高校酶工程教學(xué)的課程設(shè)計(jì)及教學(xué)方法應(yīng)用

劉新育 林暉 王風(fēng)芹

摘 要 酶工程是是生物工程的一個(gè)重要組成部分。為使學(xué)生掌握酶工程基本原理、提高酶工程實(shí)踐操作能力，本文對課程設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了初步總結(jié)。課程設(shè)計(jì)理念為突出前沿性、強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性、體現(xiàn)工程特色。教學(xué)方法方面重視緒論教學(xué)、案例教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 酶工程 課程設(shè)計(jì) 教學(xué)方法

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.063

Abstract Enzyme engineering is an important part of bioengineering. In order to enable students to master its basic principles and improve their practical operation ability， this paper gives a preliminary summary on curriculum design， teaching content and teaching methods. The concept of curriculum design is to highlight its frontier， emphasize its application， and reflect its engineering characteristics. Teaching methods pay attention to the introduction teaching， case teaching and heuristic teaching， and have received good teaching results.

Keywords enzyme engineering； curriculum design； teaching methods

酶工程是生物催化的核心組成部分，在研究內(nèi)容和手段上與結(jié)構(gòu)生物學(xué)、基因工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程、代謝工程、合成生物學(xué)等學(xué)科相互交融，成為現(xiàn)代生物技術(shù)的支柱和核心之一。酶工程作為生物制造工業(yè)體系的核心受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的密切關(guān)注。我國是一個(gè)用酶大國，2016年中國的酶制劑年復(fù)合增長率為9.60%，但我國同時(shí)又是一個(gè)產(chǎn)酶小國，2014年中國酶制劑市場消費(fèi)規(guī)模僅占全球的9.4%，未來發(fā)展空間廣闊?！丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，發(fā)展高效工業(yè)生物催化轉(zhuǎn)化技術(shù)體系，提升綠色生物工藝應(yīng)用水平?；蚬こ堂傅膽?yīng)用和酶的新應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)等酶工程技術(shù)可以促進(jìn)綠色生物工藝在農(nóng)業(yè)、化工、食品、醫(yī)藥、輕紡、冶金、能源等領(lǐng)域全面進(jìn)入和示范應(yīng)用，顯著降低物耗能耗和污染物排放。[1]為服務(wù)于河南發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)于上世紀(jì)90年代為微生物發(fā)酵專業(yè)開設(shè)了“酶制劑工藝學(xué)”，為了適應(yīng)酶的分子改造和酶工程應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，本課程授課內(nèi)容也在不斷的更新，近年來將課程名稱更名為“酶工程”。目前“酶工程”是面向生物工程專業(yè)開設(shè)的一門理論性和實(shí)踐性并重的核心課程，學(xué)習(xí)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握酶工程基本原理，提高酶工程實(shí)踐操作能力。作者經(jīng)過十多年的課堂探索，對本課程的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)方法進(jìn)行了初步總結(jié)。

1 課程設(shè)計(jì)

通過參加全國性的酶工程學(xué)術(shù)會議、深入酶生產(chǎn)企業(yè)和用酶企業(yè)進(jìn)行充分調(diào)研、與企業(yè)技術(shù)人員和銷售人員座談，以及查閱文獻(xiàn)等多種渠道，調(diào)查了解酶的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用中存在的問題，在此基礎(chǔ)上，緊密圍繞酶及酶工程研究、開發(fā)和應(yīng)用過程中必需的基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和操作技能，確定“酶工程”教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，并最終形成了相應(yīng)的模塊體系。本課程包括理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，內(nèi)容互相滲透，該模式突出了酶工程理論知識的前沿性，又強(qiáng)調(diào)了技術(shù)手段在實(shí)踐中的應(yīng)用，對學(xué)生“知識、技能、素質(zhì)”的全面發(fā)展起到積極的作用。

（1）突出前沿性：酶工程是新一代工業(yè)生物技術(shù)的核心，而酶產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)化過程中，存在眾多亟待解決的難題。隨著高通量測序和定向進(jìn)化技術(shù)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)的發(fā)展，必須通過定向進(jìn)化技術(shù)、半理性設(shè)計(jì)和理性設(shè)計(jì)等手段等技術(shù)手段進(jìn)行酶的基因操作和分子改造，已是酶工程發(fā)展的必經(jīng)之路。新技術(shù)、新工具的研究和開發(fā)已成為酶工程發(fā)展的前沿課題，在此基礎(chǔ)上定制高端酶制劑、酶分子機(jī)器及細(xì)胞工廠，開發(fā)新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源向高附加值生物基材料、化學(xué)品、生物能源等工業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，已成為酶工程發(fā)展的必然趨勢。[2]因此作為本科高校的教室應(yīng)該緊密跟蹤學(xué)科發(fā)展的前沿，并及時(shí)將該領(lǐng)域的最新進(jìn)展更新到教學(xué)內(nèi)容中。

（2）強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性：酶工程是一門與生產(chǎn)實(shí)踐密切聯(lián)系的應(yīng)用學(xué)科，所涉及的產(chǎn)品和領(lǐng)域與人們的日常生活息息相關(guān)。酶工程是酶學(xué)研究成果與產(chǎn)業(yè)化之間的橋梁，也是生物產(chǎn)業(yè)化成功的重要領(lǐng)域之一。目前酶工程產(chǎn)業(yè)化最成功的領(lǐng)域是食品用酶和飼料用酶，醫(yī)藥中間體生產(chǎn)用酶在近幾年也成蓬勃發(fā)展之勢。因此在教學(xué)過程中對我國用量最大和用途最廣的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶和植酸酶等重要酶種類做重點(diǎn)講述，另外對于醫(yī)藥中間體生產(chǎn)和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域使用的附加值較高的酶產(chǎn)品也進(jìn)行詳細(xì)講解，特別關(guān)注新品種酶開發(fā)、產(chǎn)量提高、用酶新領(lǐng)域的拓寬等教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生充分展現(xiàn)酶及酶工程在人類生活和生產(chǎn)中的具體應(yīng)用和前景。

（3）體現(xiàn)工程特色：酶工程是酶學(xué)與工程科學(xué)融合的綜合性科學(xué)技術(shù)，因此本課程的先修課程包括生物化學(xué)、微生物學(xué)、微生物工程、基因工程，授課內(nèi)容方面與生物化學(xué)、微生物工程、基因工程等很多學(xué)科相互交叉滲透，授課時(shí)應(yīng)避免不必要的重復(fù)。因此，教材的選擇突出工程特色，選擇《酶制劑工藝學(xué)》作為主要教材，以及《生物催化劑與酶工程》、《工業(yè)生物轉(zhuǎn)化過程》和《工業(yè)酶：制備和應(yīng)用》的國外教材中譯本作為輔助教材。針對工業(yè)催化應(yīng)用中對酶的要求講述酶的基礎(chǔ)知識、工業(yè)酶生產(chǎn)菌種及其遺傳改良和微生物發(fā)酵產(chǎn)酶等內(nèi)容，結(jié)合量酶工程產(chǎn)業(yè)化實(shí)例重點(diǎn)介紹酶的工業(yè)提取與精制、酶與細(xì)胞固定化、酶有機(jī)相催化、酶的化學(xué)修飾及酶工程反應(yīng)器等具有工程特色的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括酶的分段鹽析及透析、酶工業(yè)純化效果評價(jià)、酶的固定化和固定化酶應(yīng)用等酶工程基本技術(shù)。

2 教學(xué)方法與手段

（1）重視緒論教學(xué)：講授好第一章緒論部分的內(nèi)容是吸引學(xué)生學(xué)習(xí)本課程注意力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力的關(guān)鍵所在。[3]同時(shí)通過酶生產(chǎn)企業(yè)、應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景的介紹，激發(fā)了學(xué)生對該學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，滲透專業(yè)思想教育。通過緒論教學(xué)，著重強(qiáng)調(diào)酶工程是一門與生物化學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵工程和基因工程等其它學(xué)科領(lǐng)域有密切聯(lián)系的課程，學(xué)習(xí)這門課不僅可以將過去學(xué)習(xí)的零散知識系統(tǒng)化，又可使理論知識得以與生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合。

（2）案例教學(xué)：案例可以是具體的科研課題或者是生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的具體問題，使教學(xué)內(nèi)容跟上學(xué)科的時(shí)代發(fā)展。[4]作為一種互動(dòng)式的教學(xué)，教師提出問題（如：如何利用酶工程手段提高酶在應(yīng)用過程中的熱穩(wěn)定性、如何通過技術(shù)手段多環(huán)節(jié)降低用酶成本），適時(shí)啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析并解決實(shí)際問題，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，將傳授知識從單向的灌輸轉(zhuǎn)為雙向的交流，使學(xué)生變由被動(dòng)聽講轉(zhuǎn)為主動(dòng)參與，深化理解知識點(diǎn)，有利于提高教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生各項(xiàng)綜合能力的培養(yǎng)。同時(shí)，這種方法對教師本身也具有促進(jìn)作用，教師不僅要熟讀教材，而且要查閱最新文獻(xiàn)，追蹤該領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)結(jié)合科研和生產(chǎn)實(shí)際，舉出新的實(shí)例。因此，案例教學(xué)法可以更好的實(shí)現(xiàn)“以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)帶動(dòng)科研”的雙贏效果。[5]

（3）啟發(fā)式教學(xué)：采用啟發(fā)式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，實(shí)現(xiàn)教師主導(dǎo)作用與學(xué)生積極性相結(jié)合。例如酶和細(xì)胞固定化部分，讓學(xué)生設(shè)想能不能以固定化細(xì)胞的方式代替現(xiàn)有的游離細(xì)胞方式來生產(chǎn)維生素C？是否可以采用固定化酶或者游離酶催化形式？列出酶催化甾體羥基化反應(yīng)式后，讓學(xué)生推測利用該反應(yīng)進(jìn)行細(xì)胞催化時(shí)如何控制生產(chǎn)條件才能提高底物的轉(zhuǎn)化效率，采用固定化細(xì)胞進(jìn)行甾體羥基化催化是否具有可行性？進(jìn)而引入理論知識的講解。

（4）多媒體演示：講授酶的大規(guī)模發(fā)酵、純化以及酶反應(yīng)器部分內(nèi)容時(shí)，將作者在酶工程企業(yè)現(xiàn)場拍攝的照片或視頻以及互聯(lián)網(wǎng)上精選的多媒體資料，向?qū)W生展示相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)物圖片和結(jié)構(gòu)圖。由于作者本人有在企業(yè)使用這些設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，因此可以較為詳細(xì)的講授其流程、原理和操作技術(shù)，收到了良好的教學(xué)效果。

3 課程的改進(jìn)方向

通過課堂設(shè)計(jì)和教學(xué)方法方面的探索和應(yīng)用，收到了良好的教學(xué)效果。在以后的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，需要以核心課程評估體系為依據(jù)，進(jìn)一步加大實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備的投入力度，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)更貼近生產(chǎn)實(shí)踐的工程類試驗(yàn)，更具實(shí)用性。同時(shí)繼續(xù)加大教學(xué)方法的改進(jìn)力度，充分利用各種手段特別是現(xiàn)代教育技術(shù)增強(qiáng)教學(xué)效果。創(chuàng)造機(jī)會讓學(xué)生參與酶工程企業(yè)進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)。讓學(xué)生更多的參與實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，多進(jìn)行綜合性、研究性的實(shí)驗(yàn)，[6]激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和分析、解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 國務(wù)院.“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃. 2016年.

[2] 魏東芝.定制酶分子機(jī)器/細(xì)胞工廠，引領(lǐng)生物制造產(chǎn)業(yè)未來[C].中國酶工程學(xué)術(shù)研討會，2017.

[3] 孔維寶，楊紅，曾家豫，牛世全.生物技術(shù)本科專業(yè)“酶工程”課程的教學(xué)實(shí)踐與思考[J].生物學(xué)雜志，2015.32（05）：101-103，100.

[4] 吳士筠，魏艷芬，樂薇.生物工程專業(yè)酶工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探索與實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊），2014（03）：122-123.

[5] 周海巖，王亞軍，牛坤，賈東旭，王遠(yuǎn)山，鄭裕國.“酶工程”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2016.6（03）：40-43.

[6] 周香艷，張寧，王翠玲，王旺田，吳兵，司懷軍.酶工程課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].生物學(xué)雜志：1-4