地方院校“生物工藝學(xué)”課程教學(xué)方法的探索

趙宏宇，季 祥，鄭春麗，王 蕾，盧慶華，李雅麗，蔡 祿

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 數(shù)理與生物工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

經(jīng)過多年的發(fā)展，內(nèi)蒙古自治區(qū)生物發(fā)酵制藥產(chǎn)業(yè)目前在呼和浩特、包頭、鄂爾多斯、烏海、巴盟及通遼、赤峰等周邊地區(qū)形成了在國(guó)內(nèi)相對(duì)集中的大型生物發(fā)酵基地，分布著眾多規(guī)模較大的發(fā)酵制藥類生物工程企業(yè)，其生產(chǎn)噸位及規(guī)模位居全國(guó)第一。內(nèi)蒙古科技大學(xué)生物工程專業(yè)建于2001年，考慮到市場(chǎng)需要大量的發(fā)酵工程技術(shù)人員，以服務(wù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)為目的，專業(yè)方向定位為發(fā)酵和制藥領(lǐng)域。經(jīng)多年培育與發(fā)展，生物工程專業(yè)于2008年獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)同類專業(yè)中唯一的品牌專業(yè)榮譽(yù)稱號(hào)。在我校生物工程專業(yè)培養(yǎng)方案中，生物工藝學(xué)是一門專業(yè)骨干課程。

1 我校生物工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作及發(fā)展組織在1982年提出，生物工藝學(xué)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠生物催化劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的技術(shù)［1］。我校生物工藝學(xué)主要圍繞微生物發(fā)酵工藝展開講授，以探討生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程的共性為目的，從工藝角度闡明細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物的積累與細(xì)胞的培養(yǎng)條件之間的相互關(guān)系，為生產(chǎn)過程的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。開設(shè)的任務(wù)是使學(xué)生在已學(xué)過課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化和提高所學(xué)的基本知識(shí)，深入理解生產(chǎn)過程的工藝原理，懂得如何應(yīng)用上述基本理論去分析和解決生產(chǎn)過程中的具體問題，改造原有的不合理的生產(chǎn)過程，使之更符合客觀規(guī)律。

我們?cè)诮虒W(xué)中，嘗試了多種教學(xué)方式，積極聽取了已畢業(yè)學(xué)生和企業(yè)的反饋意見，探索了單元操作與產(chǎn)品案例結(jié)合的教學(xué)方式以及課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有效銜接的改革。經(jīng)多年實(shí)踐，證實(shí)對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)人才有積極作用。

2 傳統(tǒng)教學(xué)方式

2.1 單元操作教學(xué)方式

近年來國(guó)內(nèi)生物工藝學(xué)課程的講授方式主要有2種，一種是類似于化工原理等課程，將生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單地劃分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立單元操作，比如分為菌種、培養(yǎng)基、機(jī)理（好氧、厭氧）、pH控制、溫度控制、攪拌與溶氧控制等。但是生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程與化工過程有著顯著的區(qū)別，化工過程單元相對(duì)獨(dú)立，而生物產(chǎn)品生產(chǎn)是一個(gè)完整而且連續(xù)的過程，比如，發(fā)酵培養(yǎng)基的配比會(huì)影響到滅菌效果、發(fā)酵過程的營(yíng)養(yǎng)供給、菌種的生長(zhǎng)、發(fā)酵過程各個(gè)參數(shù)的波動(dòng)與控制、產(chǎn)品的得率、發(fā)酵液的特性、下游操作中產(chǎn)品的分離等，而且發(fā)酵過程中存在著混沌、非線性等效應(yīng)，所以如果不考慮這些特性，簡(jiǎn)單地將這些過程獨(dú)立講授，學(xué)生對(duì)于整體過程很難形成一個(gè)全面的理解。再如對(duì)于溶氧的控制方案，可以通過改變很多參數(shù)來達(dá)到目的：增大攪拌可以提高溶氧，但是剪切力也會(huì)增大，會(huì)對(duì)菌體產(chǎn)生損傷，而且一般企業(yè)中電動(dòng)機(jī)和減速器是一檔，需要改造設(shè)備；提高通氣量會(huì)造成空氣過濾系統(tǒng)負(fù)荷增加，增大染菌的幾率，而且逃液現(xiàn)象明顯；若增大罐壓提高溶氧，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液中二氧化碳濃度同時(shí)增加，有可能導(dǎo)致菌種呼吸異常中毒。因此，發(fā)酵工藝中，任何一個(gè)參數(shù)的調(diào)控都是一個(gè)度的問題，不存在越大越好或越小越好的情況，若只是孤立地講授某一單元，學(xué)生很難認(rèn)識(shí)到發(fā)酵工藝控制是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的操作。

2.2 典型產(chǎn)品工藝案例教學(xué)方式

典型產(chǎn)品工藝教學(xué)方式是國(guó)內(nèi)另一種常見的生物工藝學(xué)教學(xué)方式，在這種教學(xué)中選取了幾種非常典型的產(chǎn)品作為代表來講授生物工藝的知識(shí)［2］，比如將生物過程分為抗生素、氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑、啤酒等過程。這種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以全程認(rèn)識(shí)到某一產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，但學(xué)生接受的知識(shí)面有限，對(duì)問題的認(rèn)識(shí)可能存在片面性。比如講授氨基酸發(fā)酵時(shí)常以谷氨酸或者賴氨酸發(fā)酵為例，在發(fā)酵時(shí)如何控制發(fā)酵溫度，那么涉及到的冷卻方式只是豎式蛇管，但為什么做出這樣的選擇，常見的冷卻方式有哪些，在什么情況下選擇夾套、半圓管夾套、豎式蛇管、內(nèi)部盤繞式蛇管，這些問題主要與菌種生物熱、攪拌熱、冷卻水進(jìn)出水溫度等有關(guān)，具體要根據(jù)熱量衡算計(jì)算換熱面積來決定，學(xué)生很難全面認(rèn)識(shí)到事物的根本所在。

3 單元操作與典型產(chǎn)品案例結(jié)合的教學(xué)

如何讓學(xué)生既能橫向地掌握各個(gè)操作過程原理工藝方法，又能縱向地熟悉整個(gè)發(fā)酵過程，是生物工藝學(xué)教學(xué)時(shí)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)?；谖⑸锇l(fā)酵生產(chǎn)的特點(diǎn)，將“生物工藝學(xué)”教學(xué)內(nèi)容主要分為菌種、發(fā)酵機(jī)理、培養(yǎng)基及滅菌、種子擴(kuò)培及發(fā)酵過程調(diào)控4個(gè)部分。以單元操作與發(fā)酵案例結(jié)合的教學(xué)方法，在課堂教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)工業(yè)微生物菌種選育和發(fā)酵過程中各類參數(shù)的控制等一些共性技術(shù)的部分，同時(shí)輔之以有代表性的產(chǎn)品的發(fā)酵工藝和方法的介紹，通過點(diǎn)面結(jié)合促進(jìn)學(xué)生理解。比如：在講授培養(yǎng)基優(yōu)化時(shí)，首先要講解優(yōu)化的原則與方法，然后要從近年來發(fā)表的一些文獻(xiàn)中選取幾個(gè)典型的案例來說明常用的多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（正交試驗(yàn)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)等），同時(shí)布置不同類型的作業(yè)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案；講授發(fā)酵工藝調(diào)控時(shí)，課堂上講授傳統(tǒng)的溫度、pH、攪拌與溶氧、消泡、染菌等主要參數(shù)的調(diào)控原理及工藝手段，同時(shí)將學(xué)生分小組布置小論文，要求學(xué)生查閱資料，完成一種典型發(fā)酵產(chǎn)品的詳細(xì)的生產(chǎn)工藝，并組織學(xué)生進(jìn)行答辯。通過這樣一系列的教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)基本原理的同時(shí)，提高實(shí)際應(yīng)用能力。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方式下，學(xué)生學(xué)習(xí)更加積極、主動(dòng)，幾乎每天都有學(xué)生不間斷地與任課教師進(jìn)行交流探討，這雖然增加了任課教師的課外工作量，但是好的教學(xué)效果也讓教師樂在其中。

4 課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合

生物工藝學(xué)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的一門課程，所以在課堂教學(xué)的同時(shí)，也應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，借助一些工廠實(shí)際生產(chǎn)流程的資料結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件開展一些實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)于課程的理解和掌握［3-5］。通過課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，促使學(xué)生掌握發(fā)酵工藝的基本原理、技術(shù)和方法，為學(xué)生將來進(jìn)入發(fā)酵及相關(guān)行業(yè)工作及新產(chǎn)品開發(fā)打下基礎(chǔ)［6-8］。

我校與生物工藝學(xué)課程配套的實(shí)驗(yàn)課程是發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開課，共40課時(shí)，以大實(shí)驗(yàn)體系開設(shè)，與生物工藝學(xué)理論課程同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，主要內(nèi)容為抗生素發(fā)酵體系、酶制劑發(fā)酵及應(yīng)用、氨基酸發(fā)酵體系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)圍繞課程的核心，即發(fā)酵過程中的基本原理和參數(shù)控制展開。課堂教學(xué)與發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)穿插進(jìn)行，加深學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握，訓(xùn)練學(xué)生掌握從原料到產(chǎn)品的完整發(fā)酵過程，控制產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等，培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)的基本原理解決實(shí)際問題的能力［9-11］。

以抗生素發(fā)酵體系為例，選擇金色鏈霉素作為生產(chǎn)菌株，模擬企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行金霉素的發(fā)酵。首先將冷凍保藏的菌種活化進(jìn)行傳代培養(yǎng)增加活性，選擇活性較高的菌株在搖瓶中制備發(fā)酵種子。每個(gè)小組進(jìn)行獨(dú)立的搖瓶發(fā)酵，同時(shí)每個(gè)大組進(jìn)行發(fā)酵罐發(fā)酵，在發(fā)酵過程中定時(shí)取樣，而且要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案，根據(jù)過程檢查的溫度、pH、DO、殘?zhí)堑葏?shù)進(jìn)行工藝調(diào)控。發(fā)酵結(jié)束后，測(cè)定發(fā)酵液中金霉素效價(jià)，最后進(jìn)行金霉素的提取與精制，得到一定純度的成品金霉素［12］。該實(shí)驗(yàn)體系前后連續(xù)性強(qiáng)，學(xué)生從活化菌種到最后得到成品金霉素共需要9d左右。在實(shí)驗(yàn)過程中，具體操作及工藝調(diào)控方案由學(xué)生設(shè)計(jì)，學(xué)生除了與任課教師和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師不斷地探討外，往往需要查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)。

5 課堂教學(xué)與實(shí)習(xí)結(jié)合

在制定培養(yǎng)方案的課程體系時(shí)，我校將生產(chǎn)實(shí)習(xí)安排在生物工藝學(xué)課程結(jié)課時(shí)開設(shè)。生產(chǎn)實(shí)習(xí)是對(duì)課堂學(xué)習(xí)的升華，通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝流程的參觀，可以將生物工藝學(xué)課堂上的知識(shí)與實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合起來，產(chǎn)生感官上的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)課堂理論內(nèi)容的理解。

近年來生產(chǎn)實(shí)習(xí)安排2周時(shí)間，主要以參觀內(nèi)蒙古西部地區(qū)發(fā)酵制藥企業(yè)的生產(chǎn)車間為主。對(duì)好氧發(fā)酵生產(chǎn)過程，主要在金河生物科技股份有限公司的金霉素發(fā)酵車間、石藥集團(tuán)中潤(rùn)制藥（內(nèi)蒙古）有限公司的青霉素發(fā)酵車間實(shí)習(xí)；對(duì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)過程，主要在燕京啤酒（包頭雪鹿）股份有限公司的發(fā)酵車間、糖化車間參觀。每個(gè)企業(yè)實(shí)習(xí)3d左右，期間學(xué)生輪流安排在不同的崗位上進(jìn)行學(xué)習(xí)。

6 多種教學(xué)方式結(jié)合的效果

經(jīng)過生物工藝學(xué)多層級(jí)的教學(xué)改革，學(xué)生可以系統(tǒng)掌握微生物發(fā)酵生產(chǎn)過程。我校生物工程畢業(yè)生已成為內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)酵制藥類企業(yè)最受歡迎的專業(yè)學(xué)生，近年來就業(yè)率年均保持在95%左右。企業(yè)對(duì)我們學(xué)生的評(píng)價(jià)是“專業(yè)知識(shí)扎實(shí)”、“上手快、留得住、后勁足”，短短幾年時(shí)間，部分學(xué)生已成為企業(yè)的高中層技術(shù)管理人員以及技術(shù)骨干人員。在我們的回訪中，多數(shù)學(xué)生（尤其是從事發(fā)酵生產(chǎn)相關(guān)的學(xué)生）認(rèn)為生物工藝學(xué)為他們的工作儲(chǔ)備了重要的基礎(chǔ)理論知識(shí)。

7 結(jié)束語

生物工藝學(xué)的教學(xué)方式應(yīng)以專業(yè)方向定位為出發(fā)點(diǎn)，將多種方法結(jié)合起來，既能培養(yǎng)學(xué)生全面理解發(fā)酵過程的工藝調(diào)控，又能提高學(xué)生對(duì)典型工藝的認(rèn)識(shí)，為全面提升學(xué)生的專業(yè)知識(shí)與技能奠定良好的基礎(chǔ)。

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