學(xué)科交叉背景下的《發(fā)酵過(guò)程智能控制技術(shù)》課程建設(shè)

丁健，史仲平

(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122)

伴隨工業(yè)生物技術(shù)及其周邊學(xué)科的發(fā)展，工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)呈現(xiàn)出部門(mén)分工細(xì)化、組織規(guī)模擴(kuò)大、產(chǎn)品多樣化和發(fā)酵過(guò)程參數(shù)多樣化的特點(diǎn)[1]。工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的上述特點(diǎn)，使得發(fā)酵數(shù)據(jù)的數(shù)量及復(fù)雜程度劇增,每個(gè)發(fā)酵批次本身具有特定的批次信息，如操作部門(mén)、操作人員、產(chǎn)品等；每個(gè)發(fā)酵批次內(nèi)又包含在線(xiàn)數(shù)據(jù)、離線(xiàn)數(shù)據(jù)、菌體形態(tài)、人員操作記錄等生產(chǎn)信息。技術(shù)人員需要通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)指導(dǎo)發(fā)酵生產(chǎn)，優(yōu)化發(fā)酵工藝。隨著發(fā)酵數(shù)據(jù)數(shù)量及復(fù)雜程度的增加，發(fā)酵企業(yè)對(duì)于技術(shù)人員自身的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)也提出了更高的要求。然而，各高校生物工程類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置中，僅在《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》這門(mén)課程中對(duì)于發(fā)酵工藝控制與優(yōu)化有所涉獵，且教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊，沒(méi)有與當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中的最新技術(shù)緊密結(jié)合[2]。很明顯，在此模式下培養(yǎng)出的技術(shù)人員，難以滿(mǎn)足發(fā)酵企業(yè)對(duì)于技術(shù)人員的要求。

工業(yè)化發(fā)酵過(guò)程在數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝控制與優(yōu)化方面遇到技術(shù)瓶頸，與此同時(shí)，由新一代信息技術(shù)催生出的第四次工業(yè)革命正在悄然到來(lái)。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息技術(shù)正在以“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的姿態(tài)改變著傳統(tǒng)制造業(yè)[3]。我國(guó)工業(yè)和信息化部于2021年11月印發(fā)的《“十四五”信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：信息世界和物理世界的深度融合是未來(lái)世界發(fā)展的總趨勢(shì)，信息化和工業(yè)化深度融合順應(yīng)這一趨勢(shì)，正在全面加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型、推動(dòng)制造業(yè)企業(yè)形態(tài)、生產(chǎn)方式、業(yè)務(wù)模式和就業(yè)方式的根本性變革[4]。新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，為工業(yè)發(fā)酵過(guò)程突破技術(shù)瓶頸提供了強(qiáng)有力的工具。信息技術(shù)可有效提高發(fā)酵數(shù)據(jù)管理和分析的效率，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化模型，能夠理性指導(dǎo)發(fā)酵工藝的優(yōu)化控制，擺脫關(guān)鍵工藝操作環(huán)節(jié)對(duì)于人工經(jīng)驗(yàn)的過(guò)度依賴(lài)，提高工藝控制的精度和自動(dòng)化水平，在穩(wěn)定發(fā)酵生產(chǎn)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。因此，與信息技術(shù)的深度融合，是發(fā)酵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。

想要實(shí)現(xiàn)信息化與發(fā)酵工業(yè)的深度融合，需要大量具有交叉學(xué)科背景的工程技術(shù)人才。眾所周知，生物工程與信息技術(shù)之間的專(zhuān)業(yè)跨度較大。比較江南大學(xué)生物工程專(zhuān)業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案，可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課設(shè)置差異較大，并且其他高校類(lèi)似專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置也有這一特點(diǎn)，最終導(dǎo)致具有信息技術(shù)和生物工程交叉背景的人才稀缺，無(wú)法滿(mǎn)足信息化與發(fā)酵工業(yè)的深度融合。在這一背景下，江南大學(xué)生物工程學(xué)院嘗試在生物工程類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設(shè)《發(fā)酵過(guò)程智能控制技術(shù)》課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決發(fā)酵數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、工藝控制與優(yōu)化問(wèn)題的能力，為發(fā)酵行業(yè)輸送具有交叉學(xué)科背景的工程技術(shù)人才。

1 教學(xué)內(nèi)容

1.1 python虛擬環(huán)境搭建和常用工具包

在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)院已開(kāi)設(shè)《python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》，側(cè)重對(duì)于python編程語(yǔ)言本身的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。一定的計(jì)算機(jī)編程能力，是發(fā)酵過(guò)程智能控制所必須的。在先修課程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講授virtualenv虛擬環(huán)境、pip包管理工具，使學(xué)生快速掌握搭建應(yīng)用型工程項(xiàng)目框架的方法。最后，基于virtualenv虛擬環(huán)境和pip包管理工具，介紹在發(fā)酵過(guò)程智能控制中常用工具包，具體內(nèi)容如表1所示。利用這些成熟的工具包，能夠快速高效地實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中所需的數(shù)據(jù)采集、科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)據(jù)通信等功能。將這些工具包中的功能函數(shù)靈活組合，能夠快速搭建發(fā)酵過(guò)程智能控制系統(tǒng)。因此，熟練使用這些工具包，是發(fā)酵過(guò)程智能控制的基礎(chǔ)。由于課堂教學(xué)時(shí)間有限，授課過(guò)程中重點(diǎn)講述工具包主要功能、用途、安裝方法以及最基本的使用方式，同時(shí)給出各工具包所對(duì)應(yīng)的詳細(xì)官方文檔，供學(xué)生課后學(xué)習(xí)。同時(shí)，針對(duì)每一個(gè)工具包在發(fā)酵過(guò)程控制中的應(yīng)用場(chǎng)景，布置難度適宜的課后作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生自主閱讀文檔、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

表1 發(fā)酵過(guò)程智能控制常用python工具包Table 1 Commonly used tools for fermentation process intelligent control

1.2 發(fā)酵數(shù)據(jù)采集與管理

如今，在各行各業(yè)中，數(shù)據(jù)已被看作巨大的寶藏。本章節(jié)授課內(nèi)容，主要關(guān)注在發(fā)酵過(guò)程中的數(shù)據(jù)來(lái)源問(wèn)題，目的在于教會(huì)學(xué)生從不同的發(fā)酵設(shè)備中獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)地管理。首先介紹目前市售發(fā)酵罐的硬件及軟件架構(gòu)模式，使學(xué)生初步了解小試、中試以及生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐架構(gòu)模式。之后，介紹在不同的硬件及軟件架構(gòu)模式下，如何與設(shè)備通信，從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)。例如，如圖1所示的發(fā)酵罐架構(gòu)中，主要可以采用3種方式從發(fā)酵罐的主控PLC上獲取數(shù)據(jù)：(1)通過(guò)KepServer軟件中轉(zhuǎn)，再利用多種軟件接口從KepServer中讀取數(shù)據(jù)；(2)使用python中的snap7-python工具包直接讀取主控PLC中的寄存器或者數(shù)據(jù)塊；(3)若主控PLC開(kāi)啟了OPC-UA通信的功能，則可以利用python中的python-opcua工具包，通過(guò)OPC-UA接口讀取PLC中的數(shù)據(jù)。在不同的設(shè)備架構(gòu)模式下，可以使用不同的方法讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，常用的方法還包括，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈接、OPC-DA以及http協(xié)議等，在本章節(jié)中都會(huì)一一向?qū)W生講授。

圖1 發(fā)酵設(shè)備架構(gòu)示例Fig.1 Example of fermenter equipment architecture

從發(fā)酵設(shè)備中獲取到的大量數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行有效管理是本章節(jié)關(guān)注的第二個(gè)問(wèn)題。在授課過(guò)程中，首先以MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件為例，向?qū)W生講授關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，更重要的教學(xué)內(nèi)容是教會(huì)學(xué)生如何根據(jù)發(fā)酵過(guò)程數(shù)據(jù)的類(lèi)型和特點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵數(shù)據(jù)的高效管理。利用結(jié)構(gòu)合理的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以幫助發(fā)酵技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的保存、刪除、修改以及查詢(xún)。最后，教會(huì)學(xué)生如何利用python中的pymysql工具包操作MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，這也是未來(lái)發(fā)酵技術(shù)人員的重要技能之一。

1.3 嵌入式開(kāi)發(fā)與發(fā)酵設(shè)備控制

嵌入式開(kāi)發(fā)就是指在嵌入式操作系統(tǒng)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，一般常用的系統(tǒng)有l(wèi)inux， WinCE，android等。嵌入式操作系統(tǒng)具有內(nèi)核小、極度精簡(jiǎn)、控制性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在嵌入式操作系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，被廣泛用于各行各業(yè)的工業(yè)控制過(guò)程當(dāng)中[5]。本章節(jié)將以安裝有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的單板控制機(jī)——樹(shù)莓派為實(shí)例，為學(xué)生講授嵌入式開(kāi)發(fā)在發(fā)酵設(shè)備控制中的應(yīng)用[6]。首先，以實(shí)際操作為學(xué)生展示嵌入式Linux操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)易使用方法，并教會(huì)學(xué)生如何在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上搭建python開(kāi)發(fā)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，一一為學(xué)生介紹樹(shù)莓派上集成的多種通信接口，如數(shù)字IO、Uart、I2C以及SPI等，并介紹這些通信接口在發(fā)酵過(guò)程控制中的應(yīng)用范圍。最后，以具體的python代碼為例，展示如何利用樹(shù)莓派上的通信接口對(duì)發(fā)酵罐及周邊設(shè)備進(jìn)行控制，例如：利用數(shù)字IO接口控制電器閥的開(kāi)啟和閉合，利用Uart接口控制流加泵的轉(zhuǎn)速，利用I2C上外界的AD/DA模塊采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)保壓閥的開(kāi)度，進(jìn)而將發(fā)酵罐內(nèi)的壓力控制在穩(wěn)定水平。

課程講授至此，學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)如何利用python編程的方式從各類(lèi)發(fā)酵罐以及周邊設(shè)備中采集數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)，并對(duì)各類(lèi)設(shè)備實(shí)施控制，已經(jīng)初步具備了對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行智能控制的相關(guān)硬件知識(shí)。在以下章節(jié)的教學(xué)中，將繼續(xù)對(duì)相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)知識(shí)和技能進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

1.4 數(shù)據(jù)與控制指令傳輸

掌握了對(duì)單臺(tái)發(fā)酵設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和設(shè)備控制的相關(guān)知識(shí)后，需要對(duì)學(xué)生的知識(shí)體系進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，繼續(xù)講授多臺(tái)發(fā)酵設(shè)備集中控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的方法。在實(shí)際的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)酵設(shè)備并不一定集中在一起，可能位于不同車(chē)間、不同廠(chǎng)區(qū)、甚至不同城市。因此，設(shè)備的集中控制和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，必然涉及數(shù)據(jù)和控制指令的遠(yuǎn)程傳輸。目前，互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)十分完善，其穩(wěn)定性和瞬時(shí)傳輸速度已經(jīng)完全能夠滿(mǎn)足發(fā)酵數(shù)據(jù)和設(shè)備控制指令傳輸?shù)男枨?。因此，本章?jié)主要向?qū)W生講授利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸發(fā)酵數(shù)據(jù)和設(shè)備控制指令的相關(guān)知識(shí)。

授課的內(nèi)容主要包括：TCP協(xié)議，http協(xié)議，mqtt協(xié)議，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。幾種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的關(guān)系如圖2所示，其中，TCP協(xié)議是最基本的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，利用它傳輸數(shù)據(jù)，軟件開(kāi)發(fā)的工作量較大。http協(xié)議和mqtt協(xié)議均是在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步封裝而獲得。前者主要用于由客戶(hù)端向服務(wù)器的請(qǐng)求發(fā)送，是單向的；后者在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信中具有廣泛應(yīng)用，利用“訂閱-推送”機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流在“客戶(hù)端-客戶(hù)端”和“客戶(hù)端-服務(wù)器”之間的自由傳輸。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)則是在標(biāo)準(zhǔn)mqtt協(xié)議的基礎(chǔ)之上進(jìn)行更進(jìn)一步的封裝，提供更加簡(jiǎn)單易用的接口函數(shù)，且有專(zhuān)門(mén)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)平臺(tái)的維護(hù)，穩(wěn)定性高。本章節(jié)要求學(xué)生重點(diǎn)掌握通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)http協(xié)議和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸發(fā)酵數(shù)據(jù)和指令的方法。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之間的關(guān)系Fig.2 Relationships between network communication protocols

1.5 綜合應(yīng)用實(shí)例

如前所述，信息化與發(fā)酵工程的深度融合，需要技術(shù)人員同時(shí)具備信息技術(shù)和發(fā)酵工程相關(guān)的背景知識(shí)。本課程進(jìn)行至此，在發(fā)酵工程中能夠用到的信息技術(shù)知識(shí)已經(jīng)基本講授完畢。由于課堂教學(xué)學(xué)時(shí)有限，講授過(guò)程更加偏重于知識(shí)結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建和實(shí)際操作的訓(xùn)練，過(guò)于細(xì)致的技術(shù)細(xì)節(jié)涉及較少。為了彌補(bǔ)這一缺陷，上述的所有內(nèi)容都會(huì)給學(xué)生提供權(quán)威的課后學(xué)習(xí)資料，供學(xué)生擴(kuò)展學(xué)習(xí)。發(fā)酵工程相關(guān)知識(shí)，學(xué)生已經(jīng)在先修課程《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》中學(xué)習(xí)過(guò)[7]，本課程中就不再詳細(xì)講述。

前面幾個(gè)章節(jié)中，對(duì)于信息技術(shù)相關(guān)知識(shí)的介紹都是零散的，即便學(xué)生已經(jīng)熟練掌握了每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，也很難綜合運(yùn)用各個(gè)章節(jié)所學(xué)到的內(nèi)容解決發(fā)酵工程中遇到的實(shí)際問(wèn)題。想要提高學(xué)生運(yùn)用書(shū)本知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，具有針對(duì)性的、典型的綜合案例教學(xué)必不可少。因此，在本課程的最后一個(gè)章節(jié)中，授課教師將精心選擇2～3個(gè)綜合性的項(xiàng)目案例，這些案例全部來(lái)源于實(shí)際的科研或工程項(xiàng)目。例如，圖3所示的項(xiàng)目實(shí)例，該實(shí)例在樹(shù)莓派上利用python語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)接口與設(shè)備通信，通過(guò)本地web服務(wù)器為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供上位機(jī)操作接口，通過(guò)內(nèi)嵌的阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上報(bào)和控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)。在課堂上詳細(xì)剖析這些綜合案例中每個(gè)功能模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的功能，以及各功能模塊之間系統(tǒng)作用的機(jī)制，并依靠實(shí)物展示、分組討論等方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，在課后完成授課教師布置的開(kāi)放性系統(tǒng)開(kāi)發(fā)作業(yè)。通過(guò)綜合案例的講解和課后的開(kāi)放性系統(tǒng)開(kāi)發(fā)作業(yè)，使學(xué)生將前面幾個(gè)章節(jié)中所學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)融會(huì)貫通，真正具備查閱資料、閱讀操作手冊(cè)以及利用信息技術(shù)解決發(fā)酵過(guò)程智能控制實(shí)際問(wèn)題的能力。

圖3 發(fā)酵數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框架Fig.3 Framework of fermentation data management system

2 教學(xué)難點(diǎn)及解決方案

2.1 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱

本課程的授課對(duì)象是生物工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)三年級(jí)的學(xué)生，經(jīng)過(guò)兩年半的學(xué)習(xí)，絕大多數(shù)的學(xué)生已經(jīng)扎實(shí)地掌握了生物類(lèi)以及發(fā)酵工程方向的基礎(chǔ)知識(shí)。由于教學(xué)計(jì)劃中與計(jì)算機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課較少，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于信息技術(shù)類(lèi)基礎(chǔ)知識(shí)掌握較為薄弱。如何在有限的32學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)中，讓學(xué)生掌握大量的非本專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，是本課程教學(xué)的最大難點(diǎn)。針對(duì)這一難點(diǎn)問(wèn)題，提出以下解決方案：

(1)梳理知識(shí)體系，將信息技術(shù)類(lèi)相關(guān)的知識(shí)體系按照發(fā)酵過(guò)程智能控制的需求重新組合，有利于學(xué)生根據(jù)自身現(xiàn)有的知識(shí)體系去發(fā)散理解新的知識(shí)體系。現(xiàn)舉例說(shuō)明，1.2中所述的教學(xué)內(nèi)容，主要包含兩個(gè)方面：第一個(gè)方面是通過(guò)硬件接口技術(shù)采集數(shù)據(jù)，第二個(gè)方面是利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理數(shù)據(jù)。根據(jù)江南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)最新的培養(yǎng)方案，上述兩個(gè)方面的教學(xué)內(nèi)容分別屬于硬件和軟件兩個(gè)不同的知識(shí)體系，前者按照“電路與電子技術(shù)”→“計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”→“硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”→“匯編語(yǔ)言與接口設(shè)計(jì)”這一知識(shí)體系進(jìn)行講授，后者按照“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”→“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”→“數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理”這一知識(shí)體系進(jìn)行講授。而在本課程的講授過(guò)程中，將硬件和軟件兩個(gè)方面的基礎(chǔ)知識(shí)組合在一起，以發(fā)酵數(shù)據(jù)為引領(lǐng)，按照“發(fā)酵數(shù)據(jù)獲取”→“發(fā)酵數(shù)據(jù)管理”的知識(shí)體系傳授給生物工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。

(2)合理選擇授課內(nèi)容，授課時(shí)盡量選擇與發(fā)酵工程實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系密切的內(nèi)容，著重講授信息技術(shù)在發(fā)酵工程領(lǐng)域的應(yīng)用，避免講授晦澀難懂的計(jì)算機(jī)理論知識(shí)。現(xiàn)舉例說(shuō)明，仍然以1.2的教學(xué)內(nèi)容為例。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的《數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理》教學(xué)中，會(huì)系統(tǒng)全面地講授數(shù)據(jù)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的安全性和完整性等通用理論知識(shí)以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)查詢(xún)語(yǔ)言，這些內(nèi)容對(duì)于生物工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生過(guò)深過(guò)難。在本課程的授課過(guò)程中，會(huì)盡量避免講授晦澀的理論知識(shí)，而重點(diǎn)講授發(fā)酵數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，例如發(fā)酵批次數(shù)據(jù)信息、在線(xiàn)數(shù)據(jù)以及離線(xiàn)數(shù)據(jù)的特性等，并為學(xué)生演示如何根據(jù)發(fā)酵數(shù)據(jù)的這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

(3)緊扣先修課程《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》的教學(xué)內(nèi)容，將該課程中涉及到的教學(xué)案例，進(jìn)一步延伸，以案例演示的方式加深學(xué)生對(duì)于信息技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的理解?，F(xiàn)舉例說(shuō)明，《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》中講授碳源濃度對(duì)于產(chǎn)物合成的影響時(shí)提到：碳源濃度過(guò)高或過(guò)低都不利于產(chǎn)物的高效合成，需要通過(guò)調(diào)節(jié)碳源流加速率的方式將碳源濃度控制在適宜的水平。然而，絕大多數(shù)碳源濃度都需要通過(guò)人工取樣和離線(xiàn)測(cè)量才可以得到，因此需要操作人員根據(jù)離線(xiàn)測(cè)定的碳源濃度手工調(diào)節(jié)流加速率來(lái)控制碳源濃度。在本課程中，可以對(duì)上述知識(shí)內(nèi)容做進(jìn)一步的強(qiáng)化和延伸，告訴學(xué)生如果碳源濃度可以在線(xiàn)測(cè)量，那么就可以利用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)調(diào)節(jié)碳源的流加速率，從而將碳源濃度控制在適宜水平。即便缺乏測(cè)定碳源濃度的在線(xiàn)傳感器，也可以通過(guò)軟測(cè)量的方式，從在線(xiàn)可測(cè)的參數(shù)出發(fā)，實(shí)時(shí)推算碳源濃度，并依據(jù)推算得到的碳源濃度實(shí)施碳源濃度的在線(xiàn)控制。最終，通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例(如乳酸發(fā)酵過(guò)程)為學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)演示碳源濃度實(shí)時(shí)推算和在線(xiàn)控制的操作過(guò)程。

2.2 學(xué)科交叉思維方式的建立

在學(xué)習(xí)過(guò)先修課程《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》后，學(xué)生已經(jīng)具備了扎實(shí)的發(fā)酵工程基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，上述方案的實(shí)施，也能夠有效解決學(xué)生信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的難題。至此，學(xué)生已經(jīng)具備了將發(fā)酵工程與信息技術(shù)融合的基礎(chǔ)知識(shí)。然而，想要實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科的深度融合，僅有各個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。不同學(xué)科解決問(wèn)題都有各自的思維方式，信息技術(shù)與生物工程解決問(wèn)題的思路各不相同。信息化與發(fā)酵工業(yè)的深度融合，歸根結(jié)底是思維方式的融合。如何令學(xué)生同時(shí)具備不同學(xué)科的思維模式，同時(shí)使二者相互融合，是本課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。為幫助學(xué)生建立學(xué)科交叉思維方式，提出以下措施：

(1)培養(yǎng)學(xué)生的工程學(xué)思維，在授課和輔導(dǎo)課后作業(yè)過(guò)程中，提倡學(xué)生利用數(shù)學(xué)工具解決發(fā)酵工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生的思維方式逐步向信息技術(shù)領(lǐng)域過(guò)渡。現(xiàn)舉例說(shuō)明，按照《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》中講授的思維方式，若要考察溶解氧濃度對(duì)于發(fā)酵性能的影響，則需要在不同溶解氧濃度(如10%、30%和50%)下實(shí)施發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，直接比較每個(gè)批次的發(fā)酵性能，確定上述3個(gè)溶解氧水平對(duì)發(fā)酵性能的影響。在本課程的授課過(guò)程中，則需要引導(dǎo)學(xué)生利用工程學(xué)思維考慮此類(lèi)問(wèn)題，將發(fā)酵過(guò)程看作一個(gè)數(shù)學(xué)模型，在忽略其他條件影響的前提下，以溶解氧濃度作為模型的輸入，以發(fā)酵性能(如細(xì)胞濃度、產(chǎn)物濃度等)作為模型輸出。將不同溶解氧濃度下的發(fā)酵批次數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定模型參數(shù)。最終，利用這一數(shù)學(xué)模型考察溶解氧濃度對(duì)于發(fā)酵性能的影響規(guī)律。

(2)將信息技術(shù)解決問(wèn)題的思維方式滲透在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)學(xué)生耳熟能詳?shù)陌l(fā)酵工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生利用兩個(gè)學(xué)科不同的思維方式和解決方案解決相同問(wèn)題，體會(huì)不同學(xué)科思維方式的差異以及優(yōu)劣，最終將兩個(gè)學(xué)科的思維方式相互融合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提出解決問(wèn)題的最優(yōu)方案。現(xiàn)舉例說(shuō)明，仍然以上述溶解氧濃度和發(fā)酵性能之間的關(guān)系為例。如果想要優(yōu)化溶解氧濃度，按照《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》中講授的解決方案，仍然是直接比較不同溶解氧水平下的發(fā)酵性能，從多批發(fā)酵中找出一個(gè)性能最好的批次，將它所對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度作為最優(yōu)的溶解氧濃度。而在本課程中，則需要引導(dǎo)學(xué)生利用信息技術(shù)解決這類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題。如前所述，可以建立數(shù)學(xué)模型描述溶解氧濃度對(duì)發(fā)酵性能的影響。那么，只需要利用全局優(yōu)化算法對(duì)已有模型進(jìn)行尋優(yōu)，求得模型輸出(發(fā)酵性能)的最大值以及該最大值所對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度，這一溶解氧濃度即可看作是最優(yōu)的溶解氧濃度。

2.3 自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

想要實(shí)現(xiàn)信息化與發(fā)酵工業(yè)的深度融合，需要技術(shù)人員具備大量的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)需要技術(shù)人員具備兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的思維方式，并將兩種思維方式相互融合。想要在32學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)中讓學(xué)生完成上述具有交叉學(xué)科屬性的知識(shí)儲(chǔ)備和思維方式融合，幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，必須在授課過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和自主學(xué)習(xí)的能力，提出以下解決方案：(1)在授課過(guò)程中，融入發(fā)酵工業(yè)中實(shí)際的技術(shù)需求。使學(xué)生充分了解到，自己在課堂上學(xué)到的知識(shí)能夠真正解決發(fā)酵生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題，在將來(lái)的工作中是有用武之地的。只有這樣，才能充分激發(fā)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。(2)在有限的時(shí)間內(nèi)，不要求學(xué)生掌握全部的知識(shí)內(nèi)容，但要求學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系。具備了完整的知識(shí)體系，在以后的工作中學(xué)生才可以有的放矢地自主查抄資料、自主學(xué)習(xí)知識(shí)，使學(xué)習(xí)的過(guò)程從漫無(wú)目的的“論述題”變成目標(biāo)明確的“填空題”。

3 教學(xué)成效

經(jīng)過(guò)先修課程《python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》、《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》以及本課程的學(xué)習(xí)，預(yù)計(jì)達(dá)到以下幾點(diǎn)教學(xué)成效：(1)強(qiáng)化利用信息技術(shù)解決發(fā)酵工程實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)，能夠初步判斷利用信息技術(shù)解決特定問(wèn)題的必要性和可行性。(2)針對(duì)在發(fā)酵過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題，能夠獨(dú)立提出信息化和智能化改造方案，初步完成硬件配置和軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)。(3)通過(guò)資料查閱和自主學(xué)習(xí)，能夠獨(dú)立完成研發(fā)、中試規(guī)模發(fā)酵設(shè)備的小型信息化改造項(xiàng)目，包括硬件系統(tǒng)的搭建和軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。(4)初步具備作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，組織實(shí)施工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模發(fā)酵設(shè)備的大型信息化改造項(xiàng)目的能力。

4 總結(jié)

與信息化的深度融合，是發(fā)酵工業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，培養(yǎng)具有交叉學(xué)科背景的高級(jí)技術(shù)人才勢(shì)在必行。為培養(yǎng)具有信息技術(shù)和生物工程交叉學(xué)科背景的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，江南大學(xué)生物工程學(xué)院嘗試將信息技術(shù)與發(fā)酵工程相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容相互融合，在生物工程類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的第三學(xué)年(第六學(xué)期)開(kāi)設(shè)《發(fā)酵過(guò)程智能控制技術(shù)》課程。本課程以發(fā)酵過(guò)程智能控制的需求為導(dǎo)向，循序漸進(jìn)地向生物工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生講授信息技術(shù)類(lèi)的基礎(chǔ)知識(shí)，授課內(nèi)容注重信息技術(shù)在發(fā)酵工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過(guò)大量的案例和實(shí)際操作，引導(dǎo)學(xué)生完成知識(shí)體系的融合，在信息技術(shù)和生物工程的交叉領(lǐng)域培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣，賦予學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，將使學(xué)生初步具備獨(dú)立實(shí)施發(fā)酵設(shè)備信息化和智能化改造的能力。