侯 景，柳海燕，劉青娥，葉選怡

（麗水學(xué)院生態(tài)學(xué)院,浙江 麗水 323000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能和區(qū)塊鏈等信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，全球化信息傳遞和知識(shí)更迭速度加快，傳統(tǒng)課堂講授的教學(xué)方式已不能滿足現(xiàn)代教學(xué)需求，開(kāi)放發(fā)展線上教學(xué)、混合式教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)等教學(xué)新模式與日俱增[1]。教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖在第十一屆“中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇”上強(qiáng)調(diào)，要大力打造有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程是教育部提出的五大“金課”之一[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“智能+教育”的先進(jìn)教學(xué)模式和教學(xué)理念，它應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生提供一個(gè)生動(dòng)、逼真、可視化和可互動(dòng)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境[3-4]，真正做到了將信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，破解了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的老大難問(wèn)題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問(wèn)題。

當(dāng)今生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，需要大量專業(yè)的生物醫(yī)藥技術(shù)人才進(jìn)行匹配和支撐，而適合現(xiàn)代醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)離不開(kāi)生物制藥專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的改革和創(chuàng)新[5-6]。以抗體工程課程為例，為滿足市場(chǎng)對(duì)人源化單克隆抗體等新興生物技術(shù)藥物開(kāi)發(fā)人才培養(yǎng)的新要求，抗體工程成為生物制藥專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的特色專業(yè)課程，而抗體工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是生物醫(yī)藥人才培養(yǎng)體系中的重要環(huán)節(jié)。該課程主要介紹單克隆抗體、納米抗體、人源化抗體等新型抗體藥物的制備和應(yīng)用等方面的基礎(chǔ)知識(shí)及發(fā)展趨勢(shì)，涉及范圍廣泛。但在傳統(tǒng)抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于人源化抗體存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、操作難度大、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高等難題，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)難以開(kāi)展，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練與生產(chǎn)實(shí)踐脫節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)生物制藥學(xué)生生產(chǎn)實(shí)踐能力的目標(biāo)。虛擬仿真技術(shù)很好地克服了抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法開(kāi)展的困難，成為應(yīng)用在生物制藥實(shí)踐教學(xué)中的先進(jìn)技術(shù)手段[7]。因此，本文以抗體工程課程作為研究對(duì)象，探索虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的新模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，推動(dòng)抗體工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)改革，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量和水平的提高。

1 虛擬仿真技術(shù)在抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的必要性

1.1 解決現(xiàn)有教學(xué)資源與生物制藥應(yīng)用型人才需求間的矛盾

人源化抗體藥物是目前抗體藥物生產(chǎn)的主流產(chǎn)品[8]，但學(xué)生只能通過(guò)理論學(xué)習(xí)了解人源化抗體的生產(chǎn)工藝。目前傳統(tǒng)抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)相脫節(jié)，學(xué)生很難將所學(xué)的知識(shí)直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)生物制藥專業(yè)人才的需求。因此，我們依照生物制藥專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合長(zhǎng)三角區(qū)域抗體技術(shù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展趨勢(shì)[9]，將目前抗體藥物市場(chǎng)的明星產(chǎn)品——PD-1人源化單抗的制備作為抗體工程實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用案例開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，具有教學(xué)示范意義。利用虛擬仿真技術(shù)整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，模擬PD-1抗體藥物制備工藝仿真的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)更高水平的“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)理念，培養(yǎng)具有生物藥物生產(chǎn)、質(zhì)量控制等能力的應(yīng)用技術(shù)人才[10-11]。

1.2 解決實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中“易看難動(dòng)手”的困難

首先，在人源化抗體的實(shí)際生產(chǎn)制備過(guò)程中，CHO細(xì)胞表達(dá)抗體成本高；涉及細(xì)胞培養(yǎng)、篩選、鑒定等多個(gè)步驟，培養(yǎng)周期長(zhǎng)；CHO細(xì)胞重組和篩選困難；操作環(huán)境無(wú)菌要求嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法提供足夠的實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)所。其次，抗體分離純化技術(shù)環(huán)節(jié)多，且需要操作快速蛋白液相色譜（Fast protein liquid chromatography，F(xiàn)PLC）等大型分離純化系統(tǒng)，操作復(fù)雜并具有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生很難有實(shí)際操作的機(jī)會(huì)。最后，該項(xiàng)目實(shí)施需要數(shù)月的時(shí)間，受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)操作難度的限制，學(xué)生無(wú)法清晰了解人源化抗體藥物制備的完整流程。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)可將人源化抗體制備各部分內(nèi)容有機(jī)整合在一起成為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，向?qū)W生提供模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)資源，解決了學(xué)習(xí)中“易看難動(dòng)手”的缺點(diǎn)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，豐富教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮時(shí)時(shí)能學(xué)、處處能做的優(yōu)勢(shì)，提供高效和可行的培養(yǎng)模式。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)及操作平臺(tái)建設(shè)

抗體工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能，解決高成本、高消耗、長(zhǎng)周期等實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，提供了可靠、低成本和高真實(shí)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。根據(jù)抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代抗體藥物生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)需求，構(gòu)建了“PD-1人源化單抗的篩選、制備及鑒定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”體系。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

該體系構(gòu)建了理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真情境實(shí)訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)能力考核及實(shí)訓(xùn)后的總結(jié)分析等完整教學(xué)體系（圖1），涵蓋人源化抗體生產(chǎn)的全過(guò)程。虛擬仿真情境實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景主要包括抗體高表達(dá)細(xì)胞株開(kāi)發(fā)和篩選、細(xì)胞放大培養(yǎng)以及人源化抗體的分離純化3個(gè)模塊（圖2）。模塊一，抗體高表達(dá)細(xì)胞株開(kāi)發(fā)：需完成電轉(zhuǎn)化構(gòu)建重組CHO細(xì)胞、CHO細(xì)胞加壓篩選、單克隆細(xì)胞篩選、細(xì)胞庫(kù)構(gòu)建等操作；模塊二，細(xì)胞放大培養(yǎng)：需完成細(xì)胞微載體培養(yǎng)、CHO細(xì)胞馴化和發(fā)酵罐放大培養(yǎng)等操作；模塊三，抗體的分離純化工藝：需完成發(fā)酵液的離心收集、過(guò)濾、層析分離純化和鑒定等操作。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探究式學(xué)習(xí)和游戲闖關(guān)式的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，深刻領(lǐng)會(huì)人源化單抗藥物開(kāi)發(fā)的基本流程，對(duì)抗體藥物生產(chǎn)行業(yè)形成具象化認(rèn)識(shí)。

圖1 PD-1人源化單抗制備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖2 PD-1人源化抗體制備虛擬仿真平臺(tái)

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作平臺(tái)建設(shè)

抗體工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的每一模塊都包含理論學(xué)習(xí)板塊，教學(xué)平臺(tái)可為學(xué)生推送本實(shí)訓(xùn)模塊相關(guān)的理論學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，可滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、問(wèn)題咨詢，并進(jìn)行相應(yīng)知識(shí)的習(xí)題訓(xùn)練。完成理論學(xué)習(xí)之后學(xué)生可進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，進(jìn)行PD-1人源化單抗的篩選、制備及鑒定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作視頻觀摩和操作實(shí)訓(xùn)（圖2），通過(guò)本環(huán)節(jié)學(xué)生可清晰了解人源化單抗制備的全流程操作。情境實(shí)訓(xùn)結(jié)束后，學(xué)生可進(jìn)行抗體工程虛擬實(shí)驗(yàn)操作考核，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)定考核成績(jī)。最后，學(xué)生可以根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作情況在線提問(wèn)交流、教師安排答疑，實(shí)現(xiàn)生生間、師生間零距離互動(dòng)，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用案例

PD-1人源化單抗的篩選、制備及鑒定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙褢?yīng)用到麗水學(xué)院生物制藥專業(yè)抗體工程實(shí)驗(yàn)課程中，構(gòu)建了更完善的抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合在一起，采用“課堂講授、實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、考核評(píng)價(jià)、分析討論”全過(guò)程的“虛實(shí)結(jié)合”的混合式教學(xué)過(guò)程（圖3所示），將情景再現(xiàn)式教學(xué)、探究式教學(xué)和游戲闖關(guān)式的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練貫穿在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和積極性。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 課堂講授

在學(xué)生學(xué)習(xí)抗體工程理論課程相應(yīng)知識(shí)的基礎(chǔ)上，教師首先通過(guò)文字、圖片形式對(duì)PD-1人源化抗體基因的構(gòu)建原理、方法及意義進(jìn)行講解，再介紹本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砗筒襟E，并在多媒體實(shí)驗(yàn)室演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生充分熟悉PD-1人源化抗體生產(chǎn)制備的基本流程。

3.2 實(shí)體實(shí)驗(yàn)

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)行抗體工程實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作，在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)細(xì)胞培養(yǎng)基的配置、試劑耗材的滅菌、哺乳動(dòng)物細(xì)胞CHO的培養(yǎng)、細(xì)胞復(fù)蘇、凍存和細(xì)胞計(jì)數(shù)等基本實(shí)驗(yàn)操作，掌握細(xì)胞培養(yǎng)技能。

3.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生登錄進(jìn)入該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)點(diǎn)擊“項(xiàng)目簡(jiǎn)介”欄目了解該項(xiàng)目的主要目的和原理；點(diǎn)擊“虛擬實(shí)驗(yàn)”欄目，進(jìn)入抗體高表達(dá)細(xì)胞株的篩選、細(xì)胞放大培養(yǎng)、抗體分子的純化三個(gè)模塊，完成人源化抗體制備實(shí)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)生的交互式操作和系統(tǒng)自動(dòng)打分，考核學(xué)生對(duì)每一模塊中的操作要點(diǎn)的掌握情況。

3.4 考核評(píng)價(jià)

學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)、觀摩、仿真實(shí)訓(xùn)，并完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核，增加了實(shí)驗(yàn)趣味性和學(xué)習(xí)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)和學(xué)習(xí)記錄可以評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)掌握情況。

3.5 分析討論

軟件具備自動(dòng)操作步驟評(píng)分和思考題測(cè)驗(yàn)的功能，用于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的掌握情況。實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生可在線討論專區(qū)交流提問(wèn)，教師答疑和評(píng)價(jià)，及時(shí)反饋和解決實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題。

4 虛擬仿真技術(shù)在抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的成效

4.1 豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

抗體工程實(shí)驗(yàn)課程由于課時(shí)、經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等因素限制，人源化抗體、小分子抗體制備等實(shí)驗(yàn)都無(wú)法讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，只能通過(guò)傳統(tǒng)課堂講授和文字、圖片獲得理論上的認(rèn)識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以人源化抗體藥物的明星產(chǎn)品PD-1單抗為代表，把先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)流程展示給學(xué)生，既豐富了抗體工程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，又把科學(xué)問(wèn)題和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，具有前沿性和先進(jìn)性。同時(shí)，學(xué)生可以第一視角的體驗(yàn)和交互模式對(duì)人源化單抗制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際生產(chǎn)的再現(xiàn)還原，將實(shí)驗(yàn)室不可能開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)變成了可能，學(xué)生如同親臨實(shí)境，實(shí)驗(yàn)操作也更加真實(shí)、生動(dòng)。

4.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

抗體工程實(shí)驗(yàn)課程采用了“虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)”的混合式教學(xué)方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)練習(xí)CHO細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，細(xì)胞的培養(yǎng)、復(fù)蘇和凍存等基本實(shí)驗(yàn)操作，之后進(jìn)入軟件操作模塊模擬操作PD-1重組細(xì)胞的構(gòu)建、篩選和鑒定、抗體分離純化的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從“做中學(xué)”，讓學(xué)生真正掌握人源化抗體制備的完整流程?？贵w工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)借鑒游戲“闖關(guān)式”設(shè)計(jì)思路將實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)成3個(gè)模塊，學(xué)生必須領(lǐng)會(huì)、掌握每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)，完成第一模塊實(shí)驗(yàn)才能依次進(jìn)入下一模塊。通過(guò)戲挑戰(zhàn)式環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，吸引學(xué)生注意力，增加學(xué)生操作的樂(lè)趣，培養(yǎng)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)的精神。同時(shí)，采用探究式教學(xué)方法鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)抗體純度的不同要求自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，將自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的實(shí)踐能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開(kāi)拓創(chuàng)新思維。

4.3 提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有交互性、開(kāi)放性和易操作的特點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)理論授課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生可以借助于便利網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，打破時(shí)間、空間的限制，隨時(shí)隨地地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)操作的自由度[12]。因此，抗體工程利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)模式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)了師生間無(wú)障礙互動(dòng)，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的主觀能動(dòng)性，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量和效率。通過(guò)開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)?zāi)K的訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)人源化單抗制備相關(guān)理論知識(shí)和技術(shù)流程的理解，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，達(dá)到掌握相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)和培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力的教學(xué)效果。目前本項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已開(kāi)展4輪以上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并向兄弟院校免費(fèi)開(kāi)放使用，受到了廣大師生的一致好評(píng)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用虛擬仿真技術(shù)可將PD-1人源化抗體制備的實(shí)際生產(chǎn)案例引入到抗體工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的補(bǔ)充和延伸，同時(shí)也提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)熱情，更加符合生物制藥產(chǎn)業(yè)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求[13-14]。在新冠疫情期間，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐類課程的停課不停學(xué)以及教學(xué)資源的開(kāi)放共享[15-16]，展現(xiàn)了明顯的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化的重要手段，是未來(lái)生物類、制藥類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢(shì)[17]。