《生化工程》的應(yīng)用性導(dǎo)向及場景式教學(xué)

楊仲毅 呼高偉 夏海洋 阮奇城 鐘永軍 宋賢聚

摘要：《生化工程》是生物工程專業(yè)中實(shí)踐性要求較高的一門課程，對于培養(yǎng)學(xué)生從操作員提升為技術(shù)人員具有重要的作用。文章作者結(jié)合多年的授課經(jīng)驗(yàn)提出了“教室型”、“實(shí)驗(yàn)室型”和“生產(chǎn)線型”的教學(xué)場景，教學(xué)場景可以根據(jù)《生化工程》的“動眼”、“動手”和“動腦”三種知識點(diǎn)類型靈活運(yùn)用。相比于傳統(tǒng)教學(xué)，場景式課堂教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)效果上分別具有直觀性、互動性和成就性的特點(diǎn)。該文為《生化工程》的講授提供了新的方法指導(dǎo)，有利于《生化工程》教學(xué)目的的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：生化工程;教學(xué)場景;教學(xué)方法

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0183-03

《生化工程》在生物工程專業(yè)的課程體系中占有十分特殊的地位，然而經(jīng)常被忽視?！渡锘瘜W(xué)》和《微生物學(xué)》作為本專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其重要作用是公認(rèn)的。而《生化工程》既非基礎(chǔ)理論課，其實(shí)踐應(yīng)用性特征也不明顯，而且在課程內(nèi)容的設(shè)置上多以物理和數(shù)學(xué)的計(jì)算為主，導(dǎo)致該課程被很多師生誤認(rèn)為是純理論課程。正確認(rèn)識《生化工程》課程的應(yīng)用性導(dǎo)向，采用針對性的教學(xué)方式，有助于生物工程整體教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

一、《生化工程》的應(yīng)用性導(dǎo)向及教學(xué)要求

《生化工程》課程從字面上的意思來看，容易被誤認(rèn)為是與基因工程、細(xì)胞工程等概念并列，這種誤解會給培養(yǎng)計(jì)劃的制定、教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來困惑。從定義上講，生化工程是指將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)，成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程。諸多作者對生化工程的任務(wù)、作用和地位進(jìn)行了描述，唐晉等[1]認(rèn)為生物學(xué)家的作用是理解生物，生化工程工作者的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品和新過程，以及用經(jīng)濟(jì)可靠的方式來生產(chǎn);陳洪章等[2]認(rèn)為生化工程為生物學(xué)和化學(xué)工程提供了一條相互聯(lián)系的紐帶，生化過程的任務(wù)就是研究生物反應(yīng)過程中有關(guān)的工程技術(shù)問題，是為生物工程服務(wù)的化學(xué)工程。

Abdullah等認(rèn)為生物化學(xué)工程的使命和本質(zhì)是通過一系列的操作，利用微生物、酶或細(xì)胞系將可再生原料或由其衍生的中間體轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品的過程[3]。

《生化工程》以生物工藝實(shí)施過程中設(shè)備運(yùn)行基本規(guī)律和生物的動力學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)，闡釋生物工藝在工程實(shí)施中的規(guī)律和要求，即化工原理和生物學(xué)規(guī)律如何統(tǒng)一到生物技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)、實(shí)施過程中，以及工藝過程中的生物體、設(shè)備、物料是如何協(xié)調(diào)運(yùn)作的。本課程綜合了生物和化工的原理，它基于實(shí)踐，又高于實(shí)踐，是生物工程專業(yè)培養(yǎng)過程中理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合的一門關(guān)鍵的銜接課程。Ostrander等[4]也認(rèn)為教學(xué)機(jī)構(gòu)應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識到理論知識是指導(dǎo)實(shí)踐的基礎(chǔ)，專業(yè)課程的設(shè)置需要有機(jī)地與未來工作進(jìn)行契合。該課程正好體現(xiàn)了該理念。華盛頓協(xié)議是國際上工程教育項(xiàng)目的質(zhì)量標(biāo)志，該協(xié)議指出：工程教育除了給學(xué)生提供必要的理論知識，更重要的是為學(xué)生提供更多機(jī)會，以獲得行業(yè)經(jīng)驗(yàn)[5]。

《生化工程》綜合了數(shù)理化生等多學(xué)科，同時(shí)又要求以理科的方式解決工科實(shí)踐問題，這是培養(yǎng)工程師絕好的課程，但對于學(xué)校和教師的教學(xué)也提出了更高的要求。

首先，體現(xiàn)在生物工程專業(yè)的人才培養(yǎng)計(jì)劃上?！渡こ獭返难芯繉ο笫巧锕に囋谠O(shè)備中的運(yùn)行規(guī)律，課程安排應(yīng)遵循化學(xué)、生物、工程然后生化工程的順序。本課程以有機(jī)化學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)為先修課程，較為理想的是將《生化工程》課程安排在發(fā)酵工藝學(xué)、生物分離工程和化工原理之后進(jìn)行。在學(xué)生進(jìn)入畢業(yè)實(shí)踐之前安排該課程，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的有機(jī)銜接。

其次，在培養(yǎng)計(jì)劃課程體系中各門課的內(nèi)容要有互補(bǔ)性，尤其是發(fā)酵工藝學(xué)、酶工程、生物分離工程、生物工程設(shè)備、生物制藥工藝學(xué)等課程。在系統(tǒng)性地開設(shè)這些課程后，可以融合《生化工程》的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，無須單獨(dú)設(shè)課。但要注意強(qiáng)調(diào)工藝和設(shè)備結(jié)合的生化工程原理，并開展工程現(xiàn)場和生產(chǎn)車間的現(xiàn)場教學(xué)。同時(shí)盡量提供較多地讓學(xué)生熟悉、掌握相應(yīng)工藝和設(shè)備的機(jī)會。

最后，在《生化工程》課堂教學(xué)上使用傳統(tǒng)授課方法，教學(xué)效果差。許多教師反映生化工程的概念多、理論知識抽象、公式冗雜、內(nèi)容枯燥，對于缺乏實(shí)踐知識和經(jīng)驗(yàn)的生化工程專業(yè)的學(xué)生來說學(xué)習(xí)起來有相當(dāng)大的難度，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法教學(xué)，效果自然不太理想[6，7]。許多教師嘗試采用了一些新的教學(xué)方法，如形象教學(xué)、討論式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、Web quest模式、案例教學(xué)法、三步教學(xué)法、問題式教學(xué)、學(xué)生授課法、合作學(xué)習(xí)模式等，而且都取得了一定的效果[6-8]。這些方法中，教和學(xué)都在努力接近真實(shí)場景。也有一些作者嘗試引入真實(shí)場景，如Baroutian和Sheppard等認(rèn)為，為了使今天的工程師能勝任他們未來的工作，工程類教育者應(yīng)該和執(zhí)業(yè)工程師共同執(zhí)教[3，9]。筆者所在學(xué)校位于浙江省臺州市，其制藥行業(yè)較為發(fā)達(dá)，筆者結(jié)合自身在制藥行業(yè)的工作經(jīng)歷和在高校進(jìn)行的教學(xué)探索，提出了針對本校和地域特點(diǎn)的場景式教學(xué)方式。

二、《生化工程》的場景式課堂教學(xué)

基于《生化工程》的應(yīng)用性特征，該課程的課堂教學(xué)可以采用場景式的教學(xué)方式，即針對需要講解的知識點(diǎn)，盡量在真實(shí)的場景下進(jìn)行教學(xué)，講解生物規(guī)律和化工原理在設(shè)備上的運(yùn)作，指導(dǎo)和幫助學(xué)生理解性地掌握理論知識，以達(dá)到理想的教學(xué)效果。為此，首先需要厘清教學(xué)內(nèi)容中的知識點(diǎn)，再在多門課程中配合落實(shí)課程教學(xué)方案，改變傳統(tǒng)教與學(xué)的模式。

（一）知識點(diǎn)、教學(xué)場景及多課程融合

場景式的教學(xué)，可以給學(xué)生非常直觀地演示和進(jìn)行講解。例如，培養(yǎng)基滅菌過程中微生物的殺滅規(guī)律、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)、攪拌與溶解氧的關(guān)系等內(nèi)容，可以結(jié)合設(shè)備予以現(xiàn)場講解。在發(fā)酵過程中遇到溶解氧限制，可以通過攪拌、通氣量、壓力和溫度等多種參數(shù)的改變來予以調(diào)整。自動控制中的開環(huán)、閉環(huán)模式也可以通過發(fā)酵補(bǔ)料系統(tǒng)予以直觀展示，甚至其自動控制的調(diào)節(jié)也可以通過對PID參數(shù)的設(shè)置予以講解。

（二）與場景式教學(xué)相關(guān)的《生化工程》課程知識點(diǎn)

1.“動眼”型知識點(diǎn)。這部分的知識點(diǎn)以拓寬學(xué)生的眼界為主要目的。首先要讓他們認(rèn)識本專業(yè)的基本設(shè)備和基本功能。膜過濾器、空氣除菌流程、攪拌器形式及各種設(shè)備等都屬于“動眼型”知識點(diǎn)。

2.“動手”型知識點(diǎn)。體積溶解氧系數(shù)測定、發(fā)酵液中kLa及其調(diào)節(jié)、發(fā)酵過程參數(shù)的檢測、固定化酶性質(zhì)、發(fā)酵工程下游技術(shù)等，這部分的知識點(diǎn)需要學(xué)生動手參與，這樣他們才能更加深入地理解和掌握。如在空氣過濾器的設(shè)計(jì)教學(xué)中，可以讓學(xué)生把棉口罩拆開，繼而講解深層過濾的原理。其他如發(fā)酵液中kLa及其調(diào)節(jié)、發(fā)酵過程參數(shù)的檢測等內(nèi)容，也適合學(xué)生在課程中自己動手操作體驗(yàn)。

3.“動腦”型知識點(diǎn)。這部分的知識充分體現(xiàn)了從操作工培養(yǎng)成技術(shù)員的理念，強(qiáng)調(diào)的是從理論和原理上理解為什么是這樣、為什么這樣做、不這樣做會怎樣。比如比擬放大，這其中可以選用的放大原則較多，靈活運(yùn)用這些原則需要掌握理論知識，更需要結(jié)合實(shí)踐。另外，如微生物的熱殺滅動力學(xué)、發(fā)酵動力學(xué)、微生物生化反應(yīng)過程的物質(zhì)衡算等知識點(diǎn)都屬于“動腦型”知識點(diǎn)，當(dāng)真正掌握其精髓后，才能對實(shí)踐起到很好的指導(dǎo)作用。

（三）《生化工程》課程教學(xué)不同場景的結(jié)合使用

1.教室型教學(xué)場景。多媒體已經(jīng)是現(xiàn)代課堂教學(xué)的一種基本配置，虛擬軟件也給學(xué)生提供了更接近真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。除此之外，輔助一些教具、常規(guī)的教室也可以成為真實(shí)的場景。這里所指的教具，可以是真實(shí)的生物工程器材、用品，如固定化青霉素?；?，可以裝于EP管中在課堂中分發(fā)給學(xué)生觀察其粒徑、硬度;空氣濾膜、pH探頭等都適合在理論講解時(shí)讓學(xué)生與實(shí)物對應(yīng)，明白其結(jié)構(gòu)和原理。在20mL針筒中裝上脫脂棉，可以讓學(xué)生感受深層過濾中裝填系數(shù)對過濾效果的影響等。

2.實(shí)驗(yàn)室型教學(xué)場景。實(shí)驗(yàn)室型的教學(xué)場景更符合《生化工程》課程的教學(xué)特點(diǎn)，可成為本課程的主要教學(xué)場景。隨著臺州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入的增加，生物工程設(shè)備逐漸得到完善，已基本滿足生物工程專業(yè)教學(xué)所需的儀器。相對于教室教學(xué)而言，微生物殺滅動力學(xué)、攪拌與通氣、比擬放大、計(jì)算機(jī)在線控制等內(nèi)容更適合在實(shí)驗(yàn)室場景中進(jìn)行教學(xué)。場景式教學(xué)可以讓學(xué)生無須進(jìn)行想象，直觀接受知識，避免因純理解產(chǎn)生分歧。

3.生產(chǎn)線型教學(xué)場景。實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)場景畢竟離生產(chǎn)線尚有一定距離，且難以培養(yǎng)學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐中的責(zé)任感、參與感以及熟練操控后的專業(yè)成就感。在實(shí)訓(xùn)室中可以進(jìn)行空氣除菌流程講解，也可以進(jìn)行50L發(fā)酵的工藝流程、提取流程講解。然而該課程內(nèi)容如若在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行講解，學(xué)生可以更直觀地參與教學(xué)，更直接地理解所學(xué)，并將理論與生產(chǎn)進(jìn)行有機(jī)銜接。

4.場景式課堂教學(xué)實(shí)踐。當(dāng)前開設(shè)《生化工程》課程選課學(xué)生中有很大一部分對于生物工程專業(yè)并無主動性興趣。由于缺失興趣，學(xué)生對該課程的掌握僅僅停留在考試過關(guān)層面。這種以考試通過為目的的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式對于《生化工程》課程的學(xué)習(xí)是一種偏差。針對這種情況，我校近年來在《生化工程》課程教學(xué)中采取了場景式教學(xué)，并在考核中把平時(shí)成績的比例加大到了40%，這樣能夠使學(xué)生更加重視平時(shí)的學(xué)時(shí)和訓(xùn)練，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，又有利于他們建立理論聯(lián)系實(shí)際的觀念，也能提高教師的教學(xué)效率。

在教學(xué)實(shí)踐中我們也發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)教學(xué)，場景式課堂教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)結(jié)果上分別具有直觀性、互動性和成就性的特點(diǎn)。直觀性指的是在場景式教學(xué)中，學(xué)生直接與教學(xué)內(nèi)容或研究對象接觸，由于有了實(shí)物的承載，傳統(tǒng)教學(xué)中依賴教師和學(xué)生抽象理解能力的理論知識更易于接受?；有灾傅氖怯捎趯?shí)際場景的存在，生化工程相應(yīng)的理論能及時(shí)得到驗(yàn)證，即人和物的互動;同時(shí)能夠及時(shí)解答學(xué)生在操作過程中產(chǎn)生的問題。這對教師提出了較高的要求，教師必須事先掌握相應(yīng)的理論與操作，并得到相應(yīng)的結(jié)果，然后在現(xiàn)場進(jìn)行講解，并由學(xué)生操作驗(yàn)證。由于所學(xué)的知識能夠及時(shí)轉(zhuǎn)化為自身的技能，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會收獲成就感。根據(jù)具體教學(xué)資源的配置，場景式課堂教學(xué)還可以適合于打造以學(xué)生為主角的探索性學(xué)習(xí)。

三、結(jié)語

改變教學(xué)方式與學(xué)習(xí)習(xí)慣，都是一次需要付出代價(jià)的改革。傳統(tǒng)的教學(xué)可以分為實(shí)驗(yàn)課或理論課教學(xué)，而場景式課堂教學(xué)綜合了這兩種教學(xué)形式。教師要能充分理解《生化工程》的原理，并能結(jié)合實(shí)踐予以講解，學(xué)生也要從被動地接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥卣莆占寄?。這在教學(xué)實(shí)踐中需要教師和學(xué)生加強(qiáng)溝通，明確教學(xué)的目的和學(xué)習(xí)的要求，真正達(dá)成以理科思路指導(dǎo)工科實(shí)踐的人才培養(yǎng)共識。

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