于貞++林劍++鞠寶++姜愛莉

摘 要 將計算機仿真技術(shù)引入生物工程專業(yè)實踐教學中來，通過仿真使學生在短時間內(nèi)的操作水平大幅度提高，并在教師窗口進行人為干擾，讓學生通過調(diào)控主要參數(shù)使生產(chǎn)恢復正常；由學生自己根據(jù)教師提供的工藝參數(shù)設(shè)計實驗方案，并組織實施，通過自主解決實際發(fā)酵過程中出現(xiàn)的異常情況，提高學生分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞 計算機仿真；生物工程；實踐教學

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）14-0163-02

1 生物工程專業(yè)實踐教學現(xiàn)狀

生物工程專業(yè)是一個實踐性很強的應用型專業(yè)[1]，它對學生的科學水平、工程能力都有較高的要求。實踐教學在本科專業(yè)教學過程中具有重要的地位，它不僅能使學生學習生產(chǎn)技能，進一步鞏固和加深課堂理論知識，獲得實踐知識與技能，而且通過實踐，使學生提高了理論聯(lián)系實際及分析問題與解決問題的能力。因此，實踐教學是生物工程專業(yè)本科教學的重要組成部分。

實驗教學與生產(chǎn)實習是生物工程專業(yè)實踐教學的重要組成部分，是生物工程專業(yè)的實踐必修課[2]。傳統(tǒng)的實驗教學大都是課前由指導教師將實驗所需試劑、材料及實驗設(shè)備等準備工作做好，實驗課上在教師的指導下，學生按照既定的實驗步驟去完成整個實驗。在整個過程中，學生處于被動地位，只是機械地參與，由于學生所學理論知識與實踐還沒有很好地聯(lián)系起來，學生操作不熟練。這樣的實驗課如果課時少，就很難充分地調(diào)動學生的能動性。

生產(chǎn)實習是我國工科學生將三年的理論學習與生產(chǎn)實踐直接結(jié)合的主要環(huán)節(jié)。按照要求，學生應在各個生產(chǎn)崗位上頂崗實習三個星期。通過生產(chǎn)實習，學生“真刀實槍”地鍛煉，能使學生接受生產(chǎn)教育，親身體會理論知識與實際生產(chǎn)之間的差異，了解企業(yè)對人才的具體需求，從而在第四年的學習中更能積極主動，有的放矢。但隨著近幾年高校的不斷擴召，學生數(shù)量猛增，無論是實驗教學還是生產(chǎn)實習，都難以滿足實踐教學的要求。一方面，以前一人一套的儀器設(shè)備變成現(xiàn)在的一組一套，在實驗時間相同的情況下，學生練習操作的時間有不同程度的縮短；另一方面，現(xiàn)代企業(yè)大都是大型連續(xù)化生產(chǎn)，要求生產(chǎn)過程連續(xù)穩(wěn)定，而生產(chǎn)實習本身會干擾企業(yè)的正常生產(chǎn)秩序。

為了解決這樣的矛盾，許多企業(yè)建立了參觀走廊供實習的學生參觀，學生的生產(chǎn)實習就只能看不能動，一點兒動手的機會也沒有了。在目前的“加強基礎(chǔ)理論教育、拓寬知識口徑”的指導思想下，這一矛盾更為突出。由于缺乏實操機會，生物工程專業(yè)畢業(yè)的學生對于工藝理論有一定的了解，而對于實際生產(chǎn)工藝缺乏正確的理解，學生學的知識與生產(chǎn)實際脫節(jié)嚴重，動手能力也差，難以適應工作崗位，企業(yè)又不得不對學生進行上崗前的培訓，這樣就又增加了企業(yè)的用人成本。為了使培養(yǎng)的畢業(yè)生能夠更好地適應社會的需求，必須對實踐教學內(nèi)容進行革新，以適應新的形勢要求。

2 生物工程專業(yè)實踐教學改革

為了使學生真正地在實踐中得到鍛煉，將理論與實踐相結(jié)合，對生物工程專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的教學改革，在工程化、系統(tǒng)化思路的指導下，把工業(yè)生產(chǎn)融合到計算機仿真和實驗室規(guī)模生產(chǎn)中，提出新的實踐教學思想。

在學生生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)，引入計算機仿真技術(shù) 近十年來，過程仿真技術(shù)在操作技能訓練方面的應用在全世界許多國家得到普及。這種仿真系統(tǒng)能逼真地模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故狀態(tài)的現(xiàn)象，它沒有危險性，能節(jié)省費用，大大縮短培訓時間，成為許多企業(yè)考核操作工人取得上崗資格的必要手段[3]。因而通過一套與現(xiàn)場生產(chǎn)裝置非常相似的實習仿真教學系統(tǒng)，使學生不出校門就能了解實際生產(chǎn)工藝和設(shè)備，通過對仿真系統(tǒng)的反復操作，使學生對生產(chǎn)實際有了很好的認識，而親自動手使學生鍛煉并提高了專業(yè)應用技能，從而將所學專業(yè)知識與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合在一起，極大地提高了學生生產(chǎn)實習的興趣和能動性。

為此，課題組深入到生產(chǎn)一線進行認真調(diào)研，選取了典型的有代表性的生產(chǎn)過程，開發(fā)仿真軟件。其中，谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)是先對淀粉原料進行糊化、糖化處理再進行后發(fā)酵的典型的細菌好氧發(fā)酵；檸檬酸發(fā)酵是典型的霉菌好氧發(fā)酵，并且在發(fā)酵過程中具有邊發(fā)酵邊糖化的特點；啤酒生產(chǎn)過程是典型的酵母厭氧發(fā)酵過程。目前酒精的雙效精餾在節(jié)能方面有了很大的改進，因而研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的谷氨酸、檸檬酸和啤酒發(fā)酵生產(chǎn)及酒精的雙效精餾仿真軟件，并把它們應用到生產(chǎn)實習中去，學生連續(xù)兩個周上機模擬，使學生在短期內(nèi)的操作水平得到大幅度提高；最后一周帶領(lǐng)學生到相關(guān)企業(yè)進行實地參觀考察，將仿真系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備、各種調(diào)節(jié)生產(chǎn)的裝置（如調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、管路連接）的布局等實物化，并通過對所參觀企業(yè)的控制室和各種設(shè)備的控制面板的考察，使學生對仿真軟件中集散型計算機控制系統(tǒng)等也有了進一步的感性認識。這不僅解決了企業(yè)連續(xù)性穩(wěn)定生產(chǎn)與學生生產(chǎn)實習的矛盾，也解決了學校的經(jīng)費困難問題。

籌建與工業(yè)生產(chǎn)過程相同的實驗室規(guī)模的生產(chǎn)線 計算機仿真軟件只是包含了主要的工藝過程，還有一些具體的操作沒法在計算機上體現(xiàn)出來，比如原料的預處理、物料的混合、糖化終點的判斷以及菌種的活化、擴培、接種、取樣等。為了讓學生有上崗實操的機會，選擇兩個典型產(chǎn)品的生產(chǎn)過程即啤酒與味精的生產(chǎn)，在實驗室籌建兩個小的生產(chǎn)車間，其生產(chǎn)過程完全與工業(yè)化生產(chǎn)過程相同。這樣在進行專業(yè)實驗時，學生就能夠從生產(chǎn)原料的預處理、培養(yǎng)基的制備、發(fā)酵罐的滅菌及菌種的活化、擴培、接種及對發(fā)酵過程中各工藝參數(shù)的控制、產(chǎn)品的分離提取等各個環(huán)節(jié)進行實際操作，使學生能真正地將理論與實踐技能結(jié)合在一起，較好地達到生產(chǎn)實習的目的。

將仿真與實驗結(jié)合，提高學生綜合素質(zhì) 將生物工程專業(yè)的生產(chǎn)實習時間與專業(yè)綜合實驗時間實行無縫銜接，為了提高學生分析問題、解決問題的能力，在仿真環(huán)節(jié)學生操作熟練后，通過教師窗口人為設(shè)置干擾，讓學生根據(jù)主要參數(shù)的變化采取必要的措施使主要參數(shù)回到正常范圍以內(nèi)，以增強學生的工程化意識。

在實驗室規(guī)模專業(yè)綜合實驗谷氨酸發(fā)酵和啤酒發(fā)酵過程中，教師不再是實驗準備的主要人員，生產(chǎn)前的準備工作，如計算、藥品的稱量、實驗原料的準備、試劑的配置以及菌種的活化、擴培等，均由學生自主完成，教師負責及時糾正學生操作不當之處。整個生產(chǎn)的實施過程在指導教師給出的參數(shù)及計算機仿真的基礎(chǔ)上由學生自主制定，和指導教師討論完善后具體實施。學生按照具體制訂的實驗方案實施，對仿真軟件中所涉及的主要工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控，并對生產(chǎn)過程的是否正常做出評判。一旦出現(xiàn)異常，首先根據(jù)仿真軟件的實踐經(jīng)驗和前期測定的數(shù)據(jù)，提出自己的調(diào)整方案，同指導教師討論后對相關(guān)操作和參數(shù)進行調(diào)整，直至生產(chǎn)恢復正常。

3 生物工程專業(yè)實踐教學改革的現(xiàn)實意義和實踐效果

將計算機仿真技術(shù)引入生物工程專業(yè)實踐教學當中來，使學生能夠更好地獲得實踐方面的鍛煉，也解決了學校實習經(jīng)費嚴重不足的困難。

通過利用完全與生產(chǎn)過程相同的發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件，不但使學生對實際生產(chǎn)過程有了更好的認識，而且通過反復操作，在不干擾企業(yè)正常生產(chǎn)的前提下，提高了學生的動手能力。同時，利用仿真軟件強化學生對各種干擾的處理和應變訓練，使學生對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常問題，能夠提出較為合理的處置方案，提高了學生分析問題和解決問題的能力，達到既強化學生工程意識，又提高學生綜合素質(zhì)的要求。

通過以上改革，在目前實踐教學資源嚴重不足的情況下，使學生能夠更好地獲得實踐方面的鍛煉，提高動手能力和專業(yè)應用技能，加強學生對工業(yè)生產(chǎn)的認識，強化工程化的概念。對于提高學生的實際操作能力、理論聯(lián)系實際能力、分析問題解決問題能力有著顯著的推動作用。隨著上述實踐教學體系的不斷提高和完善，對于生物工程專業(yè)整體教學水平的提高也必將具有重要意義。

參考文獻

[1]康小虎，田永強，謝放，等.生物工程專業(yè)實踐教學改革探討[J].實驗科學與技術(shù)，2011，9（5）：86-87.

[2]王光彥.現(xiàn)行大學教師績效評價制度的反思與改革[J].中國高等教育，2009（8）：20-23.

[3]趙剛.化工仿真實訓指導[M].北京：化學工業(yè)出版社，

2001：1-2.endprint