1 引言
虚拟仿真实验教学是推进现代信息技术与实验教学深度融合，提高实验教学质量和水平的重要举措，对于培养新工科背景下的创新性人才具有重要的作用。[1]自2013年教育部开展虚拟仿真实验教学资源建设以来，各高校在虚拟仿真实验中心和实验项目建设方面进行了积极地探索和建设，尤其是对于高危险性、高成本的生物医药化工类相关学科，虚拟仿真实验项目的引入在创新性实践人才培养方面取得了良好的效果。[2]针对本专业一些线下开设难度大但现代生物产业必需的实验课程，发挥产学合作优势，加强了虚拟仿真实验项目的建设和应用。本文在分析生物工程综合实验教学现状的基础上，以重组疫苗生产细胞株构建虚拟仿真实验为例，介绍其建设思路及应用效果，以期为其他课程虚拟仿真项目的建设和应用提供一定的参考。
2 生物工程综合实验教学现状
生物工程综合实验作为生物工程专业的核心实验课程，是一门综合应用分子生物学、微生物发酵、生化分离工程、酶工程等多学科知识，以生产各种生物工程产品的实践性课程。实验内容涵盖细胞株构建、微生物发酵、产物提取、微生物固定化、分离提取等单元操作、基本原理及其生产工艺，从而使学生得到全过程、全方面训练，提升学生的实践能力和职业素养。然而，传统的生物工程综合实验课采用教师现场教授示范，学生动手操作的单一线下教学模式，存在以下问题：
2.1 实验教学时长不足
针对生物工程产品种类丰富，生产工艺各异的特点，我校生物工程专业开设的生物工程综合实验共计涵盖10个子实验。对于每个子实验项目，从教师讲授、示范、学生操作、反应过程监控及后期分析等过程耗时长。然而在有限的4周课时内，学生很难有试错的时间和机会，因此在实验设计上多数为验证性实验，综合性、探索性实验相对较少。因此，线下实验教学带来的课时不足问题，将直接影响到学生实践能力的训练水平。
2.2 实验内容选择范围窄
生物工程专业是一门综合性很强的学科，可利用生物技术开发和改造生物资源，为社会提供大量多样化的产品，包括生化药物、化工原料、能源、生物防治剂及食品和饮料等。疫苗作为预防传染病的关键工具，能够有效保障公共卫生安全，尤其是新冠病毒等新发传染病的出现，疫苗研发和生产的重要性日益凸显。因此，疫苗制备技术亦成为生物工程专业学生必需的专业技能。然而，由于疫苗生产过程中涉及步骤较多，配套仪器设备价格昂贵，加之某些疫苗对于实验室安全等级存在特别要求，生物工程专业线下开展疫苗制备相关实验难以实现。这些将导致生物工程学生关于疫苗生产仅停留在理论阶段，无法获得相关的操作技能训练，在一定程度上限制了学生的培养质量。
2.3 传统线下实验模式难以实现重复性学习
生物工程综合性实验是一种培养学生应用多种生物技术和手段，生产某种生物工程产品为导向的综合性训练。实验内容涵盖了生物工程产品生产相关的多种生物学技术，实验过程长。学生作为初学者，很难在一次实验操作中掌握产品生产过程中的所有专业技能。同时，目前学生实验技能学习效果绝大多数仍以实验最终结果进行判断，很难反映出学生对某一实验环节或实验技能的具体掌握情况。即使授课教师可通过观察学生实验过程中的具体操作发现学生操作过程中的薄弱环节，但传统的生物工程综合实验受制于教学资源不足、开设成本高、实验过程的连续性等诸多因素，学生很难对薄弱的实验环节和技能进行重复性训练，无法达到综合性训练的教学目标。
3 虚拟仿真实验项目的建设与实践
针对传统生物工程综合实验目前存在的问题，本团队联合慕乐网络科技（大连）有限公司共同开发了“重组疫苗生产细胞株构建”虚拟仿真实验教学项目，以满足学生对疫苗生产进行实践训练的需求。
3.1 虚拟仿真实验的教学理论基础
重组蛋白疫苗作为一种特殊的亚单位疫苗，因其安全性高、长期免疫、多重免疫应答、抗变异能力强等优势，是疫苗研发和临床应用的主要疫苗之一。重组蛋白疫苗制备的技术瓶颈之一就是细胞株的构建。本实验选择生产中最常用的哺乳动物细胞——中国仓鼠卵巢细胞（CHO）为细胞表达系统。与原核表达系统、酵母表达系统和昆虫表达系统相比，哺乳动物细胞具有更类似人类细胞的翻译后修饰系统，广泛用于重组蛋白疫苗的生产。
3.2 虚拟仿真实验的教学设计与实施
本虚拟仿真实验按照标准的细胞株构建流程进行实验步骤设计，涉及细胞培养、细胞电转化、血球计数板使用、细胞发酵和ELISA法测定蛋白表达量等多个子实验。基于虚拟仿真实验环境，学生既能够直观地理解细胞株构建的基本原理和微观细节，又能够虚拟操作细胞株构建的全过程，从而有效提升学生的自主学习能力和实验操作技能。
本校生物工程综合实验在大四第一学期开设，学生已经系统完成了细胞工程、基因工程和分子生物学等专业课程的理论知识学习。课前教师通过学习通发布细胞培养、电转化、重组蛋白表达与测定等知识点相关的资料和习题，帮助学生回忆细胞株构建实验的关键理论知识。课上，进入虚拟教学实验项目前，先由学生围绕“疫苗常见类型”、“重组蛋白疫苗的优势和市场价值”、“重组蛋白疫苗的生产原理”等问题展开讨论，由教师进行引导学生进行自主分析，最后对关键理论知识点进行总结。随后，学生进入虚拟平台对实验涉及的多个子实验进行逐一操作，操作过程伴随字幕提示和教师讲解，通过3D逼真的实验操作，使学生对重组疫苗细胞株构建的完整环节进行学习和相关技能训练。实验过程中，虚拟仿真实验系统将根据学生对某一实验环节的具体操作提供小测成绩并自动记录。若学生在某一实验环节得分较低，则说明该学生未能较好地掌握相应的实验技能。基于实验环节小测成绩，学生可对薄弱的实验环节进行有针对性地、重复性地练习，以保障学生掌握重组疫苗细胞株构建相关的所有实验技能。学生最终实验成绩由过程性评价和实验报告两部分组成，过程性评价包括课前学习通实验预习和作业完成情况、课上小组讨论和虚拟实验操作，从而对学生的学习情况进行全面地全过程评价。
本虚拟仿真实验项目建设和应用以来，学生的课堂主动参与度、实验操作技能均有了很大程度地提升，在生物工程综合实验中引入虚拟仿真实验项目对于学生理论和实践知识体系、提高分析和解决问题的创新能力以及增强学生的专业认知感和责任感等方面均有显著的应用效果。
4 结束语
基于产学合作优势开发虚拟仿真实验教学项目，为因实验资源、课时和安全性等问题无法开设的实验提供了很好地解决方案，是传统实验教学的重要补充。线上线下混合式的生物工程综合实验教学体系，更符合新工科背景下高校人才培养的需求，有利于培养学生的实践能力和创新能力，提升生物工程专业人才培养质量。
参考文献
[1] 教育部高等教育司. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知. 2013-8-13.
[2] 陈静, 沈立, 程刚, 等. 药物化学虚拟仿真实验教学项目建设与思考. 基础医学教育, 2022, 26(3): 259-264.