虚拟仿真实验室建设在生物工艺学实验课程改革上的应用

王晓丹 罗小叶 邱树毅

[摘 要]虚拟仿真实验室具有高仿真、智能化、能够开展危险实验、直观性强的特点，将虚拟仿真实验室建设应用于生物工艺学实验的课程改革上具有突破性的意义。采用虚拟仿真技术建设生物工艺学实验室是目前全国生物工程及相关专业教学发展的趋势，在今后的大学理论教育、实践教学及毕业设计教学中起到关键的作用。

[关键词]虚拟仿真；教学；本科生；应用

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）08-0079-03

生物工程专业设置生物工艺学是为了将理论知识上升到实践层次。生物工艺学的实验教学是本科教育一级学科轻工技术与工程学科下的重要组成部分，包括开展教学实践的综合性实验（啤酒、黄酒、食醋酿造技术，柠檬酸、氨基酸、抗生素、色素的发酵技术），培养技术型人才的开放性实验（甜酒酿、豆腐乳、酸奶的制作及城市生活污水的处理）。目前设计实验内容的目的是培养学生的实践能力与创新能力，一般采用教师先用PPT讲解实验步骤、学生在实验室进行小型模拟实验的教学模式，将全套生产工艺模拟实验进行分割。受到时间、场地、设备、操作方式等多种限制因素的影响，学生只能够在特定的时间和教室内，利用不充分的设备结合学校的硬件条件完成简单的实验操作，学生对于生产工艺无法完全贯通理解，操作能力并不能得到系统的培养。

虚拟仿真实验是利用计算机多媒体及软件系统模拟现实工艺流程及操作关键控制点、虚拟现实等多种信息化手段，实现虚拟平台下的实验教学。其优点如下：1.不受场地和时间限制，可以按照正常教学实践安排完成实验模拟操作；2.学生可以形象地看到整个工艺流程和全套生产设备；3.可以单独对某一工艺环节进行控制和操作，像实际生产操作一样，对操作步骤的管理有系统性；4.减少学校对设备、原料、场地等资金的投入。高校创建生物工艺学实验课教学虚拟仿真实验室能够为学生提供更多的实验机会，培养学生的动手操作能力与创新能力，提升学生的专业知识与综合素质[1]。

一、虚拟仿真实验室的简介

（一）虚拟仿真实验室[2]

虚拟仿真实验室建设应该立足于三个基本问题——创意、创新、教育。虚拟仿真实验室的建设目标是探究虚拟空间的教育价值以及这类学习是否有用于创新和科学技能的提高，让高校教师、工程师及其他对虚拟活动感兴趣的人们受益。此外，还能推动“虚拟创客”对教育的服务，让教育市场涵养“虚拟创客”的理想和创意。

本科教学的重要环节就是培養复合型合格人才，使其能够通过综合型实验将理论知识与操作方法相融合。旨在培养学生的综合实践能力，使其理解掌握理论知识，并对学生在实践中发现技术问题、进行工艺分析和解决现场问题的能力进行培养。这都可以通过虚拟仿真实验教学这一重要实践性教学环节来实现。虚拟实验室教学在培养大学生的实践操作分析能力、开展工艺提升研究、创新创造思维和考察新事物等方面与其他教学方法相比有着不可替代的独特作用。

虚拟仿真实验室包括数字化设计平台、数字化工艺平台、数字化网络化制造平台以及数字化生产管理平台，具有统一数据源的设计、工艺、生产一体化流程，做到无纸化、数字化的生产过程管理。可以将企业项目新产品工艺设计、操作关键、生产流程体现出来，集中培训师资力量，固化成企业化实训项目。

（二）虚拟仿真实验室的特点[3]

虚拟仿真实验室通过演示让学生能直观地了解、分析、控制工艺过程中存在的问题。如在2016级生物工程专业学生开展啤酒酿造技术课虚拟仿真教学实验过程中，学生均表现出浓厚的学习兴趣和积极性。这是因为虚拟仿真实验室具有技术含量髙、仿真髙度强以及与教材联系紧密等特点。

首先，其具有高仿真的特点。在啤酒酿造技术课实验过程中，实验室提供了全套虚拟仿真啤酒生产设备，其仿真度很高。在实验过程中，学生不仅能了解啤酒酿造的完整工艺流程，还能进行模拟实验，并且效果较好，便于学生准确操作及观察实验现象。

其次，操作具有智能化的特点。对于啤酒发酵实验过程中的一些重要步骤，系统能够进行下一个环节的提醒，在物料配比、酵母的添加量、温度控制、压力控制、发酵时间、冷却过滤、水循环处理等方面帮助学生进行自主学习和操作，培养学生的自主意识和锻炼学生的自主能力。

第三，能够开展危险实验。在虚拟仿真实验室中，由于实验过程是虚拟的，对于危险性高的一些实验可进行操作，而且在操作的过程中还可对实验具体过程和步骤进行展示。如温度过高等错误的操作行为，相对应的虚拟仿真实验室可根据错误模拟出其导致的结果，并展现在学生的面前，让学生意识到实验一旦操作失误所导致的危险后果，进而增强学生规范操作的意识。

第四，其具有直观性的特点。在传统的啤酒酿造技术课的实验教学中存在诸多抽象槪念，这给学生的理解带来了一定的困难。在虚拟仿真实验教学过程中采用动画演示的方式，能使抽象生涩的概念直观地展现在学生眼前，从而极大地避免了传统实验教学中存在的弊端。

（三）虚拟仿真实验室建设对生物工艺学实验课程的意义[4]

传统的生物工艺学实验教学对于设备、场地、时间等要求较高，实验经费投入大，这也在一定程度上限制了本科教学实验课程的开展。而虚拟仿真实验是结合食品加工工艺与现代虚拟仿真技术的一种新兴的教学模式，其本科教学环节中有效地解决了高校在实验设备、场地、时间等方面的问题，弥补了生产实践教学环节中的不足，极大促进了生产实践教学水平的提升。因此，将传统生产实践教学与虚拟仿真技术有效地结合在一起，为本科教学中的生产实践教学做出了突出贡献，为高校的教育事业发展起到积极的推动作用；将虚拟仿真技术应用于高校生产实践教学中，有效地解决了传统实验室空间和时间不足对教学开展的局限，在提高实践教学质量和改革实践教学模式等方面有着极其重要的意义。

二、生物工艺学实验课

生物工程专业学生的培养具有较强的实践性。作为我国国重点发展的高新技术专业，该专业主要培养的是生物工程领域的高级工程技术人才，课程建设的重点立足于生物工艺学实验课程，实践环节在生物工程专业本科教学过程中占有极其重要的地位。贵州大学酿酒与食品工程学院的生物工艺学实验在几年前就已独立设课，单独考核。在学生培养上，切实加强了学生基础的学习、综合素养的提升、科学发展的融合。在这几年的发展历程中，不断地完善与理论课程配套的实验内容，并建立健全实验室管理体系，结合学生实际情况与当代食品行业的发展来开展教学实验课程，让学生的实践能力与分析问题能力有了极大提高，学院也在教学过程中积累了丰富的经验，取得了良好的教学效果[5]。

（一）生物工艺学实验课程的教学内容及特点

当前国内关于生物工艺学实验的教材种类少，实验内容繁杂。应在学科培养上与实验内容进行有效配置和安排，编写实验讲义。将实验内容设置为液态培养实验、固态培养实验、厌氧发酵实验、环境微生物工程实验、微生物产品中试生产实验等模块。每个模块实验内容又可划分为几个实验，比如液态培养实验分为分批培养实验和流加培养实验等，微生物产品中试生产实验分为酶制剂生产和抗生素生产等，环境微生物工程实验分为活性污泥处理生活污水和污染物微生物降解实验等。实验课程内容涵盖了生物工艺学课程的几大教学内容，使得实验课程设置既符合教学大纲的要求，又顺应时代的发展。生物工艺学是将生物技术原理应用到生产部门中而形成多学科知识的一门课程，是在科学实验和生产实践中发展起来的新型学科，具有较强的实验性和实践性。随着生物工艺学的迅速发展，知识快速更新，其越来越受到各行各业的重视[6]。生物工艺学实验课程是贵州大学酿酒与食品工程学院生物工程、酿酒工程等专业的必修课程。生物工艺学与生物工艺学实验是生物工程、酿酒工程等专业重要的专业课程之一。其重点是使学生能够掌握微生物培养、产物代谢的分离提纯、代谢产物鉴定、微生物菌种改良等实验操作的理论基础，能够熟悉微生物培养与生化实验仪器的使用操作方法，培养符合现代化生产需要的专业性人才。

三、虚拟仿真实验室对生物工艺学实验课程上的应用实例

（一）生物工艺学实验课传统授课方式[7]

传统的生物工艺学实验主要是对理论知识的验证，教学模式为以小组为单位，使用统一的实验指导书，实验明确地提出了详细的实验目的、实验内容、实验仪器设备等，具体实验步骤都是教师提前拟定的，试验指导教师还会提前讲述实验原理和有关注意事项并做实验的具体示范。此外实验项目设置单一，以理论验证为主。实验过程中学生只需重复教师示范的步骤就可以得到结果，这限制了学生的独立思考与自由发挥。

在这种教学模式下，学生体会不到实验趣味，不愿意主动进行课前预习，课堂上只会按照实验指导书进行机械模仿，无法分析与解决实验过程中出现的问题，对实验缺乏主动性，实验结束后，撰写实验报告敷衍了事、相互抄袭。

（二）虚拟仿真实验室在生物工艺学实验课中的授课方式[8]

生物工艺学实验课教学信息的基本材料单元分为实验文本素材、实验图像类素材、实验音频类素材、虚拟仿真实验过程动画类素材等几大类；在教学中会根据实验中的具体内容和课堂上学生表现编制相应的习题和思考题；对生物工艺学、生物工艺学实验课程中出现的知识可根据平台划分为网络版课件和单机版课件以便于教师授课；依托现有的理论基础针对具体实验以及虚拟仿真实验中的问题给出全面解答。虚拟仿真实验还配有网络课程，网络课程是通过网络表现的某门学科的教学内容及实施的教学活动的总和，这使得学生上课时间更加灵活，课后也可重复观看网络课程来复习和巩固所学内容。

（三）虚拟仿真实验室建设在生物工艺学实验课程改革上的重大突破[9]

生物工程、酿酒工程专业的课程体系是以生物工艺学实验课程理论为基础，以生物工艺学实验课为教学核心，以生物工艺学实验课程为学习目标的，其发展前景是以生物工艺市场为导向的综合性复合知识体系。近些年来，不少高校都采用了虚拟仿真实验教学，而虚拟仿真实验的优势也在教学过程当中渐渐得到了体现。

四、结束语

随着信息时代的到来，伴随着计算机网络技术的发展，生物工艺学实验课也因为现代科技的运用而有了全新的改变。虚拟仿真实验室技术既是一种挑战，也是一种机遇。它打破了传统实验中拘泥于地点因素、时间因素、经费因素、安全因素的现状，可以随时随地开展实验教学，且过程简单，教学质量和教学提升效率都非常高。应用虚拟仿真技术建设实验室是实验室建设的发展趋势，在实践教学中势必会发挥出越来越大的作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张晴晴，陈先帅，喻明军，等.创建中药提取与分离虚拟仿真实验室的思考和建议[J].科学大众：科学教育，2017（2）：188+192.

[2] 徐煒玮，赵中华.虚拟仿真实验室建设的研究与探索[J].信息记录材料，2017（6）：86-88.

[3] 刘琼，何洁凝，关冠恒，等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊，2015（S2）：318-319.

[4] 徐志超，宋韧，曹瑜.论高校虚拟仿真实验室的建设[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2017（10）：125-126.

[5] 刘宇鹏，沈永红，杨生玉.生物工艺学实验课程改革的研究与实践[J].科技信息，2012（29）：33.

[6] 尹亮，庞启华，黄儒强，等.生物工艺学实验教学研究探索[J].广东化工，2014（14）：231+223

[7] 王娣，许晖，王永斌，等.基于工程化思想的《生物工艺学》实验教学改革探讨[J].广州化工，2014（22）：195-196.

[8] 郭润兰，康艳萍，杨东亚，等.机械原理虚拟仿真实验室资源共享平台建设[J].实验室研究与探索，2017（6）：108-110.

[9] 马海军，焦红茹.葡萄酒虚拟仿真实验室建设的几点思考[J].科技资讯，2017（26）：11-12.

[责任编辑 刘凤华]