产教融合背景下虚拟仿真教学资源在生物工程人才培养中的应用.pdf

应用型高等教育研究2024年3月第9 卷第1 期Application-Oriented Higher Education ResearchMar.2024 Vol.9 No.1产教融合背景下虚拟仿真教学资源在生物工程人才培养中的应用李璐璐1,张晓媛,范晓博（1.徐州工程学院食品与生物工程学院，江苏徐州2 2 1 0 1 8；2.北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京1 0 0 0 2 9）摘要：生物工程实验教学在创新型人才培养模式中面临诸多问题。以微生物基因编辑虚拟仿真平台为例，利用虚拟仿真在实验教学领域的优势，突出学生的主体地位，针对生物工程类应用创新型人才培养现状，解决实验原理复杂、周期长、操作难度大等问题，拓展实验教学内容的广度和深度。通过虚拟与实体结合，构建实体实验教学与虚拟仿真实验教学体系，激发学生的学习兴趣，培养创新思维，全面提升实验教学质量和水平，这些举措对提升生物工程类专业应用创新型人才培养质量起到积极作用。关键词：产教融合；虚拟仿真；生物工程；微生物基因编辑；实验教学中图分类号：G643On the Application of Virtual Simulation Teaching Resourcesin the Biological Engineering Students Training under theBackground of Industry-Education Integration文献标识码：A文章编号：2 0 9 6-2 0 4 5(2 0 2 4)0 1-0 0 5 7-0 6LI Lulu,ZHANG Xiaoyuan?,FAN Xiaobo(1.College of Food and Biological Engineering,Xuzhou University of Technology,Xuzhou 221018,Jiangsu;2.State KeyLaboratory of Chemical Resource Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract:Biological engineering experimental teaching encounters many problems in innovative talentscultivation mode.With virtual simulation of microbial gene editing as an example,and on the basis ofthe advantages of virtual simulation in the field of experimental teaching,the main position of studentswas highlighted and the current situation of cultivating innovative talents in bioengineering applica-tions was addressed,which are expected to resolve the problems of complex experimental principles,long period and difficult operation,and expand the content width and depth of experimental teaching.Through the combination of virtual and physical,physical experimental teaching and virtual simula-tion experimental teaching system can be constructed to stimulate learning interest,cultivate innova-tive thinking,and comprehensively improve the quality and level of experimental teaching,which playa positive role in improving the training quality of applied innovative talents of biological engineering.Key words:industry-education integration;virtual simulation;biological engineering;microbial geneediting;experimental teaching基金项目：2 0 2 2 年徐州工程学院教育科学研究项目“地方应用型本科院校产教融合育人机制研究”（YGJ2243）；2 0 2 3年徐州工程学院教学改革与实践创新研究项目“基于产教融合虚拟教研室的项目式发酵工程教学模式改革路径探索”（2 0 2 30 5）；徐州工程学院教育科学研究课程思政专项课题 基因工程课程思政教育实施成效评价研究”（YGJ-SZ-2173）作者简介：李璐璐（1 9 8 9 一），女，江苏徐州人，徐州工程学院食品与生物工程学院讲师，博士，研究方向：生物工程；张晓媛（1 9 8 8 一），女，北京人，北京化工大学材料科学与工程学院讲师，博士，研究方向：材料工程；范晓博（1 9 8 4 一），男，江苏徐州人，徐州工程学院食品与生物工程学院副教授，博士，研究方向：生物工程教育,E-mail:。58为全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，根据国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见（国办发【2 0 1 5 36 号）要求，以提高人才培养质量为核心，以创新人才培养机制为重点，高校应将“推动转型发展高校的办学思路转到培养应用型技术技能型人才工作上。因此，当前高校面临的最艰巨的挑战是培养具有创新意识和创新能力的新型人才。2 0 2 1 年江苏省教育厅关于推进一流应用型本科高校建设的实施意见中提出了“根据生产、服务的真实技术和流程构建知识教育体系、技术技能训练体系和实验环境、实训平台和实习基地，创造做中学的实践教学条件”2 的指导方针。虚拟仿真教学共享资源的建设作为开展创新创业实践的多种形式之一，是工程实践实基础认知实验综合设计实验生产实习训练毕业设计论文工程基础训练综合工厂设计工程综合训练创新项目训练虚实验类虚拟仿真教学项目微生物基因编辑实验图1 虚拟仿真教学资源应用于生物工程人才培养的教学模式1生物工程类专业创新型人才培养模式建设的必要性1.1新时代社会需求江苏省高等学校实验教学与实践教育中心联席会面向全省本科高校推荐使用虚拟仿真实验教学项目资源，以支持大专院校开展实验教学。3慕课（MOOC）、在线课程、虚拟仿真等教学形式正是在学科专业与信息技术交叉融合下产生的。通过信息技术与教育工作的深度融合，使传统的专业理论教育模式向提高创新实践能力的新型教育模式转变，淘汰陈旧落后的实体实验内容，保留优质、综合性实体实验教学项目，从而推动实验教学改革和线上实验课程（以虚拟仿真实验教学项目为主）的建设，满足市场对生物工程专业人才多层次性的需求。1.2学科发展需求生物工程专业主要研究发酵工程、微生物、基因工程、酶工程和细胞工程的基础理论及其在工、医、农、环保等领域中的开发和应用。因其与生产应用型高等教育研究教育的重要环节和手段。因此，在完善应用创新型人才培养模式中，虚拟仿真教学扮演着重要角色。徐州工程学院食品与生物工程实验中心是被江苏省教育厅选为省级实验教学示范中心建设点，是中央财政支持地方高校发展专项资金建设立项单位。在实验中心的发展过程中，逐步建立了“专业基础、专业综合、专业实践（虚拟仿真实验与工厂实习）、专业创新”的四层次能力培养方式和“基础认知实验、综合设计实验、工程基础训练、工程综合训练（虚拟仿真实验与实训）、创新项目训练、毕业设计(论文)”的六模块实践教学体系，形成了以培养大批适合新时代需要的高素质应用型人才为导向的，理论教育与实践教育并重、虚拟仿真与传统实验实践教学互补的教学模式（见图1）。虚拟仿真教学资源应用于生物工程人才培养专业基础专业综合第9 卷专业实践专业创新实训类虚拟仿真教学项目发酵工厂虚拟仿真实验实际紧密结合，生物工程已成为产业结构调整的战略重点和新的经济增长点，是实现后发优势和跨越式发展最有前途、最有希望的学科。4-5 国内生物工程专业本科院校的理论与实验教学模式多为传统授课模式，不可避免地存在教师在课堂上照本宣科，学生学习兴趣不高，无法激发学生创新创造能力等情况，并且生物工程专业实验本身常涉及高危（生物安全）或极端环境（高温、高压）、高成本（原料、设备）、高消耗、不可逆操作（如工业规模的开、停车）大型综合训练（场地，设备)等问题。除此之外，生物工程专业实验教学中还存在一些共性问题，例如国内高校的生物类实验教学多以简单的演示验证内容为主，而高层次实验（综合设计、研究创新类)训练项目常因学时不足，无法有效培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维能力。因此，虚拟仿真教学资源的开发在内容上应强调广度和深度的拓展（涵盖基础知识、实验理论、实验过程、模拟操作、参数设置、结果分析和相关考核），使学生在虚拟仿真中巩固课堂所学知识，突破习惯性成果转化专利课题申请学术论文发表创业创新竞赛服务地方经济第1 期认知模式，有效提高学生的实践能力以及业务水平，从而推动学生就业创业，为行业提供高素养人才。7-8 发酵工程和发酵工程实验课程是我校生物工程专业的必修课程，也是培养生物工程专业人才的核心课程。该课程涵盖十余项经典的基因工程的原理和技术,体现了发酵工程、基因工程与生物化学、微生物学、遗传学、细胞工程、酶工程等多学科的交叉，具有综合性、实践性、设计性的特点。因此，授课过程中使学生逐步掌握基因工程和分子生物学技术中的基本实验原理和实验操作步骤，培养学生的实验技能和综合实践能力，并经过一定的综合训练使学生了解基因操作技能在生物工程领域和实际工作中的应用，从而达到分析解决复杂生物工程问题的目的。实体实验内容包括：细菌DNA/RNA提取、基因的PCR扩增、质粒酶切及产物纯化、质粒DNA的提取及检测、基因同载体的连接与鉴定。这些课程内容和人才培养目标可通过理论和实验课程的设计来达成，而要培养学生专业技能、提高工程素质、增强实践能力，则需从工业生产需要出发，通过开展具有高阶性、创新性、挑战度的实验项目来实现。以基因编辑技术为例，常以微生物作为操作对象，利用分子育种技术去定向改良工程菌，或者对微生物开展新的基因及代谢途径或代谢产物生成相关的功能基因研究。因此,熟练掌握微生物的基因改造技术在微生物的选育、纯化培养、发酵等方面的应用,是生物工程专业的学生适应产业发展和社会经济服务的需要。在此背景下,CRISPR-Cas 9技术对微生物的基因进行编辑（包括基因敲除、定点突变、定点插入外源序列等），会在遗传改良育种和基因组学研究方面展现出巨大的应用潜力，可以将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动生物工程相关产业的迅速发展。9 2虚拟仿真教学资源在应用创新型人才培养中的应用2.1利用虚拟仿真教学资源构建“实体实验教学与虚拟仿真实验教学”项目体系，研究虚拟实验与实体实验教学相结合的教学方法，将虚拟仿真资源引人实体实验教学课堂过程中，应突出学生主体地位，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力；以研究应用型实李璐璐，等：产教融合背景下虚拟仿真教学资源在生物工程人才培养中的应用验教学模式，最大化利用平台资源。2.2促进试验（虚）与实验（实）有机融合传统生物工程类实验教学内容相对滞后，综合设计性实验设置不足。教师在课堂上介绍完实验原理和步骤后，学生根据讲述内容完成实验。该教学方式束缚了学生独立思考的能力，不利于创新思维的培养。而虚拟仿真实验具有交互性、开放性、共享性等特点。1 0 虚拟仿真教学系统促进教师发挥专业主观能动性，在实体实验的基础上，对实验进行设计和对虚拟实验进行编译，拓展了实验内容深度和广度，使学生获得进一步探索的空间。以发酵工程第二章“基因工程育种”中基因编辑的知识点为例,基因编辑技术的原理及步骤都较为抽象复杂。传统课堂教学时学生仅靠书本内容或者PPT,被动地理解基因编辑技术的实验原理与操作，往往在实际应用中，学生无法判断哪一步的失误操作导致实验的失败，无法直观地理解微生物基因编辑技术的过程,例如CRISPR-Cas 9基因编辑技术,CRISPR-Cas9是细菌及古菌适应性免疫系统的一部分，其功能是抵御病毒及外源DNA的人侵。当病毒人侵细菌时,细菌捕捉到外来的DNA片段,并且将其整合到自身基因组的CRISPR序列中。当再次遇到病毒人侵时，细菌能够根据存写的DNA片段,识别病毒,随后通过Cas9核酸酶精准切断病毒DNA并使之失效，抵御病毒人侵。在这部分内容的学习过程中,学生很难理解细菌利用CRISPR-Cas9方式抵御病毒侵染。但是借助虚拟仿真实验教学系统可以形象地模拟细菌内CRISPR-Cas9的过程，使学生更好理解该技术的来源与机制，在一定程度上弥补了实体实验教学的不足。实体实验教学与虚拟仿真实验教学相结合就是以传统讲授为引导，学生在课堂上获取理论知识的同时，在动手进行实验操作前，通过登录虚拟仿真实验教学系统，预览微生物基因编辑操作演示实验，解答有关理论知识的疑惑，学生逐渐从被动接收知识转变为59验为引导、以“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）为原则，以大学生创新创业大赛为载体搭建虚拟仿真实验平台，从而建立“实体实验教学与虚拟仿真实验教学”项目体系。通过不断推进现代信息技术与产教深度融合，将虚拟仿真教学融入到课内与课外（包括将学术研究、科技发展前沿成果引人课程），利用虚拟实验与实体实验教学相结合，积极引导学生进行探究式与个性化学习,形成开放式的实60实践的主体去获取知识，形成由原来的先理论后实验的教学模式转变成边学习边实验“虚实结合”的新模式。虚拟仿真教学资源的引人极大促进了实验过程的程序化和实验内容的标准化，使得实验受外界因素的影响大大降低。而且在后续的平台维护中可以不断更新学科最新的研究成果和应用进展，达到培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的3D动画背景介绍实验目的与材料模块基因编辑虚拟仿真实验教学系统CRISPR/Cas9背景介绍模块实验操作模块实验拓展模块图2 微生物基因编辑虚拟仿真实验系统设计构架首先，背景介绍模块包括实验原理与机制模块、实验目的与材料模块。在课前教师通过线下讲解幻灯片、介绍Charpentier和Doudna发现CRISPR-Cas9微生物基因编辑技术的历史背景，然后通过3D动画技术描述CRISPR-Cas9在细胞水平上的分子机制。在利用视频对实验原理解释的过程中,穿插介绍实验目的与实验材料。而实验材料模块起到了承接背景介绍模块与实验操作模块的作用。在教师的指导下，学生访问虚拟实验系统,进入操作界面、设置账户密码。学生利用虚拟仿真软件对实验原理与机制模块进行预习，通过线上测验检验预习效果,达到巩固理论知识的目的。其次,在虚拟仿真实验实施过程中，教师讲授实验目的、实验材料、实验操作规范以及实验室安全问题。学生根据界面提示操作，进人实验操作模块。实验操作模块又分为实验预览和实验模拟模块，涵盖了CRISPR-Cas 9基因编辑技术的主要理论知识点。实验预览模块类似于实验课中的教师演示实验，可以快速对实验整个过程进行浏览。以CRISPR-Cas9技术敲除大肠杆菌中的-半乳糖苷酶基因的实验项目为例，进入实验模拟模块后，学生可以真切体验所有的实验环节，具体流程为：根据-半乳糖苷酶基因序列，设计sgRNA向导序列、sgRNA序列双链DNA的体外合成、目的基因敲除应用型高等教育研究精神和能力的目的。1-1 2 除此之外，教师通过后台统计学生的学习时间，对实验操作进行评分，对难点疑点进行互动式解答，学生再通过平台进行虚拟仿真实验操作，将知识要点掌握牢固，在整个学习过程中形成“从试验中来，到实验中去”的闭环。2.3微生物基因编辑虚拟仿真实验的构建本虚拟仿真实验实施过程包括以下环节(见图2)。实验原理与机制模块实验原理实验目的实验材料 实验仪器实验预览模块步骤总览动画预览 分步详解实验模拟模块试剂配制仪器调试参数设置研究性试验重组质粒构建、酶切、电泳检测、胶回收、测序、制备表达Cas9蛋白的大肠杆菌感受态细胞，同源重组模板合成、转化、平板培养、挑取转化子、菌落PCR扩增、测序比较,重组菌摇瓶培养、蓝白斑筛选鉴定重组菌等1 6 个步骤。同时，在重要的实验环节对实验参数的选择和操作进行考察,并按照操作规范进行打分。在掌握CRISPR-Cas9关键技术步骤的基础上，运用典型案例，开展实验拓展模块的学习，此模块综合了微生物学、基因工程、酶工程、发酵工程、细胞工程等课程的实验原理与技术,选取工业微生物黄酒酵母为研究对象。实验拓展模块首先介绍氨基甲酸乙酯作为潜在致癌物质存在于酒精饮料中，黄酒中的氨基甲酸乙酯主要是由尿素参与生成的，而尿素是由黄酒酵母在生长繁殖时，胞内的精氨酸酶分解精氨酸而来。根据背景信息，引导学生利用CRISPR-Cas9技术对黄酒酵母工程菌进行遗传改良,敲除黄酒酵母中的精氨酸酶基因,选育出低尿素水平的黄酒酵母。实验拓展模块设定了sgRNA位点设计、基因敲除质粒的获得、敲除精氨酸酶基因菌株的筛选及重组菌的育种4 个虚拟仿真实验教学单元，完整模拟了利用基因编辑技术选育低尿素水平的黄酒酵母工程菌这一综合、复杂、长时程实验。该实验余中细菌DNA/RNA的提取、基因的PCR扩增、质粒酶第9 卷实验室安全与规范实验评价模块虚拟工厂线上测验线上讨论报告撰写第1 期切及产物纯化、质粒DNA的提取及检测等步骤可承接前期开发的产纤维素酶菌株筛选与酶基因克隆分析虚拟仿真实验中的相关过程（见图3），通过该实验学习并掌握分子生物学的基础操作，此过程是对学生整个生物工程实验体系上游操作技能的培训与基础实验技能的培养。除此之外，实验拓展模块中的项目还可以直接对接到学院前期开发的现代黄酒酿造技术虚拟仿真实验项目中去，使学生在3D仿真情景中系统学习把握黄酒酿造的原理、李璐璐，等：产教融合背景下虚拟仿真教学资源在生物工程人才培养中的应用61工艺流程、关键控制点等相关黄酒酿造工艺过程（见图4）。最终形成了虚拟仿真实验项目之间的相互支撑，相互补充，打通上下游生物工程技术的节点，做到基因工程、细胞工程、发酵工程、生物反应工程等课程知识的融会贯通,在掌握相关实验技能的同时，培养学生在生物工程领域从事新技术研究、新产品开发的能力。从而使学生形成现代生物工程的科学思维、实现实践动手能力、分析和解决问题的能力等综合素质全面提升的目标。1 3-1 4产纤维系旗南袜筛造与梅茶固克港仿真系统学牙QQQ实验洗程PCR反应体系分不氨基酸序列详分系统分析分折结果图3产纤维素酶菌株筛选与酶基因克隆分析虚拟仿真实验部分实验操作(a）浸米工段（b）蒸饭工段自纸酒（来自压榨机）进CIPHCI进CIP出物料（去粮酒东网）西色雅西色插环冷(c）发酵工段图4 黄酒酿造工艺过程（a.浸米工段；b.蒸饭工段；c.发酵工段；d.澄清工段）2.41促进实验教学与创新能力培养有机融合综合设计类虚拟仿真实验是在传统验证性实验的基础上，增加了创新性实验模块，设置上紧跟科学研究前沿，不断对实验内容进行调整和补充。此外，该类实验突破了实验教学学时计划的限制，使实验的各个技术环节之间相互衔接，实现了大型工程类实验的完整性。通过构建“实体实验教学与虚拟仿真实验教学”项目体系，研究虚拟实验与实体实验教学相结合的教学方法，可以将虚拟仿真资源引人实体实验教学课堂，突出学生主体地位，在教学设计过程中，之，虚拟仿真平台在实验教学中的应用增加了实验上星清酒去过漆(d）澄清工段引导学生自主检索资料，设计建模，寻找规律，以提高其深度分析、勇于创新的能力。1 5 值得注意的是，仿真实验的选题要紧密联系实际，将设计理念落地，一定程度上可避免教学过程的重复性、学生参与度不高的情况出现。综合设计类仿真实验是以实验为背景，与现实相一致的实验仪器、耗材、试剂，增加代入感和沉浸感，交互式的操作使学生对实验环节印象加深，帮助他们快速、准确地了解和掌握相关技术，为将来应用到自已的研究与设计中打下坚实的基础。总62的设计性、多样性和趣味性，激发了学生的兴趣,提升了学习效果，有效培养了学生的实践动手和创新创业能力。参考文献：1国务院办公厅.国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见 EB/0L.(2015-05-13)2023-08-20j.https:/ J.实验技术与管理,2 0 1 5(1 1):1 5 6-1 5 8.3】徐进.2 0 1 3年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2 0 1 4 年申报建议 J.实验室研究与探索，2 0 1 4(8):1-5,25.4】宋莎.基于虚拟仿真实验教学平台的化工类专业应用创新型人才培养模式 J.化学教育(中英文),2 0 1 9(2 2)：7 4-7 8.5冯根生,冯婷,杜春荣.基于学科特点的研究型实验教学模式建设 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