《生物工程下游技術(shù)》課程教學(xué)改革——以工管結(jié)合為背景

劉增然，張光一

（河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061）

生物產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，形成了以生物醫(yī)藥為先導(dǎo)、生物農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)、生物制造蓄勢(shì)待發(fā)的發(fā)展格局。發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，走中國(guó)特色新型工業(yè)化道路，迫切需要培養(yǎng)一大批能適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程人才。但是長(zhǎng)期以來我國(guó)高等工程教育與工業(yè)界脫節(jié)，畢業(yè)生專業(yè)面窄、工程實(shí)踐能力差，難以滿足社會(huì)需求；教師隊(duì)伍普遍存在學(xué)歷高、工程素質(zhì)差、產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)少等現(xiàn)象。如何培養(yǎng)符合社會(huì)發(fā)展需求的工程人才是工科專業(yè)改革面臨的關(guān)鍵問題。

河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)作為地方重點(diǎn)建設(shè)的高校，生物工程專業(yè)人才培養(yǎng)定位：立足河北，面向工業(yè)界，適應(yīng)河北生物產(chǎn)業(yè)和“大醫(yī)藥”發(fā)展需要。因此，我們結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐，開展以工程生產(chǎn)為導(dǎo)向、工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)地方大學(xué)應(yīng)用型生物人才培養(yǎng)模式進(jìn)行探索；旨在通過搭建理論知識(shí)與工程應(yīng)用的橋梁，培養(yǎng)具有較強(qiáng)的工程意識(shí)、較高的社會(huì)能力、良好的綜合素質(zhì)，懂技術(shù)、會(huì)管理、善經(jīng)營(yíng)的生物工程人才。

一、課程內(nèi)容重構(gòu)

應(yīng)用型人才必須具備用專業(yè)知識(shí)和技能解決實(shí)際生產(chǎn)問題的意識(shí)和能力，因此我們的課程內(nèi)容設(shè)置以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心，以滿足生物工程產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向。課程內(nèi)容分為應(yīng)用基礎(chǔ)部分（以夠用為度）、案例研究部分和企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用部分，突出以應(yīng)用研究、工程項(xiàng)目為載體的案例教學(xué)，強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)與產(chǎn)品生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合，滲透過程開發(fā)、經(jīng)營(yíng)管理與產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益分析等內(nèi)容，普及質(zhì)量管理、污物處理、可持續(xù)發(fā)展的理念（見圖1）。

圖1 課程內(nèi)容設(shè)置

通過課程內(nèi)容的科學(xué)設(shè)置，促進(jìn)學(xué)生從單學(xué)科思維向跨學(xué)科思維轉(zhuǎn)變；培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用、環(huán)保等可持續(xù)生產(chǎn)問題，進(jìn)行產(chǎn)品效益分析的能力；促進(jìn)具有工程背景、面向工業(yè)界的高素質(zhì)工程人才培養(yǎng)，提高學(xué)生綜合能力。

二、教學(xué)模式改革

為了有效培養(yǎng)工程應(yīng)用人才，課程教學(xué)基于CDIO[1]工程教育理念，著力推動(dòng)基于項(xiàng)目、案例和問題的多種教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；培養(yǎng)學(xué)生工程能力、終身學(xué)習(xí)能力和社會(huì)實(shí)踐能力。

（一）情景教學(xué)

在教學(xué)過程中，對(duì)課程知識(shí)進(jìn)行整合，將知識(shí)融合到案例中，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與生物制品純化技術(shù)的探究；強(qiáng)調(diào)教學(xué)的針對(duì)性、實(shí)用性和靈活性；鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑、發(fā)表見解，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的意義建構(gòu)。

如用“乳酸菌表達(dá)抗菌素的純化策略研究”[2]科研案例引出生物制品高度純化技術(shù)，包括C18固相萃取、吸附解吸法、離子交換色譜、反相高效液相色譜、SDS-PAGE；以“構(gòu)巢曲霉蛋白組的純化”[3]案例講授如何采用一步親和純化分離不同的目的蛋白，如何減少純化步驟、降低成本；用“啤酒生產(chǎn)的膜過濾應(yīng)用”[4]講授膜過濾方法的應(yīng)用和發(fā)展。通過案例分析，歸納總結(jié)相關(guān)技術(shù)的原理、應(yīng)用策略和經(jīng)驗(yàn)；使學(xué)生了解生物制品生產(chǎn)條件溫和、安全性高，純化過程復(fù)雜、成本高，純化方法選擇要慎重。

（二）項(xiàng)目教學(xué)

借助綜合性項(xiàng)目，創(chuàng)設(shè)復(fù)雜問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)科交叉視野下，合作解決真實(shí)問題，經(jīng)歷技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)挑戰(zhàn)?；陧?xiàng)目的教學(xué)，營(yíng)造合作、探究式學(xué)習(xí)氛圍，利于引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究；以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，注重過程，強(qiáng)調(diào)參與；實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目實(shí)踐中掌握知識(shí)，在知識(shí)學(xué)習(xí)中完成項(xiàng)目。

課程提供的項(xiàng)目：謝氏丙酸桿菌（Propionibacterium shermanii）厭氧發(fā)酵生產(chǎn)維生素B12。教師提出項(xiàng)目研究框架和探索的問題，引導(dǎo)學(xué)生搜集資料；通過與學(xué)生交流互動(dòng)、解答問題，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，引導(dǎo)學(xué)生順利完成任務(wù)。學(xué)生6人一組，協(xié)作完成資料搜集與分析、假設(shè)提出與驗(yàn)證、計(jì)劃制定與研發(fā)、生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)建設(shè)和研究報(bào)告撰寫等過程。學(xué)生通過上網(wǎng)、咨詢等途徑搜集資料，分析提煉，小組會(huì)話，確定思路；與教師討論，進(jìn)一步確定項(xiàng)目實(shí)施方案。

學(xué)生通過完成資料搜集、分析、設(shè)計(jì)、模擬實(shí)施的整個(gè)過程，掌握生物制品研發(fā)生產(chǎn)的一般步驟（見圖2）和理念。在選擇生物制品的純化方法時(shí)，以產(chǎn)品應(yīng)用目的和利潤(rùn)回報(bào)為主線，統(tǒng)籌考慮特定方法的處理量、速度、分辨率和得率，盡可能減少純化步驟和環(huán)境污染，降低設(shè)備投資等。如蛋白酶純化方法的選擇。（1）用動(dòng)物飼料添加劑，則發(fā)酵液除去細(xì)胞，不需純化，直接產(chǎn)品化。（2）用于工業(yè)生產(chǎn)（如淀粉水解酶），則需要部分純化。收集發(fā)酵上清液，沉淀蛋白，再經(jīng)1～2步純化，獲得較純蛋白，再產(chǎn)品化。（3）用于分析檢測(cè)（如葡萄糖氧化酶）或作為藥物蛋白（如TPA），則需要高度純化。先經(jīng)細(xì)胞收集裂解，胞內(nèi)組分除雜和蛋白沉淀，再經(jīng)3～4步后純化獲得高純蛋白，最后除病毒包裝。

圖2 生物制品研發(fā)生產(chǎn)的一般步驟

學(xué)生借助項(xiàng)目平臺(tái)平等交流，共同發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、完成項(xiàng)目；積累生物制品研發(fā)、生產(chǎn)的方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；獲得將理論知識(shí)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的能力；培養(yǎng)商業(yè)思維和戰(zhàn)略思維。

三、多重實(shí)踐組合

應(yīng)用型工程人才除了要具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還應(yīng)具備解決實(shí)際工程問題的能力。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)獲得了一定的技術(shù)應(yīng)用技能，具備了完成實(shí)際工作的潛力。要順利完成實(shí)際工作，還應(yīng)具備實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程能力。

（一）課程實(shí)驗(yàn)

課程實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、提高工作能力的重要環(huán)節(jié)。我們的課程實(shí)驗(yàn)，采用教師研究項(xiàng)目，模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情景，滲透實(shí)際工作任務(wù)，注重與上游課程《基因工程原理》和《生物反應(yīng)工程》銜接。課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：L-檸檬酸在大腸桿菌工程菌中的表達(dá)和純化，包括產(chǎn)品收集、初步純化、高級(jí)純化和產(chǎn)品化。

為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，將每個(gè)教學(xué)班的學(xué)生分為兩大組分別完成實(shí)驗(yàn)。課程實(shí)驗(yàn)前，教師首先介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、策略；然后演示解說，強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)和關(guān)鍵點(diǎn)；最后學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析觀察。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際干中學(xué)，使理論知識(shí)轉(zhuǎn)變成實(shí)際技能，培養(yǎng)了實(shí)際工作所需的能力和態(tài)度。

（二）課堂展示

教師圍繞實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化教學(xué)資源，提供相關(guān)研究論文[5-7]；通過“教學(xué)設(shè)計(jì)”把教學(xué)內(nèi)容問題化，為學(xué)生準(zhǔn)備學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生5人一組講授一篇論文，每人講授10～15分鐘。要求學(xué)生先用一句話解釋自己要講的內(nèi)容，最后用一句話總結(jié)。學(xué)生首先完成教學(xué)設(shè)計(jì)，制定上課計(jì)劃，準(zhǔn)備相關(guān)材料；兩周后進(jìn)行課堂講授，將學(xué)習(xí)成果以圖文并茂的PPT形式呈現(xiàn)，使學(xué)生的思維成果為全班共享。通過教師點(diǎn)評(píng)、歸納，進(jìn)一步提高了學(xué)生的能力。

課堂展示教學(xué)對(duì)教師提出了更高的要求，教師要了解題材，引導(dǎo)學(xué)生做預(yù)定陳述并得出結(jié)論，幫助學(xué)生簡(jiǎn)化或拓展題材，鼓勵(lì)害羞的學(xué)生展示才華，指出不足時(shí)要委婉。課堂展示具有重過程、重應(yīng)用、重體驗(yàn)、重參與的特點(diǎn)，它為學(xué)生提供了充分展示個(gè)人潛能的空間，學(xué)生真正成為信息加工的主體、知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者，教師由知識(shí)的灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)建構(gòu)的促進(jìn)者。

四、課程考核改革

生物工程下游技術(shù)是生物制品生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，課程教學(xué)在生物工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。因此，課程考核以測(cè)能為中心，注重考核實(shí)際應(yīng)用能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、表達(dá)能力等綜合能力的培養(yǎng)；課程成績(jī)分為三部分：課堂展示10%，工程項(xiàng)目作業(yè)20%，期末考試70%。為了促進(jìn)工程實(shí)踐能力，課程實(shí)驗(yàn)另考核單計(jì)成績(jī)。期末考試內(nèi)容由過去的概念原理為主轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品生產(chǎn)、研究開發(fā)策略和實(shí)際應(yīng)用為主。課程考核注重學(xué)習(xí)過程，顯著提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與程度，避免了學(xué)生死記硬背和考試投機(jī)取巧的心態(tài)。同時(shí)，學(xué)生對(duì)課程考核改革也提出了一些建議，希望提高課堂展示的比例。

五、課程團(tuán)隊(duì)建設(shè)

教師是培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的關(guān)鍵。在應(yīng)用型教學(xué)實(shí)踐中，教師是教學(xué)活動(dòng)的組織者和引導(dǎo)者，不再對(duì)課程內(nèi)容依次詳細(xì)講授，而是側(cè)重基本技能和基本方法。

我們通過一系列措施全力打造具有較強(qiáng)工程意識(shí)、豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師隊(duì)伍。（1）注重學(xué)科交叉。聘請(qǐng)企業(yè)工程師和我校經(jīng)管、會(huì)計(jì)相關(guān)教師參與課程建設(shè)，課程教學(xué)能將市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)意識(shí)、經(jīng)營(yíng)管理意識(shí)、倫理道德意識(shí)、可持續(xù)發(fā)展意識(shí)嵌入到課程教學(xué)實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和就業(yè)。（2）強(qiáng)化教學(xué)研究。3年來，課程組教師開展了“地方大學(xué)工程師型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”“高等學(xué)校教師隊(duì)伍建設(shè)研究”等教學(xué)改革項(xiàng)目。（3）開展交流學(xué)習(xí)。課程組1名教師曾在美國(guó)進(jìn)修1年，1名教師計(jì)劃2013年到美國(guó)進(jìn)修1年。借鑒國(guó)內(nèi)外高水平大學(xué)在教學(xué)改革方面的經(jīng)驗(yàn)，提高教師的教學(xué)素質(zhì)和能力。（4）提升工程素養(yǎng)。教師定期到校外實(shí)訓(xùn)基地調(diào)研或兼職，了解企業(yè)生產(chǎn)流程、設(shè)備維護(hù)管理，提高工程思維和工程實(shí)踐能力；利用企業(yè)設(shè)備優(yōu)勢(shì)，參與企業(yè)項(xiàng)目研發(fā)，獲得教學(xué)實(shí)踐性智慧。

六、結(jié)語

美國(guó)工程院提出，面向2020年的工程師必須具備分析能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力、溝通能力、商務(wù)與管理能力、倫理道德、終身學(xué)習(xí)能力等[8]。培養(yǎng)大學(xué)生的工程能力和社會(huì)能力是一個(gè)全新的課題，是高校工程人才培養(yǎng)的一個(gè)改革策略?！渡锕こ滔掠渭夹g(shù)》課程作為生物技術(shù)、生物工程專業(yè)的專業(yè)課，是遺傳改造、育種應(yīng)用和生物制品生產(chǎn)之間的橋梁，內(nèi)容多、技術(shù)方法發(fā)展快。我們?cè)诮虒W(xué)中，以實(shí)際工程為背景，以項(xiàng)目為載體，以工程技術(shù)為主線，以生產(chǎn)應(yīng)用為核心，滲透經(jīng)濟(jì)、管理相關(guān)的知識(shí)，重構(gòu)課程內(nèi)容和教學(xué)模式。建立了“情境教學(xué)—項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)—強(qiáng)化實(shí)踐—能力導(dǎo)向”的培養(yǎng)模式。以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，提高了學(xué)生的職業(yè)能力。雖然我們的改革實(shí)踐與探索取得了一定效果，但探索僅是剛剛開始，有待進(jìn)一步拓展和完善。

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［3］Liu HL，Osmani AH，Ukil L，et al.Single-step affinity purification for fungal proteomics［J］.Eukaryotic cell，2010，9（5）:831-833.

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［7］Atsumi S， Hanai T， and Liao JC.Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels［J］.Nature，2008，451:86-89.

［8］佚名.全球短缺工程師中國(guó)工程教育更急迫［N］.北京日?qǐng)?bào)，2010-02-25.