虚拟仿真技术在生物制药工艺学实验教学中的应用价值探讨

作者:毕业通查重     发表时间:2022-06-20 08:07:01   浏览次数:14



摘    要:目的 摸索虚拟仿真技术在教学中的使用方法,评价教学效果,为虚拟仿真技术在其他课程的应用及进一步推广提供参考。方法 开展“虚拟结合,线上虚拟沉浸式学习,线下混合式教学”的实验教学模式,从调查问卷、实验成绩及期末卷面成绩进行教学效果的评价。结果 调查问卷结果表明,对于虚拟仿真教学这种新颖的学习方式,98.28%的同学表现出浓厚的兴趣,愿意主动探索虚拟环境,努力解决问题。91.38%的同学认为通过学习增强了对理论课上抽象知识的理解和拓展,98.28%的同学认为提高了实际操作技能,有助于今后的学习和工作。对于软件可以丰富实验教学手段、生动实验教学内容,同学们都表示赞同。84.48%的同学表示提高了学习自觉性,91.38%的同学认为提高了学习兴趣。100%的同学能坚持完成各阶段的学习任务。无论是实验考核还是理论考试,2017级和2018级学生均较2016级有明显提高(P<0.05)。结论虚拟仿真教学能激发学生的学习兴趣,有助于提高教学效果,弥补工厂实践环节的不足,值得推广应用。


关键词:虛拟仿真;生物制药工艺学实验工科;教学;应用;评价;


Application Value of Virtual Simulation Technology in the Teaching of Biopharmaceutical Process Experiment

WU Ying MA Xin-hua SHI Dong-mei YANG Qian CHEN Xiao-le

School of pharmacy, Fujian Medical University


Abstract:OBJECTIVE To explore the application of virtual simulation technology in the teaching of biopharmaceutical process experiment, evaluate the teaching effect, provide reference for the application and further promotion of virtual simulation technology in other courses, and provide new methods for improving teaching quality.METHODS Using virtual simulation technology combined with online and offline mixed teaching methods, the teaching effect is evaluated from questionnaires, experimental results and final paper results.RESULTS The results of the questionnaire showed that 98.28% of the students showed strong interest in virtual simulation, a novel learning method, and were willing to take the initiative to explore the virtual environment and solve problems.91.38% of the students thought that the understanding and expansion of abstract knowledge in theoretical courses have been enhanced through learning, while 98.28% of the students thought that the practical operation skills have been improved, which is conducive to future study and work.For the software can enrich the means of experimental teaching, vivid experimental teaching content, students all agreed.84.48% of the students said that they had improved their study consciousness, while 91.38% thought that they had improved their study interest.100% of the students were able to complete the learning tasks at all stages.In both the experimental examination and the theoretical examination, the students of grade 2015 and 2016 had significantly improved compared with those of grade 2014(P<0.05).CONCLUSION Virtual simulation teaching can stimulate students′ interest in learning and improve the teaching effect, which is worth popularizing and applying.


Keyword:

Virtual; Biopharmaceuitical process; Major in biopharmaceutical; Teaching; Application; Evaluation;


2016年教育部提出的“新工科”是新经济背景下工程教育改革的重大战略选择,也是今后我国工程教育发展的新思维、新方式[1]。生物制药专业是我校2012年开设的工科专业,作为医学院校,现有的实验实训条件尚不能完全满足该工科专业学生培养的需要。传统的课堂教学中,教师多以文字、图片及有限的动画让学生获得理论上的认识,但工科教学的要点是经实验实训亲身运用、消化相关知识点,掌握生产工艺,单纯的理论教学难以满足教学需求。同时,近年来本科生人数急剧增多,实验教学所需的经费、设备、场地等目前均难实现,教学效果难以保证。在实训教学方面,由于企业严格的规章制度和GMP车间净化洁净度的要求等限制,无法组织大规模的学生进入车间进行实际的生产操作,学生也难以深入生产的核心环节进行体验。种种限制让今后从事生物药物研发、生产必备的知识点和技能抽象空洞,这对应用型人才的培养非常不利。不断提高的学生能力培养需求与现有实验实践教学条件之间的矛盾急需解决。


教育信息化浪潮为创新教学方法提供了可能。虚拟仿真系统有效突破了传统教学方法限制,成为替代或补充传统教学的一种新兴教学手段。我院完成了多门课程的虚拟仿真实验平台的安装运行,其中生物制药工艺学是我校为数不多的几门工科课程,与工业生产紧密相关,实践性强。本文对其虚拟仿真系统的使用进行摸索,以研究虚拟仿真系统在教学中的教学方法及教学效果,总结一套适用于该平台的教学模式与考核标准,为虚拟仿真技术在其他课程的应用及进一步推广提供参考,为进一步提高教学质量提供新方法。


1 虚拟仿真系统内容介绍

生物制药工艺学虚拟仿真系统以抗PD-1抗体的制备工艺为例,整合课程重要的知识点,用虚拟仿真可互动的技术手段建设成虚拟场景,让教师与学生以第一人称、第三人称的视角,参与到整个生物制药过程。包含了重点岗位:菌种培养、发酵、提取、纯化等。通过完整流程的演示及动手模拟操作,学生不仅对生物药物的完整制备流程有了直观认识,还掌握了构建重组工程菌、发酵培养、分离纯化蛋白等方法,将零散的知识点整合并应用。


2 虚拟仿真系统的应用

采取在教师引导下,学生自主探究式学习的方式,综合应用情景模拟、角色扮演和游戏教学法,教师讲授演示和学生练习巩固交替使用。学生自主登录虚拟仿真平台进行预习和复习,开展“虚实结合、线上虚拟沉浸式学习、线下混合式教学”的实验教学模式。


2.1 课前预习

依托虚拟仿真实验客户端,学生可自由在厂区漫游,自主完成实验预习和预习小测,小测成绩≥80分,方可观看操作视频,以了解设备操作要点和注意事项。


2.2 仿真练习

课上,教师根据学生预习测试情况,针对薄弱部分重点讲解。学生在掌握理论知识后进行上机操作练习。操作关键步骤有文字或声音提示,并出现生物安全三级厂房的3D虚拟场景体验、问题导向的进阶学习和通关训练,提升了项目趣味性。学生可多次反复练习,强化操作流程。


练习结束后,教师就操作关键步骤组织学生展开讨论,以帮助学生更好地理解重要知识点。


2.3 仿真考核

课程结束后进行仿真考核。考核方式采取岗位考核以及自主设计生产流程两种。要求学生在无提示的考核模式下,20 min内独立完成一个岗位的操作或者60 min内独立完成整个流程的操作,系统给出得分,并列出错误点。


2.4 实验总结

教师依据考核结果做实验总结,学生就错误点再次练习,直至正确,并结合系统给出的操作数据完成实验报告。


通过此实验,学生不仅复习了课堂中所讲的理论知识,并将之具化,加深了理解和记忆。这种“游中学、学中游”的实验教学新模式,提高了学习兴趣和学习效果,也解决了无法进入工厂实训的问题,为学生将来进入工厂工作打下基础。


3 虚拟仿真系统学习效果评价

教学评价是一个评价判定课程教学实际效果的过程,收集教学效果数据,分析和评判教学活动过程的价值[2]。当代教育重教学过程而轻教学效果评价,因此建立完整的教学效果评价体系是当前教育工作的首要之事。本研究通过“三方面”的评价体系,对教学效果进行评价。


3.1 评价方法

3.1.1 主观感受:

对2017级、2018级生物制药专业学生发放问卷调查,共收回有效问卷58份。整理问卷调查结果,了解学生对虚拟实验教学实施的主观感受,评价其效果并发现存在的问题并进一步加以完善。


3.1.2 客观测试:

平台从2017级学生开始使用,在学生入学成绩无明显差别,培养方案、课程学时数、教学大纲、授课教师均相同的情况下,以2016级和2017级、2018级生物制药学生为测试对象,以实验“溶菌酶的制备和含量、活性测定”进行考核。教师对每位同学的实验原理的理解、仪器操作的规范、实验结果的准确三方面进行逐个评分,总分=实验原理得分×0.3+仪器操作得分×0.4+实验结果得分×0.3。


采用spss 19.0统计软件处理,并进行两独立样本间的t检验,检验标准α=0.05。分析2017、2018级同学和2016级同学的实验成绩差异是否显著(P<0.05即为差异有显著性),客观评价虚拟仿真系统在提高学生实验技能方面的作用。


3.1.3 综合评价:

在学生入学成绩无明显差别,培养方案、课程学时数、教学大纲、授课教师均、试卷难度相同的情况下,统计2016级和2017、2018级生物制药专业学生期末卷面成绩,采用SPSS 19.0统计软件处理,并进行两独立样本间的t检验,检验标准α=0.05,分析2017、2018级同学和2016级同学的成绩差异是否显著(P<0.05即为差异有显著性),评价虚拟仿真系统在提高课堂教学效果方面的作用。


3.2 评价结果

见表1~3。


4 讨论

生物制药专业属于工科专业,毕业生大部分要奔赴药物研发生产一线,这就要求教学设计必须重视应用型人才的培养[3]。教学内容上不仅注重理论知识,更要强调实训教学的完整性与系统性,将理论教学与实践教学互为基础、共同提高,以培养学生实际工作能力是重中之重。而在实际培养过程中,企业囿于国家对药品生产的严格监管,对学生的实训有较多限制[4]。为此,我院建设了虚拟仿真实验中心,以弥补工程化不足的缺憾,培养高素质的满足社会需求的生物制药人才。


4.1 虚拟仿真系统应用效果

虚拟实验教学是未来高校实验教学模式的重要发展方向。问卷调查结果表明,对于虚拟仿真这种新颖的学习方式98.28%的同学表现出浓厚的兴趣,愿意主动探索虚拟环境,努力解决问题。91.38%的同学认为通过学习增强了对理论课上抽象知识的理解和拓展,98.28%的同学认为提高了实际操作技能,有助于今后的学习和工作。对于软件可以丰富实验教学手段、生动实验教学内容,同学们都表示赞同。84.48%的同学表示提高了学习自觉性,91.38%的同学认为提高了学习兴趣。100%的同学能坚持完成各阶段的学习任务。学生学习态度的改变和虚拟仿真系统对教学的有效辅助在成绩上也有充分体现。无论是实验考核还是理论考试,2017级和2018级学生均较2016级有明显提高(P<0.05),表明学生的理论知识水平、实验操作的实践能力都得到了提高。


4.2 虚拟仿真系统反哺理论教学的思考

虚拟仿真技术在实验教学中取得了较好的教学效果,本教学团队进一步摸索,将其应用于理论教学教学中。


生物制药专业的课程与药物的实际生产工艺联系紧密,对于缺乏工厂经验的学生来说,内容抽象;学生们对传统的PPT加板书的课堂教学方式大多兴致不高,普遍反映各种纯化方法、生产工艺只是“纸上谈兵”,知识点零散、抽象,学习难度较大。团队老师把虚拟仿真系统作为课堂教学的有力补充。如一些如板框压滤机、管式离心机等难以凭空想象的大型设备可以直观的看到如何操控和工作。又如制备型HPLC是基因工程药物必备的分离手段,其常常过载上样,导致色谱峰出现“伸舌”、“拖尾”“重叠”等现象。如何通过“中心切割法”让分辨率和上样量可以兼得,在课堂通过文字图片讲授常常让学生仍是一头雾水。教师可以利用虚拟平台在课堂进行演示操作,并可通过调节各种参数直观地观察到色谱峰形状的变化,学生提高了兴趣,理解了难点。学生也可在课后进入系统,自己动手操作,复习巩固课堂内容。


经过虚拟仿真系统的学习锻炼,学生可以身临其境地掌握更多的药物生产方法和生产过程,所以在考题方面,可以出现更贴近生产、体现学生学习主动性的开放性题目。如生物制药工艺学课程因传统教学方法和学时的限制,问答题常以工艺流程分析为主,经过改革,可以“自行设计药物生产工艺”、“工艺流程纠错”等类型的题目进行考核。


4.3 虚拟仿真系统的改进

学生普遍反映,目前使用的虚拟软件仍存在仿真度欠佳、操作界面设置不合理、操作程序繁琐枯燥等问题,影响了使用的趣味性。因此,本教学团队将总结多年使用经验,结合学生角度提出的改进方案,进一步完善虚拟仿真系统内容,更合理充分的使用系统,不断提高教学质量,培养更合格的工科人才。


参考文献

[1] 周芳,吴宁,葛芬.“新工科”背景下网络课堂教学方法研究[J].电脑知识与技术,2019,15(02):119-120.

[2] 刘琼,何洁凝,关冠宇,等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊,2015,(S2):318-319.

[3] 夏焕章,倪现朴.生物制药人才培养现状及培养对策探析[J].高校生物学教学研究(电子版),2014,4(1):34-37.

[4]何书英,刘煜,郑珩,等生物制药虚拟仿真实验教学平台的建设与应用[J]实验技术与管理,2017,34(8)-118-120.


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