“新工科”背景下的生物工程下游技術(shù)課程建設初探

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(浙江工業(yè)大學 生物工程學院，浙江 杭州 310014)

隨著社會的不斷發(fā)展與進步，世界范圍內(nèi)掀起了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮，第四次工業(yè)革命已經(jīng)吹響號角。為提升綜合國力和國際競爭力，我國迅速啟動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”“一帶一路”等重大戰(zhàn)略，而生物工程技術(shù)是世界工業(yè)革命的一項重要組成部分[1-2]。為響應國家戰(zhàn)略需求，在未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點，生物經(jīng)濟作為新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，其快速發(fā)展迫切需要新型生物工程人才的支撐。高等院校生物工程類本科生和研究生將是我國生物工程技術(shù)研究的中堅力量和創(chuàng)新主體，也是我國社會進步的重要力量。在此背景下，為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，促進工程人才的培養(yǎng)，教育部提出了“新工科”的概念，并發(fā)布《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》。目前，我國基因工程、酶工程和細胞工程等生物技術(shù)發(fā)展迅速，學術(shù)研究能力已經(jīng)躋身世界前列，但對生物工程產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)所必需的生物工程下游技術(shù)研究相對缺乏。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：生物發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)成本中，70%以上的是下游技術(shù)的成本。生物工程下游技術(shù)主要為生物產(chǎn)品的分離、純化技術(shù)，如發(fā)酵液預處理、固液分離、離子交換技術(shù)、膜技術(shù)和結(jié)晶技術(shù)等，而這一工段，往往被研究人員忽視[3-4]。在下游分離過程中，通常產(chǎn)物損失較大、能耗較高、質(zhì)量欠佳、“三廢”量大，給企業(yè)帶來了巨大的環(huán)保壓力和同行競爭壓力。故而，眼下諸多企業(yè)將技術(shù)革新的重點逐步轉(zhuǎn)移至下游分離技術(shù)的開發(fā)，以提高產(chǎn)品收率，降低生產(chǎn)成本，增強企業(yè)競爭力[5-6]。

浙江工業(yè)大學生物工程學院生物分離工程教學課程組在對浙江省內(nèi)30家生物發(fā)酵企業(yè)的走訪調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，有近80%的企業(yè)表示，生物工程下游技術(shù)相關(guān)人才的缺乏大大制約了企業(yè)技術(shù)革新的速度。因此，為進一步提高學生質(zhì)量，服務新時期工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，建立適應“新工科”需求的課程體系迫在眉睫。

1 課程建設的現(xiàn)實意義

生物工程下游技術(shù)相關(guān)的課程主要面向生物化工、發(fā)酵工程、微生物學、生化與分子生物學、食品工程和化學工程等專業(yè)的本科生、碩士生開設，要求學生先修完《生物工藝學》《酶工程》《分子生物學》等與生物工程領(lǐng)域相關(guān)的本科課程，且具有一定的知識應用能力和自學能力。開設這些課程的目的是在原有知識基礎上，進一步了解生物分離工程，理解和掌握一些生物分離新方法、新理論，了解生物分離領(lǐng)域的最新進展，特別是生物大分子物質(zhì)的分離純化與結(jié)構(gòu)鑒定[7]。目前，在生物工程下游技術(shù)方向，浙江工業(yè)大學生物工程學院針對研究生開設了《現(xiàn)代生物分離技術(shù)》課程，針對本科生開設了《生物分離工程》課程，在學校和學院的全力支持下，課程教學團隊開展兩門課程的建設與改革工作，并取得一定成效。

1.1 課程建設緊隨國家發(fā)展方向

近年來，國家開展系列舉措，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)和新模式為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，爭取突破核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)筑先發(fā)優(yōu)勢，在未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點。為完成這項國策，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才。我國已經(jīng)建成世界上最大規(guī)模的高等工程教育，工程教育專業(yè)認證體系實現(xiàn)國際實質(zhì)等效，國家統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設，為加快建設和發(fā)展新工科奠定了良好基礎。

我國生物技術(shù)與西方發(fā)達國家相比，存在起步晚、起點低等一系列問題。盡管如此，國家十分重視生物技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新和實際運用，其發(fā)展速度相對較快，尤其是國家863計劃的制定、相關(guān)專項基金的創(chuàng)建，為生物技術(shù)的研究、發(fā)展和創(chuàng)新運用提供重要支持?，F(xiàn)階段，我國生物技術(shù)發(fā)展初具規(guī)模，以醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主，其中醫(yī)藥生物制品多達五十余種。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：截至2015年，我國生物技術(shù)類企業(yè)有2 000多家，從業(yè)人員達50 000多人。同時，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值逐年增加，成為國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的核心支柱[8]。但是，專業(yè)化、技能型、高素質(zhì)人才資源相對缺乏，大大限制了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

1.2 成功的課程建設應滿足企業(yè)對人才的要求

在不同社會背景下，人才類型的需求不同，故課程建設的目標和理念也存在一定差異。目前，諸多高校已經(jīng)通過各種方式進行多方調(diào)研，得知企業(yè)普遍認為生物工程類學生培養(yǎng)存在一定不足。因此，在學生培養(yǎng)過程中，應充分考慮上述因素，培養(yǎng)滿足社會和企業(yè)需求的工程類人才。

近年來，國內(nèi)高校采取了多種措施來培養(yǎng)學生綜合能力，如完善課程體系，增加課程設計等[9-10]。在高等院校課程設置中，偏重于《基因工程》《細胞工程》《酶工程》等傳統(tǒng)課程的講授，在教學研究中，分離技術(shù)和工程實踐也往往被忽視。因此，應重視學生下游工程技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新的能力，以更好地為企業(yè)生產(chǎn)服務。一方面，可通過研究課題進行鍛煉；另一方面，作為主干課程，應加強生物分離技術(shù)相關(guān)課程的建設，通過課程教育，系統(tǒng)地講授相關(guān)理論和實踐案例，以培養(yǎng)學生成為具有一定工程能力和創(chuàng)新能力的研發(fā)主體。

2 課程建設的主要路徑

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的工程研究型人才是我國高等教育的一項重要任務。在分析現(xiàn)有工科本科生培養(yǎng)模式的基礎上，建議從教師自身素養(yǎng)、教學方法轉(zhuǎn)變、實踐教學環(huán)節(jié)改革、考核方式改革等方面著手，推動相關(guān)課程建設，推動工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

2.1 教師自身素養(yǎng)

作為一名合格的高等院校授課教師，教師要在教學生涯中加強自身專業(yè)知識和專業(yè)技能的提高，重視科學研究，注重人格精神建設，確立終身學習觀念，真正提升自身素養(yǎng),以適應現(xiàn)代教育發(fā)展的需要。除了應具備扎實的理論基礎和良好的授課技能，還應注重教師自身的工程能力、實踐能力、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗等方面的能力，以提高教師授課能力。

在《現(xiàn)代生物分離技術(shù)》和《生物分離工程》課程的建設中，課程組負責人為在生物分離工程領(lǐng)域擁有多年工程實踐經(jīng)驗的資深教授，長期從事一線生物分離工程技術(shù)研究，完成企業(yè)分離技術(shù)開發(fā)項目十余項，并且實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用；課程任課教師能夠清晰講解工廠生產(chǎn)實踐中的實際工程問題，而不再是停留在傳統(tǒng)的理論授課，學生的學習興趣也大大提高?？梢?，選聘合適的教師，對課程的授課效果起到了積極推動作用。

不僅應選聘合適的授課教師，還應加強授課教師教學團隊的建設。浙江工業(yè)大學生物工程學院以教學團隊為單位，承擔學院的各項教學任務。教學團隊的組建，不僅保證了授課工作的順利開展，更有利于培養(yǎng)年輕教師。采用“導師制”的培養(yǎng)方式，在導師的帶領(lǐng)下，一方面開展科學研究；另一方面?zhèn)魇谡n程授課經(jīng)驗和教學理念，順利地完成了“老帶新”的教師隊伍培養(yǎng)，有利于課程建設的長足發(fā)展。

2.2 教學方法轉(zhuǎn)變

相關(guān)課程中涉及的分離技術(shù)包括沉淀分離、萃取分離、膜分離、吸附與離子交換、色譜分離、結(jié)晶技術(shù)和濃縮技術(shù)等多項技術(shù)，每項技術(shù)所涉及的知識點和儀器設備均有較大差異。傳統(tǒng)的模塊化教育下學生可掌握單獨的某一項技術(shù)，實際生產(chǎn)中，往往需要多項技術(shù)聯(lián)合使用，而學生在這方面的能力相對較差。傳統(tǒng)的課堂教學偏重理論教育，雖在教學過程中穿插諸多教學案例，但仍很難向?qū)W生展示工廠的實際生產(chǎn)過程，導致了學生對分離工程技術(shù)停留在理論階段，實踐理解和操作能力較差。另外，分離技術(shù)和設備更新?lián)Q代較快，即使是最新的教材，也很少涉及到國內(nèi)外最新的產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)，分離設備的發(fā)展更是迅速，如模擬移動床、膜技術(shù)等[11-12]，每年都會有新的突破，進而給課程建設帶來了阻力和困難。

針對上述問題，為了提高教學效果,課程組在教學方法上進行了以下幾個方面的探索：

1) 設備模型和操作視頻的使用。自制萃取罐、離心機、膜設備、離子交換柱、結(jié)晶罐和蒸餾塔等常見分離設備的模型，模型中包括各個管路的連接及關(guān)鍵模塊的展示，教學視頻中，應展示相關(guān)分離技術(shù)的使用流程以及組合應用情況。

2) 將企業(yè)車間作為第二教學課堂。與生物發(fā)酵企業(yè)，展開合作，帶領(lǐng)學生參觀產(chǎn)品提煉車間，了解產(chǎn)品提煉工藝流程，熟悉相關(guān)設備構(gòu)造和管路連接情況，并與企業(yè)車間工作人員共同分析討論各個工藝環(huán)節(jié)的原理和關(guān)鍵注意事項。

3) 案例分析和討論。由熱點話題引入當前國際上重要的生物制品，介紹該產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中存在的問題，講述相關(guān)工藝開發(fā)的背景故事，隨后引出相關(guān)理論，最后對相關(guān)理論進行拓寬，引起學生的學習興趣，并將理論和工業(yè)應用相結(jié)合。

4) 分離技術(shù)綜合應用訓練。通過課堂實際案例分析討論，讓學生理解各項分離技術(shù)聯(lián)合使用的目的、意義及優(yōu)勢，課后查閱文獻，設計相關(guān)產(chǎn)品的分離工藝，并分析其可行性。

5) 最新國際研究進展介紹。引導學生查閱生物分離技術(shù)最新研究進展，分析討論研究熱點和應用過程中的難點，使學生具有開闊的視野和先進的研究理念。

6) 創(chuàng)新案例分析。結(jié)合自身科研項目和企業(yè)合作項目，分析討論生物產(chǎn)品分離過程中的創(chuàng)新案例，引導學生培養(yǎng)創(chuàng)新思維，并通過課外實踐培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

通過上述教學活動的開展，課程取得了較好的教學效果，學生不但掌握了扎實的理論基礎，還對生產(chǎn)實踐有一定的了解，同時，受益于創(chuàng)新思想啟蒙，部分畢業(yè)生畢業(yè)后甚至專門從事生物分離技術(shù)研究。

2.3 考核方式改進

在傳統(tǒng)的考核中，授課教師往往注重學生的卷面成績和平時課堂表現(xiàn)，忽視了學生其他方面的表現(xiàn)。在“新工科”背景下，課程組對考核方式進行了改革，主要有以下方面：

1) 理論考核?？疾鞂W生是否充分掌握了相關(guān)理論知識，具有扎實的理論基礎，主要以考試和案例分析形式完成；布置學生完成生物產(chǎn)品分離工藝的設計，可以通過查閱文獻、企業(yè)調(diào)研等方式進行，最后進行課堂PPT展示，向老師和同學講解相關(guān)工藝的原理、應用情況和工藝改革可能性等，全面考察學生的理論掌握情況和創(chuàng)新能力。

2) 解決實際工程問題的能力考核?？疾鞂W生是否具有解決相關(guān)工程問題的能力，一方面，通過課堂案例分析過程中的提問環(huán)節(jié)考查；另一方面，通過工廠參觀和實踐過程中的個人表現(xiàn)進行評價。

3) 創(chuàng)新能力考核。通過課堂提問，引導學生進行發(fā)散性思維，并通過課堂案例分析及PPT展示工藝革新內(nèi)容，考察其創(chuàng)新能力。

4) 團隊協(xié)作能力考核。通過團隊合作完成課堂PPT展示。在該過程中，隨機組合學生，進行綜合評價和組內(nèi)自評，引導學生進行團隊協(xié)作，以適應今后的工作和生活。

通過考核方式的改革，引導學生提高工程能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力等，以培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的高級研發(fā)人員。

3 結(jié) 論

在科技和工業(yè)迅速發(fā)展的時代浪潮下，“新工科”教育應運而生，生物技術(shù)迎來了迅猛的發(fā)展，面臨生物工程下游技術(shù)人才短缺的問題，因此，高水平生物工程類學生的培養(yǎng)尤為重要。通過《現(xiàn)代生物分離技術(shù)》和《生物分離工程》課程的建設工作開展，獲得以下效果：1) 全面提升授課學生的工程能力，使其不僅具有扎實的理論基礎，還能夠在實際生產(chǎn)實踐中綜合運用各項分離技術(shù)；2) 拓寬學生的國際視野，了解國內(nèi)外生物分離技術(shù)的最新研究進展和研究熱點，具有一定的外文文獻查閱能力，能夠閱讀生物分離技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)文獻，并理解和掌握文獻中的各個關(guān)鍵點；3) 培養(yǎng)學生具有一定的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力，以達到具有科學研究和生產(chǎn)實踐能力的要求；4) 課程組成員對實施課程建設和教學改革后的第一屆畢業(yè)生開展電話回訪時，畢業(yè)生普遍認為課程所學內(nèi)容與企業(yè)需求關(guān)系較為緊密，相關(guān)課程的改革促進其更好、更快地適應工作崗位；對用人單位的調(diào)研時，相關(guān)部門負責人認為學生的工程能力和實踐能力較前幾屆有顯著提高，能夠更快地融入工作；5) 通過《現(xiàn)代生物分離技術(shù)》課程的成功改革，可以將改革經(jīng)驗輻射至同類學科，如《食品生物分離技術(shù)》《藥物分離工程》《天然產(chǎn)物分離與純化》等相關(guān)分離課程。

本文得到了浙江工業(yè)大學本科生教學改革項目(KG201624)和研究生核心課程建設項目(2016004)的資助。