基于“全產(chǎn)業(yè)鏈”理念的《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革與實(shí)踐

尹業(yè)師 陳華海 李百元

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展和全球化趨勢(shì)的日益加強(qiáng)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革正在穩(wěn)步推進(jìn)，各行各業(yè)應(yīng)用型本科人才需求隨之不斷增加。各高校，尤其是地方應(yīng)用型本科院校，在加快新工科專業(yè)認(rèn)證和促進(jìn)卓越工程人才培養(yǎng)的大背景下，需要進(jìn)一步改革和提高應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。生物工程專業(yè)是一個(gè)直接對(duì)接產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工科類專業(yè)，要求培養(yǎng)出能應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)和技術(shù)方法解決生產(chǎn)實(shí)際問題的應(yīng)用型、技術(shù)型人才。本文探討了基于“全產(chǎn)業(yè)鏈”理念的《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革，包括改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體系、教學(xué)方式和考核方式等，并對(duì)其在生物工程專業(yè)本科生教學(xué)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】全產(chǎn)業(yè)鏈? 生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)? 教學(xué)改革? 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

【基金項(xiàng)目】湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目的資助。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）47-0058-02

為了更好培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程設(shè)計(jì)能力、能夠適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需求的高質(zhì)量應(yīng)用型工程人才，教育部于2010年6月啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”。經(jīng)過近10年的實(shí)踐，教育部于2018年10月再次推廣實(shí)施“六卓越一拔尖”2.0計(jì)劃，全面推進(jìn)和加強(qiáng)“四新”（新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科）建設(shè)?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”的三大特點(diǎn)分別是：強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力;學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才;行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程。其目標(biāo)很明確，就是要加快推進(jìn)應(yīng)用型和技能型人才培養(yǎng)，以應(yīng)對(duì)第四次工業(yè)革命需要。

生物產(chǎn)業(yè)與人類健康和衣食住行等密切相關(guān)，是一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，已進(jìn)入新的發(fā)展階段。生物工程是生物產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是誕生于 20 世紀(jì) 90 年代的一門新興綜合性應(yīng)用學(xué)科，是以分子生物學(xué)的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程、電子、機(jī)械和計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)學(xué)科而發(fā)展起來的交叉應(yīng)用型學(xué)科[1]。生物工程專業(yè)以工科為主、以理科為輔、工科理科和管理學(xué)結(jié)合[2]。其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握生物學(xué)基本原理和基本技能，能在生物學(xué)或醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域從事產(chǎn)品開發(fā)、工程設(shè)計(jì)或生產(chǎn)管理的綜合性、應(yīng)用型高素質(zhì)工程技術(shù)人才?！肮こ獭睂I(yè)特點(diǎn)決定了所培養(yǎng)學(xué)生除了需要具有生物學(xué)背景外，更需要具有良好的工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力。

當(dāng)前，大多數(shù)高校在“重理論輕實(shí)踐”等傳統(tǒng)教學(xué)理念的影響下，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。就理工科學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有非常重要的意義。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)之一。實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低[3-5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅有利于學(xué)生將所學(xué)基本理論應(yīng)用于實(shí)踐，而且還可以提高其實(shí)驗(yàn)技能和有助于鞏固其理論知識(shí);同時(shí)，通過設(shè)計(jì)開設(shè)一些綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣和提高學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力，將為學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)與對(duì)接企業(yè)需求奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在全面推進(jìn)新工科建設(shè)的大背景下將發(fā)揮更加重要的作用。然而當(dāng)前生物工程專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中還存在著驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比重較大;實(shí)用和前沿技術(shù)涉及比例較少;實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏頂層設(shè)計(jì)，很難體現(xiàn)出系統(tǒng)性和連貫性;理論與實(shí)踐結(jié)合不緊密等問題[6]。因此，為了更好地提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和增強(qiáng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)課的積極性，生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已迫在眉睫。

全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侵屑Z集團(tuán)提出的一種新的企業(yè)發(fā)展模式，包括產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷售甚至銷后的每一個(gè)環(huán)節(jié)。全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)菫榱诉_(dá)到同一個(gè)目標(biāo)而有意設(shè)計(jì)的多環(huán)節(jié)、多品類、多功能有機(jī)結(jié)合、整體運(yùn)作的組織;具有系統(tǒng)性和能往下游延伸、附加值高、上下游資源配置平衡、創(chuàng)新貫穿始終等特點(diǎn)。如今全產(chǎn)業(yè)鏈理念已經(jīng)滲透和潛移默化融合入各行各業(yè)。生物工程專業(yè)講授的核心內(nèi)容包括基因工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程、酶工程和細(xì)胞工程五大模塊。這五大模塊之間既可獨(dú)成一體，也在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中表現(xiàn)為上下游關(guān)系，且各模塊之間存在著交叉重疊，很適合使用“全產(chǎn)業(yè)鏈”理念指導(dǎo)開展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。

習(xí)近平總書記在視察北京大學(xué)時(shí)發(fā)表重要講話，要求各高校扎根中國(guó)大地辦大學(xué)，辦好中國(guó)的世界一流大學(xué)。這成為中國(guó)高校進(jìn)一步落實(shí)立德樹人根本任務(wù)、培育和踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀和沿著正確方向更快更好發(fā)展的標(biāo)志性新起點(diǎn)。湖南科技學(xué)院作為地方本科院校，更應(yīng)立足實(shí)際，結(jié)合自身特點(diǎn)，明確辦學(xué)目標(biāo)，辦出特色、辦出水平，培養(yǎng)更多的特色人才。同時(shí)，地方本科院校承載著為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重任。地方本科院校更應(yīng)在新的發(fā)展形勢(shì)下，順應(yīng)時(shí)代潮流，回歸高等教育本質(zhì)，培養(yǎng)出社會(huì)發(fā)展需要的高級(jí)應(yīng)用型人才，從而提高其自身核心競(jìng)爭(zhēng)力，更好地為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

為了達(dá)到生物工程專業(yè)應(yīng)用型、復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)，更好地對(duì)接產(chǎn)業(yè)服務(wù)地方。針對(duì)當(dāng)前生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系存在的一些問題，在“全產(chǎn)業(yè)鏈理念”的指導(dǎo)下，學(xué)校嘗試在生物工程專業(yè)大三學(xué)生新開設(shè)了《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》，并對(duì)其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精密謀劃和設(shè)計(jì)。1.優(yōu)化“生物工程綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容：以培養(yǎng)高水平應(yīng)用型工科人才為目標(biāo)，以生物工程產(chǎn)品小試和中試為主線，結(jié)合最新科研成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，編寫和制定教學(xué)改革大綱。根據(jù)團(tuán)隊(duì)前期已獲得授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，擬定了3個(gè)綜合大實(shí)驗(yàn)：SFB鞭毛蛋白的體外表達(dá)純化與免疫增強(qiáng)劑研發(fā);微生物褐藻膠膜表面發(fā)酵制備與生物肥料和飼料添加劑研發(fā);S-雌馬酚的發(fā)酵制備與護(hù)膚品研發(fā)。同時(shí)根據(jù)生物學(xué)研究前沿和學(xué)生興趣愛好，選擇性地開設(shè)了細(xì)菌與宿主細(xì)胞相互作用實(shí)驗(yàn)，并將生物工程五大模塊融入到各個(gè)綜合大實(shí)驗(yàn)中。2.構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系：將科研團(tuán)隊(duì)儀器設(shè)備和學(xué)院大型共享儀器設(shè)備充分應(yīng)用到教學(xué)過程中，讓學(xué)生了解最新前沿研究進(jìn)展和儀器設(shè)備，鼓勵(lì)學(xué)生開展自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目申報(bào)、活動(dòng)策劃和科技寫作能力。3.開展校企合作：項(xiàng)目組成員與地方企業(yè)有良好的合作關(guān)系，通過與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)對(duì)接，帶領(lǐng)學(xué)生到生產(chǎn)企業(yè)見習(xí)和參觀，加深對(duì)“全產(chǎn)業(yè)鏈”認(rèn)識(shí)，提高“全產(chǎn)業(yè)鏈”創(chuàng)新意識(shí)。通過錄制企業(yè)流水線生產(chǎn)過程和模式，了解企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中經(jīng)常碰到的技術(shù)難題，引導(dǎo)學(xué)生有針對(duì)性地加強(qiáng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。4.改革教學(xué)方式：將真實(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)融入到教學(xué)，根據(jù)企業(yè)經(jīng)常碰到的技術(shù)瓶頸，模擬企業(yè)需求，集中時(shí)間和精力開展技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研發(fā)，爭(zhēng)取在2-3周內(nèi)完成產(chǎn)品研發(fā)和小試中試生產(chǎn)全過程。同時(shí)，邀請(qǐng)科研團(tuán)隊(duì)成員和企業(yè)技術(shù)研發(fā)骨干參與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，解決平時(shí)老師上課時(shí)間精力有限、指導(dǎo)不到位、不充分等問題。 5.改革考核方式：不僅考查平時(shí)出勤和實(shí)驗(yàn)操作情況，更注重考核學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、工程設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問題能力。模擬企業(yè)生產(chǎn)需求和可能碰到的研發(fā)問題擬定考試題目，重點(diǎn)提高學(xué)生的理論水平及應(yīng)用已掌握的技術(shù)方法解決實(shí)際問題能力。

以“SFB鞭毛蛋白的體外表達(dá)純化與免疫增強(qiáng)劑研發(fā)”為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化和程序化設(shè)計(jì)。同時(shí)充分考慮在全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過程中的連貫性。在全產(chǎn)業(yè)鏈上游，首先設(shè)計(jì)引物使用PCR方法從細(xì)菌基因組DNA中擴(kuò)增SFB鞭毛蛋白基因，然后采用基因克隆方法構(gòu)建可以表達(dá)SFB鞭毛蛋白的原核表達(dá)載體，采用克隆測(cè)序方法篩選含有陽(yáng)性質(zhì)粒的宿主菌株。在此過程中將基因工程相關(guān)的基因組DNA提取、PCR擴(kuò)增、凝膠電泳、DNA純化與回收、DNA雙酶切與連接、外源DNA轉(zhuǎn)化、陽(yáng)性克隆篩選、質(zhì)粒提取與測(cè)序等技術(shù)和方法進(jìn)行講解與復(fù)習(xí)。在全產(chǎn)業(yè)鏈中游，以1L發(fā)酵罐為例，講解發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，學(xué)習(xí)發(fā)酵罐運(yùn)行和操作方法。并對(duì)發(fā)酵條件優(yōu)化和發(fā)酵工藝改進(jìn)進(jìn)行重點(diǎn)講解。同時(shí)列舉講解如何解決企業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)碰到的一些問題，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)發(fā)酵注意事項(xiàng)（如何防止菌種污染、如何進(jìn)行種子復(fù)壯、如何節(jié)省成本和如何提高產(chǎn)量等）。因?yàn)楫a(chǎn)品檢測(cè)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制是企業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一，因此在課程設(shè)計(jì)時(shí)也補(bǔ)充添加了檢測(cè)技術(shù)模塊。針對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)的檢測(cè)，講解了聚丙烯酰胺凝膠電泳、蛋白質(zhì)免疫印跡和酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)等。在其它以代謝或轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)講解高效液相色譜等檢測(cè)方法。如使用高效液相色譜法檢測(cè)發(fā)酵液中S-雌馬酚含量等。在全產(chǎn)業(yè)鏈下游，重點(diǎn)講解蛋白質(zhì)純化方法（如His標(biāo)簽蛋白柱純化方法和AKATA蛋白純化儀純化方法）和產(chǎn)品開發(fā)工藝與產(chǎn)品展現(xiàn)形式（如蛋白緩沖保護(hù)液的制備和液態(tài)蛋白質(zhì)產(chǎn)品的研制、蛋白質(zhì)冷凍干燥和固態(tài)蛋白質(zhì)產(chǎn)品的研制等）?？紤]到生物工程專業(yè)是一個(gè)應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)，其研發(fā)的產(chǎn)品與生產(chǎn)實(shí)際緊密相連。實(shí)驗(yàn)過程中也進(jìn)行了產(chǎn)品效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)的延伸。如采用細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等檢測(cè)研發(fā)的SFB鞭毛蛋白產(chǎn)品的免疫調(diào)節(jié)功能等。

通過近2年的實(shí)踐，學(xué)生對(duì)《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)課的興趣明顯增強(qiáng)，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技術(shù)明顯提升，學(xué)生全產(chǎn)業(yè)鏈思想意識(shí)明顯加強(qiáng)。但在教學(xué)改革過程中也碰到了一些問題：如學(xué)生人數(shù)較多，企業(yè)參觀與接待在落實(shí)過程中存在一些困難;集中2-3周進(jìn)行綜合大實(shí)驗(yàn)存在與其它課程或其它學(xué)習(xí)任務(wù)相沖突等矛盾。因此，還有待進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化和改革。

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