增強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合意識(shí)的生化工程教學(xué)改革

于貞 姜愛麗 常秀蓮 林劍 鞠寶 邢榮蓮

【摘 要】《生化工程》是生物工程專業(yè)最難得課程之一，它理論抽象、邏輯性和綜合性強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)的要求高，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，授課過程將《生化工程》是為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化服務(wù)的這一思想貫穿在整個(gè)教學(xué)過程中，將基本概念與基本原理始終與它們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用結(jié)合起來，增強(qiáng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的意識(shí)，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】生化工程;產(chǎn)業(yè)化;理論聯(lián)系實(shí)踐;教學(xué)效果

【中圖分類號(hào)】G642 ??????【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）11-0112-01

《生化工程》是將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的學(xué)科，它研究和解決的是生物反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題[1，2]，因而《生物化學(xué)工程》是生物工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，在生物工程專業(yè)課教學(xué)中占有十分重要的地位，對(duì)于提高學(xué)生的理論水平起到重要的作用。

隨著近幾年高校的不斷擴(kuò)召，學(xué)生數(shù)量猛增，而教學(xué)資源相對(duì)不足，特別是象高等數(shù)學(xué)這樣的基礎(chǔ)課，學(xué)生大班上課，再加上數(shù)學(xué)課的邏輯性強(qiáng)，很多學(xué)生對(duì)高等數(shù)學(xué)都很頭疼。而《生化工程》課，本身對(duì)高等數(shù)學(xué)的要求比較高，同時(shí)其前修課程，恰恰包括了對(duì)數(shù)學(xué)要求很高的《物理化學(xué)》、《化工原理》，同時(shí)還包括《生物化學(xué)》、《微生物學(xué)》等課程，因此，《生化工程》是一門綜合性強(qiáng)，理論性強(qiáng)和邏輯性強(qiáng)，讓學(xué)生覺得難度很大的理論基礎(chǔ)課程[3]，特別是其中涉及的反應(yīng)機(jī)理和所得的動(dòng)力學(xué)方程，讓學(xué)生看到了一堆的數(shù)學(xué)公式，畏難情緒高漲，對(duì)這門課有著抵觸情緒，學(xué)得很是艱難，對(duì)理論的把握達(dá)不到教學(xué)要求，難以在實(shí)踐過程中加以運(yùn)用，因而影響了我們的教學(xué)效果。

以往的《生化工程》教學(xué)過程中注重讓學(xué)生加深對(duì)動(dòng)力學(xué)理論的理解，因而授課過程中強(qiáng)化是理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，即便有為了強(qiáng)化理論運(yùn)用的計(jì)算題，學(xué)生仍然覺得上《生物化學(xué)工程》課太難，因?yàn)閷W(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，碰到與數(shù)學(xué)關(guān)系密切的課本能的抗拒，再加上《生化工程》的前置課程《物理化學(xué)》和《化工原理》也是和數(shù)學(xué)關(guān)系密切的課，所以一直以來，《生化工程》的教學(xué)效果不盡如人意，教師講得累，學(xué)生學(xué)得也辛苦，難以達(dá)到學(xué)生提高理論水平的要求。因此，如何在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深入理解《生化工程》的理論知識(shí)，并學(xué)會(huì)將這些理論用來指導(dǎo)生產(chǎn)，強(qiáng)化學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的意識(shí)，提高學(xué)生分析問題解決問題的能力，是教學(xué)中面臨的重大課題。結(jié)合長期的本科教學(xué)工作，筆者對(duì)《生化工程》的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行了逐步的探索，取得了良好的教學(xué)效果。

一、在授課過程中強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)好《生化工程》的使命感

《生化工程》是在青霉素工業(yè)化生產(chǎn)的過程中，創(chuàng)造性的應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)的原理與方法解決了青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中產(chǎn)黃青霉需氧和染菌的主要矛盾，使得青霉素的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，可以說青霉素工業(yè)化生產(chǎn)的歷史就是《生化工程》誕生的歷史。它解決了好養(yǎng)微生物發(fā)酵的關(guān)鍵技術(shù)問題即氧的傳質(zhì)，培養(yǎng)基和空氣的滅菌技術(shù)解決了染菌的難題，引發(fā)了其他好養(yǎng)微生物發(fā)酵產(chǎn)品比如氨基酸工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)，開創(chuàng)了好氧發(fā)酵的新紀(jì)元，而《生化工程》也是在解決發(fā)酵生產(chǎn)過程中遇到的新的具有共性的工程技術(shù)的過程中得到不斷的發(fā)展。所以《生化工程》其實(shí)是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的橋梁，是為工業(yè)化服務(wù)的，這一思想貫穿在整個(gè)授課過程中，不斷強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到《生化工程》在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中能夠解決哪些工程技術(shù)問題，產(chǎn)生什么樣的經(jīng)濟(jì)效益，明確《生化工程》在學(xué)科體系中的重要性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)好《生化工程》的使命感。

二、將《生化工程》理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的意識(shí)

1.將《生化工程》的基本概念與和實(shí)驗(yàn)方案相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)概念的理解。

《生化工程》被認(rèn)為是生物工程專業(yè)最難的課程之一。該課程理論抽象，推理太難，對(duì)數(shù)學(xué)的要求特別高，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高。

為了使學(xué)生加深對(duì)《生化工程》理論的理解，在講解基本概念時(shí)，從生產(chǎn)實(shí)例入手，通過生產(chǎn)實(shí)例的介紹過渡到基本概念的引出，并力求將概念具體化和實(shí)踐化，也就是將概念轉(zhuǎn)化成在實(shí)驗(yàn)室能進(jìn)行測(cè)定的參數(shù)，這樣概念就是活的，更有利于學(xué)生對(duì)基本概念的把握。比如在講述生物工程的基本概念時(shí)，先從合成氨和味精生產(chǎn)兩個(gè)典型的化學(xué)反應(yīng)過程入手，分析兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程不同特點(diǎn)，點(diǎn)明產(chǎn)生這種差別的原因是因?yàn)榇呋瘎┑牟煌鸬?，再進(jìn)一步引申出生物工程的基本概念，并根據(jù)生物催化劑在生物反應(yīng)過程的不同用途，讓學(xué)生根據(jù)生活舉出具體的產(chǎn)品實(shí)例

比如在講培養(yǎng)基高溫短時(shí)滅菌的基本原理時(shí)，這里涉及到反應(yīng)的活化能，“活化能”這個(gè)概念，其實(shí)在《無機(jī)化學(xué)》、《有機(jī)化學(xué)》和《物理化學(xué)》等課程中均有涉獵，它表示反應(yīng)分子達(dá)到活化分子所需的能量，活化能影響了化學(xué)反應(yīng)速率的快慢，催化劑如酶能降低反應(yīng)活化能，所以能加快化學(xué)反應(yīng)速率。如何測(cè)定一個(gè)反應(yīng)的活化能？怎么就知道芽孢受熱死亡的活化能高，營養(yǎng)物質(zhì)受熱分解的活化能低？根據(jù)反映活化能和反應(yīng)速率相互關(guān)系的阿倫紐斯定理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并確定實(shí)驗(yàn)過程中要測(cè)定哪些數(shù)據(jù)，如何處理這些數(shù)據(jù)才能減少誤差，最后獲得反應(yīng)的活化能。通過這種方式，將《生化工程》中所涉及到的概念盡可能的轉(zhuǎn)化成為在實(shí)驗(yàn)室能夠檢測(cè)的參數(shù)，使學(xué)生對(duì)概念的理解和掌握更加深入。

《生化工程》中涉及到的公式有很多，為了讓學(xué)生學(xué)會(huì)從工程角度處理實(shí)際問題，我們會(huì)首先從反應(yīng)的機(jī)理出發(fā)，用數(shù)學(xué)的方法嚴(yán)密的推導(dǎo)出來，讓學(xué)生了解的動(dòng)力學(xué)方程的出處，對(duì)動(dòng)力學(xué)中各變量和模型參數(shù)有清晰的認(rèn)識(shí)。這樣可以增強(qiáng)學(xué)生的邏輯思維，加深學(xué)生對(duì)公式的理解，同時(shí)為了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用這些公式，我們把重點(diǎn)放到如何根據(jù)所得的動(dòng)力學(xué)方程，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案，以便獲得我們所需的模型參數(shù)，并在生產(chǎn)過程中如何根據(jù)模型參數(shù)的物理意義來甄別實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞。這樣學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)模型的理解更為透徹，能更好地將理論運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去。

2.將理論原理與實(shí)例分析相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

理論原理的講授一般比較枯燥，為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一般從理論原理產(chǎn)生的生產(chǎn)背景和理論背景出發(fā)，闡明當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)背景下面臨的主要矛盾，人們是如何解決這個(gè)主要矛盾從而導(dǎo)致新的理論的突破和產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的大幅提高，比如味精的大規(guī)模生產(chǎn)和普及。味精最初是用鹽酸將小麥蛋白降解，再將谷氨酸提純，最后用強(qiáng)堿進(jìn)行中和后生成谷氨酸單鈉即味精，然而這種方式生產(chǎn)的味精，對(duì)原料的利用率低，生產(chǎn)過程中要用到強(qiáng)酸強(qiáng)堿，對(duì)設(shè)備和環(huán)境的破壞也很嚴(yán)重，因而當(dāng)時(shí)的味精是一種奢侈品，而好養(yǎng)發(fā)酵工藝的產(chǎn)生，對(duì)味精的生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響，不僅因?yàn)榘l(fā)酵法對(duì)環(huán)境友好，條件溫和，而且采用深層液體發(fā)酵技術(shù)，使得產(chǎn)量大幅度增加，使得味精很快就成為普通家庭的生活必需品，提高了人們的生活水平。這樣不僅使學(xué)生了解了理論原理的發(fā)展歷史，而且看到了理論突破對(duì)生產(chǎn)力的作用，增強(qiáng)了學(xué)生分析問題解決問題的信念。由于學(xué)生上《生化工程》之前經(jīng)歷過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，學(xué)生對(duì)生物工程相關(guān)企業(yè)有了初步了解，所以在授課過程中介紹完將基本原理后，讓學(xué)生用學(xué)過的原理解釋生產(chǎn)實(shí)習(xí)看到的現(xiàn)象，將認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)中獲得的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。

3.將生物化學(xué)工程基本原理與生產(chǎn)工藝的優(yōu)化相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的意識(shí)。

《生化工程》本身就是將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的學(xué)科，因此生化產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化過程中的傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞及反應(yīng)過程的優(yōu)化都離不開《生化工程》的理論指導(dǎo)。因此結(jié)合生產(chǎn)過程中遇到的實(shí)際問題，是如何利用生化工程的基本原理結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)加以解決的，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際生產(chǎn)和科研過程中如何利用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本原理來優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。比如在青霉素生產(chǎn)過程中如果用BSTR會(huì)由于產(chǎn)黃青霉比生長速率低導(dǎo)致發(fā)酵周期長達(dá)100h，而利用三個(gè)CSTR串聯(lián)來對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化，可以縮短發(fā)酵時(shí)間32h，大大提高了單位時(shí)間產(chǎn)品的產(chǎn)率;同時(shí)在發(fā)酵過程中，利用微生物生長和青霉素形成均與溫度有關(guān)的特點(diǎn)，建立起微生物生長速率、青霉素生成速率與溫度的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)得到青霉素生成過程中各個(gè)時(shí)期的最佳溫度，對(duì)青霉素的生產(chǎn)過程實(shí)行分段控制的先進(jìn)生產(chǎn)工藝，使青霉素的產(chǎn)量比恒溫控制時(shí)提高了76.6%[4]，大大提高了單位發(fā)酵液中青霉素的效價(jià)，讓學(xué)生深刻體會(huì)到《生化工程》的基本理論對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，有利于學(xué)生在今后的科研和工作過程中更好地利用《生化工程》的基本原理解決實(shí)際問題。

通過以上改革，使學(xué)生加深了對(duì)《生物化學(xué)工程》課程基本概念、基本理論的理解，對(duì)基本結(jié)論的理解更加深刻，并能夠很熟練地根據(jù)所學(xué)理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，且對(duì)所得的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行正確處理，對(duì)于提高同學(xué)們的實(shí)際操作能力、理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題解決問題的能力有著顯著的推動(dòng)作用。隨著上述實(shí)踐教學(xué)體系的不斷提高和完善，對(duì)于生物工程專業(yè)的整體教學(xué)水平的提高也必將有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]戚以政，汪淑雄.生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[2]賈士儒.生物反應(yīng)工程原理[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]韓培培，賈士儒，喬長晟.淺談如何上好生物反應(yīng)工程課[J].廣州化工，2012（3）：148-154.

[4]山根恒夫.生化反應(yīng)工程（周斌譯）[M].西安：西北大學(xué)出版社，1992.

作者簡(jiǎn)介：于貞，女，（1973-），博士，副教授，從事生物工程教學(xué)與科研工作。

項(xiàng)目基金：煙臺(tái)大學(xué)2017年教改項(xiàng)目《強(qiáng)化學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合意識(shí)、提高學(xué)生素質(zhì)的生化工程教學(xué)改革》資助。