虚拟仿真技术助力微生物制药工艺学本科一流课程建设

　　虚拟仿真技术助力微生物制药工艺学本科一流课程建设

　　——访齐鲁工业大学生物工程学院郑凯博士

　　为贯彻落实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，2019年10月，教育部决定实施一流本科课程“双万计划”，决定经过三年左右时间，建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程，其中包括1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。本类课程着力解决真实实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，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。

　　虚拟仿真实验教学一流课程，经历了示范性虚拟仿真实验教学项目、国家虚拟仿真实验教学项目、虚拟仿真实验教学一流课程三个发展阶段。2018年6月和2019年1月，教育部先后认定105个项目为首批国家虚拟仿真实验教学项目、296个项目为2018年度国家虚拟仿真实验教学项目。2020年11月，教育部认定5118门课程为首批国家级一流本科课程，其中虚拟仿真实验教学一流课程728门。2021年4月，教育部决定开展第二批国家级一流课程认定工作，计划认定5000门左右国家级一流课程，其中包括360门国家级虚拟仿真实验教学一流课程。

　　齐鲁工业大学高度重视一流课程建设，4门课程被认定为首批国家级一流课程。2021年5月28日，经团队(个人)申报、学院推荐、专家评审，齐鲁工业大学拟择优推荐《互换性与测量技术基础》等39门本科课程(其中8门为第一批省级一流本科课程)参加第二批省级(国家级)一流本科课程评选。其中，生物工程学院郑凯老师负责的“重组人白介素II冻干粉针剂制备虚拟仿真实验”作为六个虚拟仿真实验项目之一，成功获得学校推荐。

　　一、企业工作经历夯实教学和科研基础

　　郑凯老师自2015年以来承担了生物工程学院“微生物制药工艺学”“环境生物技术”“发酵食品”“酒类工艺学”等课程教学任务，教学效果优秀，在学校教学检查、教学督导中均得到充分肯定，3门课程获得学生满分的教学评价。

　　郑凯老师指导学生做实验

　　郑凯老师有丰富的教学经历和教学成果，先后主持教育部产学合作协同育人项目3项并顺利实施结项，在《产教融合研究》等刊物发表教学改革论文多篇，与秦玉琪等合译教材《基因调控机制》，2015年由化学工业出版社出版。在科研方面，郑凯老师先后主持山东省自然科学基金项目、山东省科技攻关项目，并参与了多项国际合作及省重大专项项目，发表了多篇SCI论文。

　　在学院虚拟仿真实验教学中心建设工作中，郑凯老师主要负责“微生物制药工艺学”课程中“重组人白介素II冻干粉针剂制备”虚拟仿真实验项目的设计和开发工作，在工程类人才培养中取得了良好的效果。

　　重组人白介素II冻干粉针剂制备虚拟仿真实验系统计算机软件著作权登记证书

　　二、微生物制药虚拟仿真实验实现随时随地交互性学习

　　生物药物具有高效、安全的特点，特别是来源于人的生物药物，在治疗效果、免疫性等方面均具有明显优势。2019年爆发的新冠肺炎对人类社会产生了严重影响，而目前行之有效的解决途径之一，就是通过生物技术生产新冠疫苗进行免疫接种，形成人体免疫屏障，降低病毒对人体的侵害。生物制药在本次抗击疫情中发挥了重要作用。

　　药品生产场地、设备及工艺必须严格按照相关标准进行规范操作，在普通实验室进行相关实验或操作，无法达到实际生产的要求，如建设GMP实验实训车间，投入和运行维护成本高，并且在环境保护、安全管理、能源以及水源供应等方面均受制约。因此，借助虚拟仿真技术，开发符合GMP生产规范的虚拟仿真操作系统，能够避免客观条件的限制，消除在生产运行过程中可能出现的危险因素，同时又可以不受时间和地点的限制，实现随时随地、交互式在线学习的目的。

　　“重组人白介素II冻干粉针剂制备”是“微生物制药工艺学”课程中的基因工程药物生产实例内容之一，以白细胞介素II基因工程菌构建、发酵生产、质量控制进行案例分析授课，让学生掌握微生物制药企业中的生产、质检和研发相关流程和技术。在此基础上，进行“重组人白介素II冻干粉针剂制备”虚拟仿真实验操作，拓展实践教学的广度和深度，以达到巩固学生基础理论知识，并在实践操作中深化对理论知识的理解和运用。

　　同时，在系统后台有实时跟踪评测系统，针对学生每一步操作，系统可进行跟踪记录并打分评价，经过数据分析，供授课教师参考，在理论授课或实验讲解过程中进行不断改进，实现根据学情进行授课重点的调整，达到持续改进的目的。

　　发酵前准备

　　三、课程思政贯穿实验教学始终

　　根据《高等学校课程思政建设指导纲要》精神，在本虚拟仿真实验教学过程中，注重学思结合、知行统一，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力。把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。

　　“微生物制药工艺学”是我校生物工程专业核心课程，积累了丰富的教学实践经验，结合山东省社会经济发展和“新工科”对人才培养的需求，以“重组人白介素II冻干粉针剂制备”为实验内容，完全依照实际生产过程开发建设虚拟仿真实验系统，模拟重组人白介素II冻干粉针剂制备的整个过程，提升学生在工程实践中运用微生物制药工艺的基本原理对生产流程和工艺进行分析，判断相关影响因素并设计出解决方案的实践能力，培养学生具备解决复杂生物工程问题的能力。

　　四、应用驱动、资源共享，服务教学与社会

　　本着深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平的宗旨，遵循“虚实结合”的教学理念，分阶段、逐层次进行实验教学，针对课程知识重点、难点内容进行精心设计，确保学生在实训中深化对知识点的理解，强化工程实践能力。

　　本虚拟仿真实验借助云平台，通过网络终端设备实现交互式操作，延伸了实验空间和时间，同时，在大数据平台的支撑下，可以实现教与学的实时反馈，针对不同学情，教师可及时进行有针对性的教学内容调整，实现“学生中心、产出导向、持续改进”的良性教学循环。

　　重组人白介素II冻干粉针剂制备虚拟仿真实验已面向省内外高校和企业进行推广，通过在线服务和教学反馈，根据学生和社会使用情况，总结经验，对虚拟仿真实验系统进行改进和完善，并考察考核方式的合理性和实用性。在开放过程中探索与学生现有课程体系的对接和融合，在提供在线服务的同时继续收集学生的相关反馈，做到在细节上针对不同层次、不同要求的持续改进。

　　郑凯老师拟在学生和社会反馈意见的基础上，利用虚拟现实(VR)技术，推出“重组人白介素II冻干粉针剂制备虚拟仿真实验”2.0 版，编写并公开出版《重组人白介素II冻干粉针剂制备虚拟仿真实验指南》教材。

　　(文/李昌奎)