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PROJECT INTRODUCTION

项目简介

《生物制药综合实验》是生物制药专业(工学)核心主干课程,其中发酵罐生产是课程大纲要求的教学内容和核心知识点。我们设置的相对应内容是“药用菌物灵芝发酵生产”,既保证了专业实践教学内容的正常实施,也赋予了实验内容一定的中医药特色。该课程环节工程实践性强,对实践教学要求高,只有通过学生亲身参与实验,才能让学生真正了解到作为生物反应器的巨型发酵罐——灵芝发酵生产的核心设备,这也是生物制药专业学生必须掌握的关键设备之一。生物医药是国家七大战略新兴产业之一,生物反应器工程是与基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等相提并论的现代生物工程之一,它是衡量一个国家生物工程水平的重要标志。药用菌物在中国有悠久应用历史,对药用真菌的开发利用已从早期的使用子实体配伍入药发展到工业深层发酵。传统的灵芝的人工栽培技术其过程耗时费力、产品质量不可控,因此采用先进的现代发酵工程技术生产灵芝成为主流。然而,灵芝发酵生产相关的实验教学面临着种种问题:(1)发酵罐在操作过程中必然会用到高温(121℃以上)、高压(0.1 MPa以上)等极限条件,其积聚的大量能量容易造成超限操作发生的突然爆炸,后果十分严重,具有超强的危险性;(2)灵芝发酵设备价格高、投料成本高、维护费用高,很少有院校会投入大量资金建设实验室,极大的限制了实体实验引入专业教学。即便学校购进了发酵罐,学生在实验过程也会由于仪器设备数量少、生产条件复杂和实验周期长等原因不能全面的了解生产过程。这就很大地限制了学生对灵芝发酵生产的相关知识的掌握和技能的培养;(3)生物反应机理比较复杂,发酵罐的实际操作专业性强,发酵周期长,发酵过程中任何配置参数的失误往往导致前功尽弃,学生无法进行后续的实验操作,存在过程不可逆、不可重复等缺点;(4)灵芝发酵生产不可避免地造成废水、废菌渣等的产生,下游处理困难,对环境造成一定的污染。针对上述问题,本项目依托南京中医药大学“双一流”建设学科、国家重点学科、江苏省优势学科中药学,国家级一流本科专业药学,省级一流本科专业建设点生物制药(中外合作办学),以及中药学类国家实验教学示范中心、中药学类国家虚拟仿真实验教学中心,以相关科研和教学成果为基础,为《生物制药综合实验》课程自主研发了药用菌物灵芝发酵生产虚拟仿真实验。本实验项目让学生身临其境地感受巨型发酵罐的巧秒设计和生产过程,触发学生对守正创新精神的理解,本着把每一道工序完成得尽善尽美的要求和对发酵技术精益求精的追求,对名贵中药灵芝生产进行严格的设计、操作和测试要求,虚拟发酵生产出优质的灵芝产品。本项目坚持“以学生为中心”的教学理念,从学生的需求出发,在“原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜”的指导原则下,通过理论讲解、内容分析、实践操作的协同实施,采用个性化、智能化、泛在化的教学模式,增强学生创新创造能力、实践能力、分析能力。本项目以药学、中药学、制药工程、生物制药(中外合作办学)等专业教学实验信息化需求为导向,以我校已建立完善的项目实验教学内容为基础。围绕培养液的配制、在线灭菌、接种、发酵过程控制等关键步骤,让学生系统掌握生物发酵技术单元的操作要点,直接与实际生产应用相关联,提升实践应用能力。本项目内置丰富的学习模式:演示模式下可通过视频学习发酵罐的工作原理和操作规范;练习模式下查看发酵各环节操作界面及使用场景;考核模式下进行习题考核及操作考核。本项目通过内嵌VR、AR相关的虚拟场景和互动互演,重点实行基于问题和案例的互动式、研讨式教学,倡导自主式、合作式、探究式学习。项目内置理论讲解、案例分析、流程演练、人机互演、远程讨论等多种实践教学方式,同时支持智能讨论、智能考勤、智能录播等套件接入。通过创新多样的教学方式方法的协同使用,搭建基于互联网+的实践教学创新平台。针对我校南京校区、泰州校区同步运行管理的现状,并考虑药学、中药学、制药工程、生物制药(中外合作办学)等不同专业、不同层次学生接入项目的实际需求,将采用双平台搭建模式。学生可通过南京中医药大学校园网虚拟仿真建设平台接入,或在校外通过在线私有实验空间服务器模式的账号登录接入。双平台数据同步,支持平板端、PC端等多平台的互动,共同搭建具有开放性、扩展性、兼容性的项目运行平台。本项目以智能AI技术为依托,对项目内置的自动考核功能、学生使用习惯、教师考核、学生互评等多维度考核内容进行大数据分析,同时根据课前、课内、课后、考核等多阶段数据分析结果,为学生建立实时实训报告。学生可在线实时反馈项目使用效果,持续改进教学评价机制。此虚拟仿真系统采用C#开发语言,基于Unity开发引擎发布的WebGl版本的应用,主要采用WebSocket协议实现与服务器的通信和数据传输,3DMAX和Maya实现3D图形可视化。系统运行平台:Windows8/Windows10,火狐浏览器、谷歌浏览器(64位)。用户使用轻便化,无需下载安装应用,直接打开网页即可运行该虚拟仿真系统。运用此系统开展《药用菌物灵芝发酵生产虚拟仿真实验》教学,有利于调动学生参与实验教学的积极性和主动性,使学生在自主交互的虚拟环境中高效地完成实验,并从整体上加深学生对灵芝生物反应过程的认识,大大提升工科学生实践能力和增强创新创造能力,同时必将进一步提高相关课程的实践教学水平。该教学过程紧跟空间结构日新月异的发展趋势,实现将生物制药前沿科研成果反哺实验实践教学,将社会责任、职业道德、工程伦理等思政要素植入教学项目,将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给本专业学生,真正将立德树人融入教学全过程、各环节。