“发酵工程”课程“理论—仿真—实操”教学体系研究

摘要：“发酵工程”是生物制药专业开设的一门实践性较强的必修课程。发挥仿真实验教学的链接作用，“理论—仿真—实操”的教学体系实现了理论与实践的有机融合。教学成效分析显示，该教学体系增强了学生的学习兴趣，提高了学生对理论知识的理解能力和应用实践能力，促进了课程目标的达成。

关键词：发酵工程;虚拟仿真实验;虚实结合;“理论—仿真—实操”教学体系

中图分类号：G712    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2024）02-0081-06

一、引言

发酵工程是利用微生物的某些特定功能，采用现代工程技术手段生产对人类有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术，作为生物工程的重要组成部分，在社会经济中的作用日益显著^[1-3]。国内诸多高等院校在生物工程、生物制药等专业中开设“发酵工程”课程，并将其作为核心课程。“发酵工程”课程以“菌种选育→发酵生产→分离纯化→产物”为主线^[4]，以传统的微生物或动植物细胞发酵为例，结合生物学、工程学内容，旨在帮助学生把握发酵工程相关原理，熟知发酵工业流程，熟练技术应用，了解发酵工程相关前沿知识，树立工程意识及经济观念，提高实践创新能力，从而提高应用型、创新型人才的质量。

然而，多数院校受实践条件所限，只能以传统教学模式（理论教学、线下实验室实操教学）进行授课^[5]。这种理论加实操的教学模式有利于学生加深对理论知识的理解及动手能力的提高。但是，基于发酵工程学科特点，传统教学模式存在一定的局限性^[6-9]，限制了理论与实操相结合教学模式的教学效果。首先，教师在课堂讲授工作原理复杂的工艺和设备时，如发酵罐系统等，只能对照教材进行讲解，学生难以运用理论联系实际的方法去解决操作过程中遇到的问题。这对提高学生学习主动性、创新性收效甚微。其次，理论教学之后直接实操，部分学生操作不熟练、不规范，极易造成设备损坏，甚至发生高温蒸汽烫伤等情况，存在较高的安全风险^[10]。再者，由于实验设备和试验场地匮乏、课时有限等因素，传统发酵工程实验通常以分散的单元操作或简单的认识实习来开展，学生很难系统了解发酵工艺的所有环节，无法实践真实的发酵过程控制，实践技能难以夯实。总之，“发酵工程”课程理论教学后直接进行实验操作，不能完全发挥出“理论指导实践，实践丰富理论”的作用，是提升教学效果的瓶颈所在。

随着互联网信息化和多媒体的快速发展，虚拟仿真技术逐渐进入高校实验课堂，其可操作性强、直观性强、危险性小等特点，为实践创新人才的培养提供了契机^[11-15]。为满足当前高校对大学生工程素质教育的需求，进一步提高“理论—实操”教学模式的教学效果，我校在课堂理论教学和实验室实操教学中引入虚拟仿真技术，充分发挥其链接作用，构建“理论—仿真—实操”的教学体系。该教学体系破解了场地和学时的限制，规范了学生的操作，提升了实验场地的安全系数，而且让学生对发酵过程控制的认识更为直观，更容易理解与掌握发酵工程相关原理与技术。

二、“发酵工程”课程“理论—仿真—实操”教学体系的构建

发酵工程是整个生物工程的核心，是一门注重应用实践的工程学科。在“发酵工程”课程中，微生物的培养、发酵生产及发酵产物的提取精制等是重要内容。但是，受时间、实验场地、安全环保等条件的制约，学生难以系统掌握发酵工艺流程，实践技能掌握不扎实，缺乏对发酵过程控制环节有效且真实的实践，难以内化运用，也难以激发学生对发酵工程应用探究的主动性^[16]。因此，我校以虚实结合的发酵工程实验为主题，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，以“典型生物药物——青霉素的生产线”为例，运用虚拟仿真技术，发挥其链接作用，将虚拟仿真实验与理论教学、实验室实践教学相结合，从教学模式设计、课程考核评价及教学成效分析三方面，构建“理论—仿真—实操”的教学体系（见图1）。

三、“发酵工程”课程“理论—仿真—实操”教学模式的设计

“发酵工程”课程以发酵产品的典型生产过程为主线，以菌种选育和过程优化放大为重点，旨在使学生具备从事发酵工业所需的菌种生产、设备使用和发酵过程控制等方面的理论知识和操作技术，强化无菌操作的意识，提高学生分析解决实际问题的能力。课程教学主要由课堂理论教学、虚拟仿真教学和实验室实操教学三部分组成。教学方法上，坚持案例教学，采用归纳法与演绎法相结合的方法。通过归纳法加深学生对基本概念的理解，提高分析解决问题的能力;通过演绎法，启迪学生的创新思维，培养学生的创新意识和能力。

（一）理论教学

课堂理论教学选择韦革宏主编的《发酵工程》（第二版）作为学生用教材。参考教材包括曹军卫主编的《微生物工程》、陈坚主编的《发酵工程原理与技术》等。教学内容上突出生物制药专业的特点，一方面，讲述发酵工程学科的理论知识，另一方面，介绍典型产品的发酵生产。理论讲授时，教师鼓励学生以典型案例分析形式参与理论讲解，提高学生分析和解决问题的能力;教师组织参观见习、师生座谈会等活动拉近理论知识与具体对象、教与学之间的距离;学生通过自己查阅资料、制作PPT等方式培养学习热情。

（二）虚拟仿真教学

虚拟仿真教学内容既包括发酵设备的结构及功能，发酵工艺的基本流程等理论知识，也包括青霉素的生产过程，生产单元和生产装置的开车、停车和事故处理等实验操作^[17]，同时还涵盖了考核环节（线上基础知识考核和实践技能考核）。

发酵罐的内部构造、管道阀门设置等理论知识，皆可以3D模型呈现（见图2），并辅以动画、视频等多媒体教学，使学生能更为直观深刻地掌握相关理论知识。

虚拟仿真实验教学以典型生物药物——青霉素的生产线为工艺模板（见图3），主要包括生物药物发酵工艺中菌种选育、培养基的优化、灭菌、发酵过程控制、分离纯化等多道工序，质量控制贯穿整个工艺过程。在虚拟仿真实验中，教师可以指导学生对操作过程的工艺参数比如温度、PH值等进行修改，从而观察发酵过程中参数变化对发酵的影响^[18];也可以引导学生改造原有生产过程使其更符合客观规律，实现发酵过程的优化，提高生产过程的经济和社会效益。另外，在虚拟仿真实验中，学生可以大胆尝试，熟悉各仪器设备的构造和使用方法;可以反复练习，规范自己的操作。这既消除了学生对大型仪器的陌生感、恐惧感^[19]，又能有效减少实验室实操教学中安全隐患的发生。由于课时、资金等限制，实验室实操难以为学生提供一个完整的发酵工艺过程操作教学及真实的发酵过程控制实践体验，虚拟仿真教学可以弥补这一点。因此，教师充分发挥虚拟仿真教学的链接作用，生动直观地加深学生对理论知识的理解，为实验操作奠定扎实的理论基础;学生反复动手练习探索，为实操奠定良好的实践基础。学生通过虚实结合的实验教学，深入掌握生物制药生产工艺设计与过程控制的要点，培养解决复杂工程问题的能力及创新思维。

（三）实验室实操教学

实验室实操主要以小组的形式让学生认识发酵设备和进行生物药物发酵工艺的实践操作。实验是发酵工程知识从理论走向实践最基本也最重要的途径。在实验操作中，虚拟仿真实验只能作为有益补充去辅助实验室实操教学，切忌直接代替^[20-21]。实验室实操教学包括利用虚拟仿真技术进行实际操作前预习，课中参观实体仪器认知相关设备和青霉素发酵生产的操作实践，课后学生可以通过虚拟仿真系统探索实操过程中发现的问题、验证猜想。通过分组讨论、问题引导等学习方式进行课前预习，学生掌握了基本技术原理、步骤，熟悉了发酵设备、操作系统，能有效减少实操时学生手忙脚乱现象的发生。参观实体仪器，学生直接认识发酵设备，消除学生的陌生感，将想象与现实联系起来。实验室实操包括菌种活化、种子制备、发酵罐的实罐灭菌、接种和发酵过程控制、产品分析和数据处理等，同时也涉及发酵罐、蒸汽发生器和空气压缩机等设备的自主操作^[22]。这些操作难以在虚拟仿真教学中让学生获得深刻体验，只有在实际操作中才能培养学生安全严谨的操作意识，锻炼学生的动手能力，获得职业所需的技能。

（四）学时设置

以“青霉素的生产发酵”为例，“理论—仿真—实操”教学模式下“发酵工程”课程的学时设置划分如下：理论讲授2学时，虚拟仿真实验4学时，实操4学时。采用虚拟仿真与实验室实操“虚实结合”的教学手段，在分子、细胞和发酵罐三个层次上，以高强度、高转化率、低成本、低污染为目标，系统讲授发酵工程原理与技术及其应用。

理论教学、仿真训练和实际操作三者相结合的“理论—仿真—实操”教学模式，能取长补短^[23]。通过仿真教学的桥梁作用，促进理论与实践的融合。学生通过从理论到仿真再到实物操作的学习过程，既可掌握抗生素发酵的基本工艺流程和主要参数设置要求，也可独立完成整个发酵工艺流程的操作。实物操作的过程中还可以进一步检验理论，然后通过虚拟仿真系统再次模拟操作，巩固所学，验证猜想，启发创新，从而帮助学生形成“理论⇌实践”的发酵知识体系完整的认知回路。不仅解决了因实验设备和试验场地匮乏导致的实操难问题，还通过反复的操作练习，最大程度地提高了学生理论知识水平和实践技能^[24]。

四、“发酵工程”课程“理论—仿真—实操”教学体系课程考核评价

以“青霉素的生产发酵”为例，“发酵工程”课程“理论—仿真—实操”教学采用了线上考核与线下考核相结合的评价方式，课程成绩（总评成绩）由平时成绩（30%）、实验成绩（40%）、期末成绩（30%）三部分组成，三部分都是百分制。平时成绩参考作业、考勤、随堂测试、课后拓展、小组讨论等方面的完成情况;实验成绩包括线下实验室实物操作技能考核（15%），实验报告（10%），虚拟仿真在线考核（15%）;期末考试以闭卷考试的方式进行，主要考查学生对发酵工艺的基本原理及相关技术要点的掌握程度。

线上考核主要是通过虚拟仿真系统进行。虚拟仿真实验过程设置了三个考核模块：一是基础知识，考查学生对于发酵基础知识的掌握情况;二是操作流程，考查学生对整个工艺的掌握情况;三是仿真实验过程中参数的控制，考查学生对于整体实验的控制。虚拟仿真实验中，教师可以对每个学生的操作情况进行跟踪、记录，并做出评判、打出分数。学生则可以主动分析原因，找出问题所在，反复动手修正，通过自己的努力，得到满意的成绩^[25]。这可以促使学生掌握青霉素发酵生产所有的工艺流程、主要参数设置，能独立完成整体实验内容，更加清晰地掌握青霉素的发酵生产整体流程。线下考核则包括实验室实物操作、实验报告及期末考试。

五、“发酵工程”课程“理论—仿真—实操”教学模式成效分析

本文以虚实结合为主题，围绕“青霉素的发酵工艺”，发挥仿真实验教学的链接作用，构建“理论—仿真—实操”的教学体系，实现了理论与实践的有机融合。教学成效分析显示，该教学体系增强了学生的学习兴趣，有效提高了学生对理论知识的理解能力和应用实践能力，促进了课程目标的达成。

（一）课程目标达成度

选取德州学院医药与护理学院采用传统模式教学的2018级生物制药专业一班的全部学生（共30名）为对照组，采用“理论—仿真—实操”模式教学的2019级生物制药专业一班的全部学生（共30名）和2020级生物制药专业一班的全部学生（共29名）为实验组。两组学生由同一位教师授课，总学时相同。课程结束一周后通过对学生进行课程考核评价，完成课程目标达成度的调查。