侯 景，柳海燕，刘青娥，叶选怡

（丽水学院生态学院,浙江 丽水 323000）

随着互联网、大数据、虚拟现实、人工智能和区块链等信息化技术的不断发展，全球化信息传递和知识更迭速度加快，传统课堂讲授的教学方式已不能满足现代教学需求，开放发展线上教学、混合式教学和虚拟仿真教学等教学新模式与日俱增[1]。教育部高等教育司司长吴岩在第十一届“中国大学教学论坛”上强调，要大力打造有深度、有难度、有挑战度的“金课”。国家虚拟仿真实验教学课程是教育部提出的五大“金课”之一[2]。虚拟仿真实验教学是“智能+教育”的先进教学模式和教学理念，它应用虚拟现实技术为学生提供一个生动、逼真、可视化和可互动的学习和实验环境[3-4]，真正做到了将信息技术、智能技术与实验教学的深度融合，破解了高等学校实验实训中的老大难问题，解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题。

当今生物医药产业的发展日新月异，需要大量专业的生物医药技术人才进行匹配和支撑，而适合现代医药产业发展的人才培养离不开生物制药专业实践教学体系的改革和创新[5-6]。以抗体工程课程为例，为满足市场对人源化单克隆抗体等新兴生物技术药物开发人才培养的新要求，抗体工程成为生物制药专业人才培养方案中的特色专业课程，而抗体工程实验实训是生物医药人才培养体系中的重要环节。该课程主要介绍单克隆抗体、纳米抗体、人源化抗体等新型抗体药物的制备和应用等方面的基础知识及发展趋势，涉及范围广泛。但在传统抗体工程实验教学中，由于人源化抗体存在开发周期长、成本高、操作难度大、实验设备以及实验环境要求高等难题，实验实训难以开展，导致学生的实验技能训练与生产实践脱节，无法实现培养生物制药学生生产实践能力的目标。虚拟仿真技术很好地克服了抗体工程实验教学无法开展的困难，成为应用在生物制药实践教学中的先进技术手段[7]。因此，本文以抗体工程课程作为研究对象，探索虚拟仿真技术在实验教学中应用的新模式，实现实验教学虚实有机结合，弥补传统实验教学的缺陷，推动抗体工程实验实训课程的教学改革，促进教学质量和水平的提高。

1 虚拟仿真技术在抗体工程实验教学中应用的必要性

1.1 解决现有教学资源与生物制药应用型人才需求间的矛盾

人源化抗体药物是目前抗体药物生产的主流产品[8]，但学生只能通过理论学习了解人源化抗体的生产工艺。目前传统抗体工程实验教学与实际生产相脱节，学生很难将所学的知识直接应用于实际生产，无法满足市场对生物制药专业人才的需求。因此，我们依照生物制药专业人才培养目标，结合长三角区域抗体技术产业蓬勃发展趋势[9]，将目前抗体药物市场的明星产品——PD-1人源化单抗的制备作为抗体工程实验的应用案例开展实践教学，具有教学示范意义。利用虚拟仿真技术整合、优化教学内容与实验实训，模拟PD-1抗体药物制备工艺仿真的虚拟仿真教学平台建设，实现更高水平的“教、学、做”一体化教学理念，培养具有生物药物生产、质量控制等能力的应用技术人才[10-11]。

1.2 解决实验开展过程中“易看难动手”的困难

首先，在人源化抗体的实际生产制备过程中，CHO细胞表达抗体成本高；涉及细胞培养、筛选、鉴定等多个步骤，培养周期长；CHO细胞重组和筛选困难；操作环境无菌要求严格，实验室无法提供足够的实验操作场所。其次，抗体分离纯化技术环节多，且需要操作快速蛋白液相色谱（Fast protein liquid chromatography，FPLC）等大型分离纯化系统，操作复杂并具有一定的危险性，学生很难有实际操作的机会。最后，该项目实施需要数月的时间，受实验学时和实验操作难度的限制，学生无法清晰了解人源化抗体药物制备的完整流程。通过虚拟仿真技术可将人源化抗体制备各部分内容有机整合在一起成为虚拟实验教学系统，向学生提供模块化、标准化教学资源，解决了学习中“易看难动手”的缺点，突破传统实验教学的限制，丰富教学内容，发挥时时能学、处处能做的优势，提供高效和可行的培养模式。

2 虚拟仿真实验教学模块设计及操作平台建设

抗体工程虚拟仿真实验教学可实现真实实验难以完成的教学功能，解决高成本、高消耗、长周期等实验问题，提供了可靠、低成本和高真实性的实验教学方案。根据抗体工程实验教学应用性强的特点，结合现代抗体药物生产企业的生产需求，构建了“PD-1人源化单抗的筛选、制备及鉴定虚拟仿真实验教学”体系。

2.1 虚拟仿真实验教学模块设计

该体系构建了理论学习、虚拟仿真情境实训、实训能力考核及实训后的总结分析等完整教学体系（图1），涵盖人源化抗体生产的全过程。虚拟仿真情境实训场景主要包括抗体高表达细胞株开发和筛选、细胞放大培养以及人源化抗体的分离纯化3个模块（图2）。模块一，抗体高表达细胞株开发：需完成电转化构建重组CHO细胞、CHO细胞加压筛选、单克隆细胞筛选、细胞库构建等操作；模块二，细胞放大培养：需完成细胞微载体培养、CHO细胞驯化和发酵罐放大培养等操作；模块三，抗体的分离纯化工艺：需完成发酵液的离心收集、过滤、层析分离纯化和鉴定等操作。学生通过虚拟仿真实验探究式学习和游戏闯关式的实验技能训练，深刻领会人源化单抗药物开发的基本流程，对抗体药物生产行业形成具象化认识。

图1 PD-1人源化单抗制备虚拟仿真实验教学系统设计架构

图2 PD-1人源化抗体制备虚拟仿真平台

2.2 虚拟仿真实验教学操作平台建设

抗体工程虚拟仿真实验教学平台的每一模块都包含理论学习板块，教学平台可为学生推送本实训模块相关的理论学习知识点，可满足学生的实验预习、问题咨询，并进行相应知识的习题训练。完成理论学习之后学生可进入虚拟仿真实验教学实训平台，进行PD-1人源化单抗的筛选、制备及鉴定的虚拟仿真实验的操作视频观摩和操作实训（图2），通过本环节学生可清晰了解人源化单抗制备的全流程操作。情境实训结束后，学生可进行抗体工程虚拟实验操作考核，完成实验报告，并由系统自动评定考核成绩。最后，学生可以根据虚拟仿真实验操作情况在线提问交流、教师安排答疑，实现生生间、师生间零距离互动，并对学生的学习效果进行评价。

3 虚拟仿真实验教学平台的应用案例

PD-1人源化单抗的筛选、制备及鉴定的虚拟仿真实验目前已应用到丽水学院生物制药专业抗体工程实验课程中，构建了更完善的抗体工程实验教学体系。该实验教学将虚拟仿真实验教学和学生实体实验操作有机结合在一起，采用“课堂讲授、实体实验、虚拟实验、考核评价、分析讨论”全过程的“虚实结合”的混合式教学过程（图3所示），将情景再现式教学、探究式教学和游戏闯关式的实验技能训练贯穿在虚拟仿真实验教学过程中，在培养学生实践能力的同时，充分调动学生的兴趣和积极性。

图3 虚拟仿真实验教学模式实际应用案例

3.1 课堂讲授

在学生学习抗体工程理论课程相应知识的基础上，教师首先通过文字、图片形式对PD-1人源化抗体基因的构建原理、方法及意义进行讲解，再介绍本项目的实验目的、原理和步骤，并在多媒体实验室演示虚拟仿真实验操作，让学生充分熟悉PD-1人源化抗体生产制备的基本流程。

3.2 实体实验

在教师的引导下，学生进行抗体工程实体实验操作，在实验室学习细胞培养基的配置、试剂耗材的灭菌、哺乳动物细胞CHO的培养、细胞复苏、冻存和细胞计数等基本实验操作，掌握细胞培养技能。

3.3 虚拟仿真实验

学生登录进入该虚拟仿真实验项目，通过点击“项目简介”栏目了解该项目的主要目的和原理；点击“虚拟实验”栏目，进入抗体高表达细胞株的筛选、细胞放大培养、抗体分子的纯化三个模块，完成人源化抗体制备实验，通过学生的交互式操作和系统自动打分，考核学生对每一模块中的操作要点的掌握情况。

3.4 考核评价

学生通过虚拟仿真实验平台进行预习、观摩、仿真实训，并完成虚拟仿真实验考核，增加了实验趣味性和学习效果。实验结束后，学生在线提交实验报告，教师根据实验报告的成绩和学习记录可以评价学生的学习情况和实验重难点掌握情况。

3.5 分析讨论

软件具备自动操作步骤评分和思考题测验的功能，用于检验学生对该实验的掌握情况。实验完成后学生可在线讨论专区交流提问，教师答疑和评价，及时反馈和解决实验中存在的问题。

4 虚拟仿真技术在抗体工程实验教学中应用的成效

4.1 丰富实验教学内容

抗体工程实验课程由于课时、经费、场地等因素限制，人源化抗体、小分子抗体制备等实验都无法让学生亲自动手操作，只能通过传统课堂讲授和文字、图片获得理论上的认识。虚拟仿真实验以人源化抗体药物的明星产品PD-1单抗为代表，把先进的生产技术和生产流程展示给学生，既丰富了抗体工程实验的内容，开阔了学生的视野，又把科学问题和生产实践相结合，具有前沿性和先进性。同时，学生可以第一视角的体验和交互模式对人源化单抗制备实验进行操作，实现了实际生产的再现还原，将实验室不可能开展的实验变成了可能，学生如同亲临实境，实验操作也更加真实、生动。

4.2 创新实验教学方法

抗体工程实验课程采用了“虚实结合，以虚补实”的混合式教学方法开展实验教学。学生通过实体实验练习CHO细胞实验的准备工作，细胞的培养、复苏和冻存等基本实验操作，之后进入软件操作模块模拟操作PD-1重组细胞的构建、筛选和鉴定、抗体分离纯化的过程，实现从“做中学”，让学生真正掌握人源化抗体制备的完整流程。抗体工程虚拟仿真实验教学借鉴游戏“闯关式”设计思路将实验流程设计成3个模块，学生必须领会、掌握每一个知识点设计，完成第一模块实验才能依次进入下一模块。通过戏挑战式环节的设计，吸引学生注意力，增加学生操作的乐趣，培养学生勇于挑战的精神。同时，采用探究式教学方法鼓励学生根据抗体纯度的不同要求自主设计实验方案，将自主学习、互助学习、研究性学习有机结合，培养学生分析问题、解决问题的实践能力，同时激发学生学习兴趣、开拓创新思维。

4.3 提升实验教学效果

虚拟仿真实验教学具有交互性、开放性和易操作的特点，改变了传统理论授课和实验教学方式，学生可以借助于便利网络环境，打破时间、空间的限制，随时随地地开展实验，提高了实验操作的自由度[12]。因此，抗体工程利用虚拟仿真实验，通过虚实结合的混合式教学模式开展实验教学，节省了实验操作的时间和成本，实现了师生间无障碍互动，增加了学生实验操作的主观能动性，显著提高了教学质量和效率。通过开放式的实验模块的训练，加深学生对人源化单抗制备相关理论知识和技术流程的理解，培养了学生团队协作精神和自主设计实验方案的能力，提高学生的综合素质，达到掌握相应知识点和培养实践创新能力的教学效果。目前本项目的虚拟仿真实验教学平台已开展4轮以上的实验教学，并向兄弟院校免费开放使用，受到了广大师生的一致好评。

5 结语

利用虚拟仿真技术可将PD-1人源化抗体制备的实际生产案例引入到抗体工程实验教学中，是对传统教学模式的补充和延伸，同时也提高了学生对专业知识的学习热情，更加符合生物制药产业应用型、创新型人才培养的需求[13-14]。在新冠疫情期间，虚拟仿真实验教学实现了实践类课程的停课不停学以及教学资源的开放共享[15-16]，展现了明显的教学优势。总的来说，虚拟仿真实验教学是教育信息化的重要手段，是未来生物类、制药类实验教学改革发展的必然趋势[17]。