应用虚拟仿真技术跨学科深度融合提升生物技术实践教学水平

　　应用虚拟仿真技术跨学科深度融合提升生物技术实践教学水平

　　——访西北工业大学生命学院“微生物制药虚拟仿真实验”教学团队

　　西北工业大学隶属于工业和信息化部，是国家“一流大学”建设高校(A类)。生命学院成立于2004年4月，目前拥有2个一级学科——生物医学工程一级学科博士点和生物学一级学科硕士点;1个生物与医药硕士专业学位授权点;1个生物医学工程博士后流动站;1个生物技术本科专业。学院下设生物学和生物医学工程2个教学系，拥有陕西省生命科学实验教学示范中心和陕西省生物技术国际化人才培养创新实验中心，生物技术专业年招收本科生80人左右。

　　学院深入贯彻习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神，落实新时代全国高等学校本科教育工作会议要求，积极响应教育部提出的打造五类“金课”要求，在建设金课的基础上实施一流专业建设 “双万计划”。近年来，学院重视线上教学平台和线上精品课程建设，并投入资源鼓励老师们进行国家精品课程建设。目前学院建成并上线运行课程5门，其中包括2018年获得国家级精品在线课程1门，2019年获得省级精品在线课程1门，2020年申报了1门国家级线上线下混合式精品课程。

　　学院生物技术专业主要讲授课程包括：生物化学、分子生物学、微生物学、基因工程、蛋白质与酶工程、细胞工程、发酵工程、生化分离与分析技术、生物制药、生物信息学等核心课程，同时以上课程也开设了相应的课程实验和综合性创新实验。生产实习主要集中在西安市食品药品检验所、西安力邦制药有限公司、陕西省微生物研究所、西安利君制药有限公司以及啤酒厂等企事业单位。实习实践环节强化了学生对生物技术专业知识的理解，提高了学生动手能力，也使学生了解到生物技术在国民经济中的应用。

　　生物技术专业本科生在西安市食品药品检验所参观实习

　　然而，基于各个制药厂严格的GMP洁净车间使用规范及要求，学生没有条件现场真正参与药物制备全过程。只能在制药厂洁净车间外参观药物制备过程，并做一些辅助性工作，同学们没有实际动手操作的机会，因此无法详细体验微生物制药的全系统流程，对生物制药的技术环节也没有感性和清晰的认识。

　　基于以上分析，学院承担了2019年第二批教育部产学合作协同育人项目“微生物制药虚拟仿真实验教学系统”(项目编号201902164020)。经过近2年的努力建设，项目已建设成全校共享的生物技术先进虚拟仿真教学实验平台。该虚拟仿真系统以企业GMP生产车间为蓝本搭建，展示生物制药厂房整体布局、工段设置、仪器设备等，同时兼顾教学所需设置考试模块、操作训练和反馈模块。虚拟生产模块能够反映实际药厂从工程设计到工厂生产的全过程。通过虚拟仿真技术使同学们“身临其境”参与到微生物发酵制备蛋白类药物的实验项目中，满足学生GMP洁净车间生产实训的需求，同时结合学院已经具备的线下实验项目(例如，微生物实验、蛋白质和酶工程实验和发酵工程实验)，使学生更好掌握微生物制药生产全过程。利用该系统，学生可以从整体到局部，对生物制药领域建立起直观的认识，并迅速掌握整个生产流程的核心知识点。

　　项目团队通过虚拟仿真课程的开展，解决了生产实践教学环节中面临的效果差、考核难等问题。本系统除具备完整的生产流程仿真操作模块外，还具备真实的作业考核环境，并且提供可交互的技能培训。学生愿意学习，老师方便考察，知识掌握牢固，教学效果良好。此外项目团队还将根据试用过程中存在的问题，对该系统进行完善。在校内外发挥了良好的辐射示范作用，成为建设其他生物技术专业相关的虚拟仿真实验课程样板。

　　该项目的实施将教师的科学研究成果融入虚拟仿真课程设计中，做到了科研支撑教学、科研服务学生，提升了教学水平和人才培养效果。西北工业大学生命学院具有一流的师资队伍，承担完成了大量的国家级纵向科研项目和企业横向科研项目，也发表了大量高水平论文，取得了丰硕的科研成果。但如果过度注重科研，就很容易陷入重科研轻教学的歧途，使科研活动和教学活动“貌合神离”。而理论来源于实践，科学研究正是教学活动的阶梯和支撑点，重教学、轻科研也容易使教学活动成为“无根之木”。

　　团队成员将教师的科学研究成果转化为虚拟仿真实验的教学内容，做到研究和教学相结合，教师能讲透，学生愿意学。既能够激发学生的学习兴趣，又能够拓宽学生的学习视野。最终，该项目的实施使学生获取生物技术领域的前沿知识，接受生物工程领域实践训练，也使学院的实验教学水平得到了显著的提升。

　　项目组成员观摩微生物制药虚拟仿真系统

　　虚拟仿真发酵工段操作界面

　　项目团队在执行的过程中，及时总结虚拟仿真教学过程中的经验得失，多方学习交流，取长补短，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学体系。随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术越来越多地被应用于实践教学中，并且极大限度地解决了上述传统实践教学面临的问题。由此可见，学科交叉和学科之间的深度融合将会给生物学科的教学和研究带来质的改变。尤其是计算机技术的应用更是让生物学的发展进入了新阶段。项目团队认为，在今后地教学活动中，如何用新技术来解决教学过程中遇到的问题、如何用新的方法去认识教育教学的规律是应该深入思考的问题。高校、企业和社会多方合力，无疑是有效的办法。项目团队表示，应该积极探索这种新的教学模式——将其他学科的成熟技术和本学科相结合，再吸纳进企业和社会的力量，开发出有利于学生掌握新知识、有利于老师开展教学工作的精品课程。(文/王军 高源)