離環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria of the rough separation experiments

實(shí)施正確的操作步驟解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)軟件架構(gòu)

整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的軟件系統(tǒng)分為4個(gè)層級(圖2),其中支撐層、仿真層和數(shù)據(jù)層位于服務(wù)器中,師生通過瀏覽器登錄實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁,客戶端無需安裝專屬程序或插件。使用者通過網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,完成實(shí)驗(yàn)并獲取相關(guān)信息。軟件開發(fā)采用Visual Studio為開發(fā)工具、采用HTML5語言標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備場景三維建模及動(dòng)畫設(shè)計(jì)采用Unity3D、3D Studio Max、Animate CC、Adobe Flash。數(shù)據(jù)庫采用Mysql、SQL Server,操作系統(tǒng)為Windows Server。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of virtual simulation experiment

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施步驟與實(shí)驗(yàn)方法

在學(xué)生已完成《生物化學(xué)》、《微生物學(xué)》、《化工原理》等課程和《生物分離工程》主要章節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,按照由淺入深、循序漸進(jìn)的原則開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),課時(shí)安排總計(jì)4學(xué)時(shí),其實(shí)施過程由學(xué)、練、考、評4個(gè)部分構(gòu)成(圖3)。

生物分離工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法如下：

(1)線下教學(xué)演示,翻轉(zhuǎn)課堂鞏固基礎(chǔ)知識

首先,教師在課堂上講解多抗菌素分離原理并演示實(shí)驗(yàn)軟件的使用方法(1學(xué)時(shí)),隨后學(xué)生利用翻轉(zhuǎn)課堂的方式開展線上自學(xué),通過瀏覽相應(yīng)的背景知識模塊掌握相關(guān)的生物分離技術(shù)原理、影響因素、分離設(shè)備特性等專業(yè)知識,熟悉多抗菌素發(fā)酵液的組成及物性特征等背景要素。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施步驟Fig.3 Implementation steps of virtual simulation experiment

(2)通過單元實(shí)驗(yàn)體會(huì)知識要點(diǎn)、啟發(fā)分離思路

當(dāng)學(xué)生完成背景知識學(xué)習(xí)后,教師介紹并演示單元實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法,隨后學(xué)生登錄進(jìn)入單元實(shí)驗(yàn)界面,在充分了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和?shí)驗(yàn)步驟的基礎(chǔ)上,基于控制變量法開展實(shí)驗(yàn)(1.5學(xué)時(shí))。學(xué)生還可以在課后登錄系統(tǒng)不受限制地重復(fù)實(shí)施單元實(shí)驗(yàn),反復(fù)探究相關(guān)的規(guī)律。以微濾分離發(fā)酵液單元實(shí)驗(yàn)為例(圖4),實(shí)驗(yàn)操作界面的右側(cè)設(shè)置了pH、膜組件類型、泵頻率(膜面循環(huán)流速)、操作壓力、膜污染處理方式等相關(guān)分離因素。在同一因素下,學(xué)生可選擇不同水平同時(shí)開展實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)形成單元實(shí)驗(yàn)報(bào)告并予以點(diǎn)評,便于學(xué)生掌握相關(guān)規(guī)律。單元實(shí)驗(yàn)還提供虛擬設(shè)備仿真操作,提升操作技能。

(3)開展綜合實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)解決生物分離工程實(shí)際問題的能力

a-單元實(shí)驗(yàn)操作界面;b-單元實(shí)驗(yàn)結(jié)果;c-單元實(shí)驗(yàn)報(bào)告;d-虛擬設(shè)備仿真操作圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)單元實(shí)驗(yàn)操作Fig.4 Unit experiments of virtual simulation experiment system

當(dāng)學(xué)生完成單元實(shí)驗(yàn)后,可在教師設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)開展綜合實(shí)驗(yàn)(1.5學(xué)時(shí))。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為發(fā)酵液預(yù)處理、產(chǎn)物粗分離、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化及產(chǎn)品精制4個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生首先了解相關(guān)的分離背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、步驟,選擇相應(yīng)的分離路線和分離設(shè)備,以仿真操作虛擬設(shè)備的方式設(shè)置各類分離參數(shù),操作相關(guān)設(shè)備并對分離過程進(jìn)行控制,解決異常工況,消除不利因素(圖5)。在實(shí)驗(yàn)過程中可通過知識回顧功能獲取相關(guān)協(xié)助(如參數(shù)的計(jì)算方法、設(shè)備選型的原則),當(dāng)操作發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤,系統(tǒng)會(huì)以聲音、文字乃至事故動(dòng)畫的形式予以警示,并提醒使用者重新實(shí)施操作。完成某一分離環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)后,使用者根據(jù)顯示的階段性分離結(jié)果,判斷是否需要重做實(shí)驗(yàn),獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將作為下一環(huán)節(jié)的初始數(shù)據(jù),如此環(huán)環(huán)相扣。

a-儀表仿真操作界面;b-實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控界面;c-知識回顧提醒;d-階段性分離結(jié)果圖5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)操作Fig.5 Comprehensive experiment of virtual simulation experiment system

(4)自動(dòng)生成綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告,提交實(shí)驗(yàn)心得

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程的操作響應(yīng)及其產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)果均被軟件記錄采集。根據(jù)每個(gè)學(xué)生的單元實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)記錄,系統(tǒng)自動(dòng)生成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,報(bào)告依據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)響應(yīng)和結(jié)果進(jìn)行評價(jià)和打分,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告評估實(shí)驗(yàn)結(jié)果,歸納思考后提交實(shí)驗(yàn)心得(圖6)。教師根據(jù)系統(tǒng)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)和學(xué)生的反饋,通過即時(shí)通訊軟件有針對性地與學(xué)生開展在線輔導(dǎo)與討論,鞏固教學(xué)效果。

a-綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示;b-學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)心得圖6 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告Fig.6 Comprehensive experiment report of virtual simulation experiment system

3 生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用與成效

生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(鏈霉菌發(fā)酵液提取多抗菌素虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué))的單機(jī)版在2019年投入小范圍的教學(xué)測試,2020年獲得南京工業(yè)大學(xué)二級域名網(wǎng)址,用于提供免費(fèi)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。2021年,該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加入江蘇省高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)。該系統(tǒng)應(yīng)用于南京工業(yè)大學(xué)生物工程、制藥工程專業(yè)的《生物分離工程》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),累計(jì)完成680余人次的線上實(shí)驗(yàn)考核,軟件運(yùn)行平穩(wěn)。目前,該實(shí)驗(yàn)課程已入選江蘇省首批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流本科課程。

課程組在沒有增加《生物分離工程》課時(shí)的情況下,充分發(fā)揮線上線下混合教學(xué)的優(yōu)勢,通過QQ群、超星學(xué)習(xí)通課程討論區(qū)等即時(shí)交流工具上傳操作說明書和教學(xué)引導(dǎo)視頻進(jìn)行輔導(dǎo),由學(xué)生自主開展為期一周的線上自學(xué)并進(jìn)行單元實(shí)驗(yàn)的探究。以制藥18級為例,89%的學(xué)生平均每天登錄學(xué)習(xí)不少于1次(圖7-a),學(xué)生這種高頻率的自主學(xué)習(xí)行為與過去傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“心不在焉”的狀態(tài)形成了鮮明對比。1周后,學(xué)生攜帶筆記本電腦在課堂上進(jìn)行線上綜合實(shí)驗(yàn)考核,平均得分為82.3分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的滿意調(diào)查表明:78.8%受訪者表示滿意,18.2%的受訪者表示基本滿意(圖7-b)。

a-登陸使用次數(shù)統(tǒng)計(jì);b-使用滿意度調(diào)查圖7 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用情況調(diào)查Fig.7 Investigation on the use of virtual simulation experiment system

表2顯示了學(xué)生對課程各項(xiàng)教學(xué)質(zhì)量指標(biāo)的評價(jià)得分,學(xué)生的使用感受歸納為4個(gè)方面：(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作過程逼真,甚至可呈現(xiàn)誤操作引發(fā)的安全事故,印象深刻;(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較好地將理論知識與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來,促進(jìn)了自主思考,加深了對專業(yè)的認(rèn)知,提高了技能;(3)在線式的仿真實(shí)驗(yàn)可隨時(shí)學(xué)隨時(shí)做,節(jié)約了時(shí)間,提高了學(xué)習(xí)效率;(4)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,為之后完成生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中的分離提取實(shí)操積累了經(jīng)驗(yàn),虛擬設(shè)備的仿真操作加深了對專業(yè)實(shí)習(xí)中真實(shí)分離設(shè)備的認(rèn)識。由此可見,生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用促進(jìn)了學(xué)生能力與素養(yǎng)的提升,符合“新工科”背景下的專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)需求。

表2 課程各項(xiàng)教學(xué)質(zhì)量指標(biāo)評價(jià)Table 2 Evaluation of teaching quality indicators of the course

4 結(jié)論

南京工業(yè)大學(xué)《生物分離工程》課程組以培養(yǎng)學(xué)生解決生物分離工程實(shí)際問題能力為教學(xué)目標(biāo),依托“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式和科研轉(zhuǎn)化成果,緊扣“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn),輔以精準(zhǔn)的綜合評價(jià)系統(tǒng),建設(shè)在線式生物分離工程綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并應(yīng)用于教學(xué)。學(xué)生通過直觀的虛擬設(shè)備和仿真操作,探究分離規(guī)律,形成分離策略,自主設(shè)計(jì)分離參數(shù),完成分離全過程。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可解決難以開展工業(yè)尺度生物分離工程綜合性實(shí)驗(yàn)的難題,有助于師生教學(xué)互饋,促進(jìn)復(fù)合型生物技術(shù)人才的培養(yǎng)。