新工科背景下以CDIO理念为引领的虚拟仿真实验教学探索与实践

来源：SCI期刊网 分类：教育论文 时间：2021-09-13 08:31 热度：

　　[摘要]在新工科建设背景下，培养具有较强工程实践能力的应用型人才是高等工程教育改革的目标。基于CDIO教育模式构建的发酵工程虚拟仿真实验教学平台，可以真实还原发酵车间的实景，这种与企业需求接轨、融入国际工程化生产规范知识的虚拟仿真实验，能够弥补学生在传统实验中不能操作大型发酵罐的缺憾，有助于培养学生的工程实践能力，受到了用人单位和教育专家的一致好评。

　　[关键词]新工科;CDIO模式;发酵工程;虚拟仿真实验;工程实践能力

　　当前，全球经济发展呈现出互联网、5G和人工智能等新技术产业蓬勃发展的新态势[1]，这对高等教育培养适应和引领未来产业发展的工程科技人才提出了新的更高的要求。自2016年6月我国加入《华盛顿协议》后，国内的工程教育改革有了新的方向和思路[2-3]。在此背景下，2017年6月，教育部颁布了《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》[4]，提出新工科建设应以工程类人才的培养为核心，以培养目标为导向，以学生为中心，注重提升人才培养的质量。这为高校工程人才培养和实验教学改革提供了方向。

　　CDIO模式是近年来国际工程教育倡导的一种工程教育模式，由麻省理工学院等4所工程院校提出[5]。CDIO模式包含构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)和运行(Operate)4个环节，强调“做中学”[6]，重视学生实践操作能力的培养，这与工程型、应用型人才的培养要求相吻合。CDIO模式以产品制造的整个周期为载体，通过让学生积极主动地参与各门课程的学习，提高学生的工程能力和创新能力[7]。

　　随着生物产业的飞速发展，发酵工程技术作为生物行业的一门重要技术，在乳制品、食品、制药、生物化工、能源等行业都有着广泛的应用。因此，发酵工程实验是生物、食品等专业的重要实验课程。华东理工大学生物工程专业2016年接受教育部工程教育认证的结果表明，毕业生的工程设计和工程实践能力突出，但解决复杂工程问题的能力有所欠缺。为此，本专业针对发酵实验所具有的周期长、实验设备体积大等特点，尤其是大规模发酵实验在本科教学实验中难以开展的现状，在生物反应器国家重点实验室和国家生化工程技术研究中心(上海)等科研基地的支撑下，将发酵工程虚拟仿真实验引入教学，同时对发酵工程实验进行改革，以强化培养学生的工程实践能力和解决复杂工程问题的能力，以及终身学习、自我发展、独立工作、工程设计、工程开发等能力。

　　一、传统发酵工程实验教学的局限

　　(一)教学手段和方法单一

　　传统的发酵工程实验教学采用学生分组实验的方式，教学形式相对单一[8]，而且实验规模较小，以摇瓶培养为主，因此不能有效培养学生解决实际问题的能力，也无法为学生提供工业发酵的直观感受。同时，由于实验课程学时少(仅32学时)，而微生物的发酵周期长，加上过程烦琐且发酵过程需连续24小时监测，因此学生无法参与发酵的整个过程，也难以在实验室实现发酵工艺的放大，导致对发酵过程的理解和掌握情况不理想，缺乏主动性，实践能力得不到有效培养。

　　(二)无法提供充足的实验装备

　　由于发酵罐价格昂贵，而学生人数众多，因此本科教学实验室很难满足三四人一台发酵罐开展实验的条件。为了解决发酵设备不够的问题，让学生对发酵过程有深刻的认知，一些学校利用国家重点实验室和各团队的科研设备开展实验，但更多的是采用两校区甚至多校区办学方式，这就使得本科生学习场所与教师的科研实验室分隔两地[9]，给学生开展完整的发酵实验带来物理空间上的不便。

　　(三)难以在高校实验室放置大型发酵设备

　　医药工业和食品工业上使用的发酵罐体积多为几百升乃至上千升，占地面积很大，这种工业设备造价昂贵，而且危险系数高、无菌要求高，因此在校内开展实体实验难度大。为了让学生了解大型发酵罐的结构和操作规程，我们一般组织学生到工厂生产一线实习。但是鉴于企业的生产安全及卫生要求，学生只能在企业发酵停歇的时候进行参观，且参观时无法近距离观察，更不能动手操作。因此，在当前的企业实习模式下，学生无法看到发酵的实景和动态过程，更难以深入了解发酵过程。

　　二、虚拟仿真实验平台建设

　　为了弥补传统发酵实验教学的不足，在新工科建设背景下，华东理工大学发酵工程实验教学中心围绕高层次生物类工程实践人才培养目标，依托雄厚的科研实力，以校内上海市级实验教学示范中心为平台，从培养学生的工程能力出发，贯彻CDIO模式“做中学”的理念，搭建了发酵工程虚拟仿真实验平台。该平台的虚拟仿真实验贯穿实验室研发到发酵罐中试生产的整个过程，可重点培养学生解决复杂工程问题的能力。

　　(一)发酵工程虚拟仿真实验资源建设

　　虚拟仿真实验平台包含“糖化酶催化啤酒发酵工艺虚拟仿真实验”“酵母菌与大肠杆菌生物发酵虚拟仿真实验”“黑曲霉发酵产酶3D虚拟仿真实验”“30吨林可霉素发酵虚拟仿真实验”共4个实验模块。其中，前两个实验模块于2017年入选上海市首批虚拟仿真实验教学项目，并于2018年入选国家级虚拟仿真实验教学项目;后两个实验模块于2019年获得校级立项。

　　“糖化酶催化啤酒发酵工艺虚拟仿真实验”是基于本校获得国家技术发明二等奖的项目“定向转化多元醇的生物催化剂创制及其应用关键技术”和“863”计划项目“啤酒用新酶创制与低碳制造关键技术研究”而设计的，并充分吸收了青岛啤酒厂实际转化的经验，可以模拟利用酶将原料中高分子不溶物催化分解为可溶性小分子物质，再通过酵母发酵得到饮料酒的过程，其工艺流程如图1所示。

　　“酵母菌与大肠杆菌生物发酵虚拟仿真实验”是基于我校“973”项目“工业生物技术的过程科学基础研究———生化反应过程放大原理与方法”和“863”重点项目“红霉素发酵工业用菌种改造与过程优化控制技术”而设计的，可以模拟工厂车间毕赤酵母、大肠杆菌和青霉菌大规模发酵工艺系统的操作及过程控制，其工艺流程如图2所示。

　　“黑曲霉发酵产酶3D虚拟仿真实验”依托我们与国际DSM公司的合作项目，以上海国强生化工程装备有限公司的技术转化经验为支撑，构建了高真度、高完整度的大型生物发酵生产系统，还配备了关于发酵设备工作过程、运行原理及注意事项的3D动画视频，其工艺流程如图3所示。

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　　“30吨林可霉素发酵虚拟仿真实验”是基于林可链霉菌在30吨发酵罐中的发酵过程，由种子的生长状态、发酵过程中的气液混合、氧气传递等微观层面和发酵罐的实罐灭菌、无菌移种、传热及传质设计等宏观层面相结合搭建而成的，其工艺流程如图4所示。

　　(二)发酵工程虚拟仿真实验平台的建设特色

　　1.真实还原发酵生产的全过程

　　该虚拟仿真实验平台将实验教学内容、虚拟发酵设备和实验对象有机融合，真实还原了生物图430吨林可霉素发酵虚拟仿真实验工艺流程制品发酵车间的实景，注重发酵生产过程整体的催化工艺流程，可以让学生感受到真实生产环境下的实验操作，有助于提高学生的工程实践能力和过程分析能力。

　　2.科研项目反哺实验教学

　　我们将教师最新的科研项目成果引入虚拟仿真实验教学中，为学生带来最前沿的实验教学内容，通过情景体验式教学，让学生体会到实验室科研成果在生物产业发展中的作用，培养学生主动探索的精神，激发学生的专业兴趣，推动实验教学与科研的良性互动。

　　3.虚拟仿真实验设计与企业需求接轨

　　实验中心与用人单位建立了企业需求和人才评价反馈的长期合作机制，在虚拟仿真项目建设时，充分利用上海国强生化工程装备有限公司、青岛啤酒厂、天方药业有限公司等校企合作的产学研资源，依托与国际DSM公司的合作项目，从工厂操作过程的实际需求出发，形成了具有鲜明工程实践特色、能满足学生操作实践的系统化实验教学配置，有助于提升学生解决实际工业问题的能力。

　　4.设置故障停车及低产量实验模块

　　除了正常的发酵流程外，我们在虚拟仿真实验中还增设了故障停车模块和低产量情景模块，可以模拟阀门开启不当导致的压力升高、发酵罐染菌、pH过低抑制酶活性、溶解氧低、发酵温度过高等状况以及发酵条件不合适和发酵操作不当带来的后果。利用该模块，教师可以有针对性地引导学生进行多层次的实验训练，做到“一人一方案”的个性化实验教学，培养学生解决复杂工程问题的能力。

　　5.融入国际工程化生产规范知识

　　在进行虚拟仿真实验场景设置时，我们加入了国际化生产管理规范知识(包括车间管理制度、仪器设备管理制度、发酵车间安全制度等)，引导学生熟悉生产规范，充分吸收国际化的工程生产理念，提升学生的安全生产意识，拓展学生的国际化工程视野。

　　三、虚拟仿真实验的应用效果及推广

　　(一)毕业生在本行业就业的比例增加　　自2016年建设发酵工程虚拟仿真实验平台后，学生依托该平台，可以真切地感知发酵车间的实景，清楚地了解发酵全过程的设备选型和工艺控制，其专业兴趣明显提高。统计表明，从2017年起，毕业生直接进入生物相关行业就业的比例有了一定的提升，如图5所示。

　　(二)用人单位对本专业毕业生的认可度提高

　　2019年针对用人单位的调查显示，30家用人单位对生物工程专业毕业生总体上比较满意，满意度达到93%;企业对学生各方面的能力评价较高，评分基本在8.6分(满分10分)以上。具体而言，用人单位对毕业生的“职业道德”“专业水平”“工作绩效”的评分都在9.0分以上。在工作能力各项指标中，毕业生在“工作适应能力”“逻辑思维能力”“实践动手能力”“科学研究能力”“解决问题能力”方面的得分都高于9.0分。这在一定程度上说明虚拟仿真实验的开展提升了本专业毕业生的学习能力、实践动手能力和独立工作能力，满足了企业对人才的需求。

　　(三)助力抗疫时期的实验教学

　　虚拟仿真实验依托计算机与互联网开展，因此学生可以不受时间和场地限制，随时随地进行虚拟仿真操作，完成自主学习。在2020年新冠肺炎疫情期间，发酵工程虚拟仿真实验平台为生物工程专业学生提供了发酵工程实验，为食品科学与工程专业学生提供了食品工程原理实验和食品工艺学实验的部分内容，为实验教学任务的顺利完成提供了保障。

　　(四)辐射效应明显

　　当前，发酵工程虚拟仿真实验平台辐射至食品、药学、材料、环境等专业，向全校师生开放。其中某些简单的虚拟仿真实验模块作为生物类科普教育基地的重要内容向中学生开放，以帮助中学生了解发酵工艺流程。此外，该平台还加入了高校生物联盟，实现了优质实验教学资源的共享;同时向传统发酵行业的企业用户开放，促进企业升级改革。

　　四、结语

　　在新工科建设背景下，基于CDIO工程教育模式进行发酵工程实验教学改革，培养具有较强工程实践能力的应用型人才，是实现国家战略目标的重要途径。虚拟仿真实验的建设是高科技时代实验教学改革的方向。将虚拟仿真实验应用于发酵工程实验教学，是对传统发酵工程实验的补充，有利于提高实验教学质量，强化学生对发酵全过程的认识，提升学生的工程实践能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。——论文作者：王启要1，张蕾蕾1，常雅宁1，范惠明2，高淑红1，李书慧3，庄英萍1

文章名称：新工科背景下以CDIO理念为引领的虚拟仿真实验教学探索与实践

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