ISSN1672-4305

CN12-1352 / N实　 　 验　 　 室　 　 科　 　 学

LABORATORY　

SCIENCE第 23 卷　 第 3 期　 2020 年 6 月

Vol. 23　 No. 3

　 Jun. 2020

虚拟仿真实验教学项目的建设与应用

韩晓敏1, 李建颖2, 王文忠2

(天津商业大学　 1. 国有资产与实验室管理处;

2. 生物技术与食品科学学院,

天津　 300134)

摘　 要: 实验教学存在教学资源不足、 授课内容受限等问题, 为解决实验教学存在的困境, 结合虚拟仿真实

验教学特有的优势与目前天津商业大学国家级实验教学示范中心的实际情况, 分析了虚拟仿真实验教学项目

建设的必要性。 以青霉素工业化生产仿真实验教学项目为例, 结合项目现状, 分析了天津商业大学虚拟仿真

实验教学项目的建设情况。 同时介绍了基于开放式虚拟仿真实验教学平台的项目共享与应用情况和创新教学

模式探索, 为项目的继续建设和进一步优化提供借鉴。关键词: 实验教学; 虚拟仿真; 青霉素工业化生产

中图分类号:G271;G482　 　 文献标识码:A　 　 doi:10. 3969 / j. issn. 1672-4305. 2020. 03. 051

Construction

and

application

of

the

virtual

simulation

experiment

teaching

project

HAN

Xiaomin1,

LI

Jianying2,

WANG

Wenzhong2

(1. Department

of

Assets

and

Equipment

Management;

2.

School

of

Biotechnology

and

Food

Science,

Tianjin

University

of

Commerce,

Tianjin

300134,

China)

Abstract: There

were

problems,

such

as

the

lack

of

teaching

resources,

being

limited

by

teaching

content,

in

experiment

teaching.

To

solve

the

problems,

the

necessary

to

construct

the

virtual

simula-tion

experiment

teaching

project

was

analyzed,

which

was

combined

with

the

advantage

of

virtual

simu-lation

technology

and

the

actual

situation

of

national

level

experiment

education

model

center

in

Tianjin

University

of

Commerce.

Taking

the

project

of

virtual

simulation

of

industrial

production

of

penicillin

as

an

example,

the

construction

of

the

virtual

simulation

experiment

teaching

project

was

introduced,

combining

the

current

situation

of

the

project.

And

the

sharing

and

application

of

the

project

based

on

the

virtual

simulation

experiment

teaching

platform

was

introduced, same

as

the

exploration

of

the

new

teaching

model.

That

will

be

helpful

for

the

continue

building

and

further

optimizes

of

other

experiment

teaching.Key

words: experiment

teaching;

virtual

simulation;

industrial

production

of

penicillin

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　　

　　

　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　

　

收稿日期:2019-12-26　 修改日期:2020-04-03作者简介:韩晓敏,硕士,实验师,研究方向为实验室管理。

E-mail:

hanxiaomin@ tjcu. edu. cn

　 　 实验教学是本科教学的有机组成部分和重要的

教学环节,学生可以直观认识和理解客观世界的运

动,使课程理论知识得到验证,提高学生创新性和综

合性动手能力,帮助学生培养科学和工程素养[ 1-2] 。但是传统实验教学存在诸多困难阻碍了学生综合素

质的培养,近年来虚拟仿真实验教学项目以其得天

独厚的优势在加强高等教育实验教学优质资源应

用,着力提高高等学校教学质量和实践育人水平上

弥补了传统实验教学的不足[ 3 -5 ] 。

1　 虚拟仿真实验教学项目建设的必要性

1. 1　 实验教学存在的困境

教学资源不充足,一些由于时间、空间、安全、实验周期等限制的实验没有办法开设。 同时,由于当

前各高校在专业教学计划调整和人才培养方案的修

订过程中,总学分和学时数有较为严格的上限要求,实验教学还存在课内学时数严重不足的问题[ 6-7] 。因此,要在有限的时间内讲授足够多的内容,并通过

实验教学锻炼和提高学生动手动脑的综合实践技

能,提高学生的创造性和挑战性具有一定困难。

韩晓敏,等:虚拟仿真实验教学项目的建设与应用

1. 2

　 虚拟仿真实验项目的优势

虚拟仿真实验教学项目可实现真实实验不具备

或难以完成的教学功能,学生在虚拟环境中开展实

验,达到所要求的认知与实践教学效果,完成学科专

业与信息技术的深度融合,是重要的信息化实验教

学资源,也是教育部“十三五”期间高校建设的重点

项目。 在涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆

的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时,通过虚拟仿真提供可靠、安全和经济的实验项目,使得一些因安全、空间、场所、周期性等原因不能做的

实验能做了,优质教学资源更加充足,并可解决资源

共享、教育与产业不对等的问题[8-9] 。

1. 3 　

国家级实验教学中心虚拟仿真实验建设必

要性

天津商业大学(以下简称:学校)食品与药品国

家级实验教学示范中心(以下简称:中心)承担食品

科学与工程、食品质量与安全、制药工程、药事管理、生物技术、生物工程、应用化学等 7 个本科专业的专

业实验教学,实验课程总数共 38 门,包括食品大实

验、仪器分析、食品化学、化工原理、生物化学、微生

物学、制药专业大实验等食品与药品实验教学重要

课程的实验教学项目。中心基础实验课程及其项目的实验教学效果比

较理想,但是诸多课程,如仪器分析、制药专业大实

验等课程的实验项目不能发挥应有的作用。 这类实

验课程多具有如下特点:(1)由项目本身性质决定,同时考虑到学生人身安全问题,对于这类课程多以

教师讲授为主,学生大多停留在听讲和想象的层面,触摸和实际操作的机会特别少;(2)实验装置或设

备大型化,成本较高,对学生素质和要求较高,要求

学生对实验内容及实验步骤充分掌握,才能减少由

于错误操作而造成的实验装置损坏;(3)受实验周

期空间等的限制目前开出的项目只是综合项目的一

小部分或步骤,无论从实验规模、操作方式等都无法

与实际生产相提并论,导致学生对生产质量的调控

与实施要点及硬件保障缺乏现场感受和工程概念的

理解大打折扣。 因而阻碍了学生挑战性、高阶性能

力的培养,影响了学生综合能力。因此有必要在充分体现虚实结合、相互补充、能

实不虚的原则下建设虚拟仿真实验教学项目,实现

真实实验不具备或难以完成的教学功能。 进而优化

传统的教学模式,采取项目驱动、以应用为前提、多层次、具有创新性等多样化教学模式,提高学生的学

习兴趣和专业技能。

2　 虚拟仿真实验教学项目的建设

为提高示范辐射作用,提高教学水平和学生综

合能力,天津商业大学食品与药品国家级实验教学

示范中心结合自身特点,着手建设了一批虚拟仿真

实验教学项目,本文以制药工程专业大实验“青霉

素工业化生产仿真实验”为例介绍中心虚拟仿真实

验项目的建设情况。2. 1　 项目现状

中心开设的“制药专业大实验” 是为高年级制

药工程本科生开设的综合性实验,其中涉及药品的

工程设计与制造的规范 GMP ( Good

Manufacturing

Practices,生产质量管理规范)是培养制药专业学生

实践能力与工程素养的重要教学内容。 但是,实践

表明,传统实验对 GMP 的教学与理解存在如时空、环保安全、学生容量、课堂信息量、重复操作成本、实验规模、操作极限、教学模式等诸多因素限制。 例如

开设的生物制药专业大实验(青霉素发酵实验)只

是一个小型的一级发酵,无论从实验规模、操作方式

等都无法与实际生产的管道化、洁净化、自动化、周期达十多天的三级发酵相提并论,学生对生产质量

的调控与 GMP 实施要点及硬件保障缺乏现场感受。即使到达生产现场,对于设备内部及隐蔽工程也难

于观察,由此对工程概念的理解大打折扣。 而后续

处理所需的有机试剂丁醇、醋酸丁酯具有危害性,进一步限制了实验室的操作。2. 2　 项目建设

中心首创青霉素工业化生产仿真实验,以 GMP中心思想为主线,结合现代信息技术设置、编制功能

模块,突出生产操作仿真、设备仿真、在线学习,实现

青霉素工业化生产从工程设计到生产操作的全流程

模拟。青霉素工业化生产包括片剂、原料药和粉针剂

的生产。 该项目通过虚拟设计学习青霉素原料药的

生产流程,包括从发酵到固液分离、萃取、蒸发最后

到结晶的整个过程。 在虚拟仿真环境中沉浸并真实

体验和完成完整的厂级规模生产流程、详细的岗位

操作,并通过预置的工艺流程、辅助专业设计等资料

使学生了解药品生产过程中的生产质量管理体系和

GMP 标准,完成厂区布置与布局、车间设备和生产

线等漫游学习。以工程设计和发酵生产操作为例,学生通过软

件完成的仿真实验内容具体过程分为以下几个步

骤:(1)课堂讲解青霉素发酵过程,设置实验室小试

发酵装置现场实验环节;(2)以工程设计、GMP 管理

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为理念,进行青霉素工业化生产全流程模拟,通过虚

拟仿真,完整实现青霉素由小试到工业化生产的教

学设想;(3)碎片化学习与在线模拟相结合,“青霉

素工业化生产仿真实验”采用线上集中学习和客户

端自主预习双学习模式;(4)学生以团队方式完成

相关任务并提交;(5)教师对提交测试进行评定,以仿真软件为教学案例,完成生物制药工业化生产全

过程的教学。

天津商业大学食品与药品国家级实验教学示范

中心除青霉素工业化生产仿真实验外还建设了发酵

药用蛋白制品工业化生产工艺过程虚拟仿真,贝诺

酯缓释片制剂及质量控制虚拟仿真等实验项目。 中

心集中对机房中服务器与客户机软硬件更新、温度

调节、防尘等进行维护提升,机房具备了开展虚拟仿

真实验的软硬件条件,同时也为各专业教学软件的

稳定运行提供了有力保障。

3　 虚拟仿真实验教学项目应用

3. 1

　 基于开放式虚拟仿真实验教学平台的共享应用

天津商业大学食品与药品国家级实验教学示范

中心的虚拟仿真实验教学项目依托校院两级虚拟仿

真实验教学管理平台为虚拟实验教学环境提供服务

并进行相应的应用。 平台提供了全方位的虚拟实验

教学辅助功能,包括:中心门户网站、实验教务管理、实验教学管理、实验前理论知识学习、实验过程智能

指导、实验结果自动批改、实验报告提交、实验室开

放预约管理、互动交流通知系统、系统管理等功能。基于开放式虚拟仿真实验教学平台的项目应用

不仅解决信息孤岛的问题,而且实现了将所有虚拟

仿真实验资源全部整合到统一的平台上,进行高效

管理和共享的目的。 学生学用结合,实验的安排更

加灵活方便且不受时间、空间限制,实现真正意义上

的虚拟仿真开放实验室。 不仅能够在本中心、学院、学校内共享青霉素工业化生产仿真实验、发酵药用

蛋白制品工业化生产工艺过程虚拟仿真、贝诺酯缓

释片制剂及质量控制虚拟仿真等优质教学资源,还可解决校间共享,避免重复建设。3. 2　

虚实结合、相互补充的教学模式探索

随着虚拟仿真实验教学项目的应用而生,学校

不断修订教学计划和教学大纲,以“虚实结合、能实

不虚”为导向,中心改变传统实验教学方法与手段,兼顾虚拟实验和真实实验的优势,以“虚实结合”为

原则,探究实验教学新模式。以青霉素工业化生产仿真实验为例。 基于仿真

技术青霉素发酵生产工艺流程、车间以及设备布局、

各生产岗位操作实验、生产 GMP 规范得以三维体

现,学生通过校园网、互联网,能够在宿舍或者远程

随时学习,虚拟技术为学生提供选择性更多、学习乐

趣更浓的知识获取方式。 利用虚拟仿真技术,进一

步完善教学方式,将理论教学与实验教学、实际生产

相结合为学生提供完整的制药工程理论与实践教学

体系[10] 。 通过虚实结合、优势互补,中心实验教学

达到了培养和提高学生创新素质的目的,培养了学

生扎实的实验技能,独立思考的学习能力,在实践能

力和研究能力方面成效显著,为学生的创业、就业提

供了实际技能[11-12 ] 。

4

　 结语

虚拟仿真实验教学实质上是实验教学示范中心

建设的内涵延伸不仅能够解决传统实验教学中诸多

现实问题和困境,而且项目建设对于中心的人才培

养、示范辐射作用的提升,提高实验室利用效率和开

放程度具有重要意义。 但是对于虚拟仿真实验以学

生为中心的教学效果考核、持续性评价体系建设和

广泛的共享应用问题以及项目的继续优化,解决实

验教学与行业产业需求问题仍是项目建设和应用面

临的重大课题。

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