基于產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)融合的《生物工程綜合實驗》全鏈條教學(xué)改革與實踐

王玉玨 王偉宸 宋哲 丁亞駿 戴桂馥

摘 要：為增強學(xué)生對生物工程技術(shù)體系構(gòu)架的全面理解和認(rèn)識，基于產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)融合理念，以教學(xué)團隊科技轉(zhuǎn)化成果為基礎(chǔ)開設(shè)《生物工程綜合實驗》課程，實現(xiàn)生物工程的全鏈條實戰(zhàn)訓(xùn)練。通過開展半開放性實驗，采用課上—課下相結(jié)合以及多模塊交叉并行等教學(xué)模式，強化學(xué)生主體地位，激發(fā)學(xué)生科研興趣。課程改革完善了生物工程實驗教學(xué)體系，凸顯了學(xué)科特色與優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：生物工程;綜合實驗;教學(xué)改革;全鏈條工藝過程

生物工程是以分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)和化工原理的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，通過操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，并通過合適的生物反應(yīng)器對這類“工程菌”或“工程細(xì)胞株”進行大規(guī)模培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨特生理功能的一種新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)[1]。我國生物工程行業(yè)規(guī)模不斷擴大，人才需求量極大。為了更好地適應(yīng)新形勢下的機遇和挑戰(zhàn)，此行業(yè)對生物工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)提出了更高的要求。因此，如何才能夠培養(yǎng)出高素質(zhì)創(chuàng)新性應(yīng)用型生物工程人才，是值得我們深入思考并亟待解決的教育問題[2]。

一、生物工程綜合實驗教學(xué)改革背景

生物工程作為一個應(yīng)用型學(xué)科，其專業(yè)課程實驗教學(xué)是培養(yǎng)工程化人才的重要途徑。近年來，國家對高校投入不斷加大，實驗室的硬件設(shè)施顯著改善，各高校結(jié)合自身的辦學(xué)優(yōu)勢與特色，實驗（實踐）類課程均有所增加[3]。鄭州大學(xué)生物工程專業(yè)始建于2008年，大部分專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課都開設(shè)了相應(yīng)的實驗課程，同時在第三學(xué)年下學(xué)期還開設(shè)了《生物工程綜合實驗》課程。與國內(nèi)生物工程專業(yè)學(xué)科排名靠前的院校相比，我校《生物工程綜合實驗課程》課時明顯不足，且仍以驗證性或演示性的實驗為主，在系統(tǒng)性、整體性、開放性和創(chuàng)新性方面尚有提升空間。因此，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考評方式等方面對《生物工程綜合實驗》課程進行深入改革。

二、基于產(chǎn)學(xué)研融合理念設(shè)置生物工程綜合實驗全鏈條教學(xué)內(nèi)容

乳酸是目前世界上公認(rèn)的三大有機酸之一。隨著白色污染日益嚴(yán)重，可生物降解的聚乳酸產(chǎn)品作為有可能取代傳統(tǒng)塑料的新型聚合材料也越來越受到人們的關(guān)注。為推動生物可降解塑料的快速普及，降低聚乳酸的生產(chǎn)成本，選育乳酸高產(chǎn)株，提高乳酸的光學(xué)純度和產(chǎn)量已成為當(dāng)今有機酸工業(yè)研究的重點[4]。早在2005年，本教學(xué)團隊已與金丹乳酸科技有限公司合作開展聯(lián)合攻關(guān)。目前，該企業(yè)由原來年產(chǎn)DL-乳酸2～3萬噸增至年產(chǎn)L-乳酸十余萬噸。隨后，在河南省重大公益科研招標(biāo)項目的支持下，科研團隊開發(fā)了玉米秸稈生產(chǎn)L-乳酸的全套技術(shù)（相關(guān)專利技術(shù)已轉(zhuǎn)化），為本課程“產(chǎn)學(xué)研”融合實踐教學(xué)提供了基礎(chǔ)。

典型的生物工程工藝過程涉及種子制備—培養(yǎng)基配制—滅菌—生物反應(yīng)器培養(yǎng)（參數(shù)檢測）—發(fā)酵液預(yù)處理—產(chǎn)物分離提取—產(chǎn)品質(zhì)量檢測等諸多單元操作，生產(chǎn)周期長[5]。基于產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)融合的教學(xué)理念，結(jié)合本教學(xué)團隊在L-乳酸菌種和技術(shù)上的優(yōu)勢與特色，本課程選取發(fā)酵周期短、易于獲取的初級代謝產(chǎn)物L(fēng)-乳酸作為研究對象。以L-乳酸生產(chǎn)菌株芽孢桿菌W1作為出發(fā)菌株，以L-乳酸的生產(chǎn)為主線，結(jié)合菌種改造、培養(yǎng)基優(yōu)化、生產(chǎn)放大、分離純化和產(chǎn)物測定等生產(chǎn)工藝，設(shè)置“芽孢桿菌W1理性選育與基因工程改造方案設(shè)計”“芽孢桿菌W1發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸培養(yǎng)基配方優(yōu)化”“利用小型臺式原位玻璃發(fā)酵罐制備L-乳酸研究”“鈣鹽法提取L-乳酸研究”和“發(fā)酵產(chǎn)物檢測分析”等五個環(huán)環(huán)相扣的實驗教學(xué)模塊。通過科研與實驗教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)與探索中獲得初步提純的乳酸產(chǎn)品，實現(xiàn)生物工程工藝過程全鏈條教學(xué)。

三、生物工程綜合實驗教學(xué)內(nèi)容改革

針對原有課程存在的：（1）未實現(xiàn)工藝過程的全覆蓋，各實驗單元相對獨立，不利于學(xué)生形成系統(tǒng)、完整的技術(shù)體系;（2）內(nèi)容的先進性、創(chuàng)新性、開放度不足，難以適應(yīng)生物工程領(lǐng)域的高速發(fā)展，不能契合經(jīng)濟發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求等問題，教學(xué)團隊對課程內(nèi)容進行了一系列改革。原有課程與改革后課程實驗內(nèi)容對比見下表。

首先，為提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)科研興趣，強化微生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程等基礎(chǔ)理論知識，增加“芽孢桿菌W1理性選育與基因工程改造方案設(shè)計”的菌種選育環(huán)節(jié)。其中，理性選育環(huán)節(jié)采用紫外線誘變結(jié)合透明圈篩選高產(chǎn)菌株;基因工程改造方案設(shè)計環(huán)節(jié)要求學(xué)生通過文獻調(diào)研，課程結(jié)束后一周內(nèi)提交方案。方案審核通過后允許學(xué)生進入任課教師課題組延展為畢業(yè)設(shè)計，研究成果可進一步應(yīng)用于后續(xù)教學(xué)內(nèi)容改革，實現(xiàn)教學(xué)科研深入交叉融合。

其次，為了充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)其科研興趣，提升自主設(shè)計與科研能力，將模塊二的單輪次正交試驗改為利用專業(yè)軟件的立體式培養(yǎng)基優(yōu)化實驗，改革后的實驗?zāi)K將涉及Plackett-Burman（PB）設(shè)計、最陡爬坡設(shè)計、響應(yīng)面設(shè)計三種優(yōu)化方法，且PB優(yōu)化結(jié)果是最陡爬坡實驗設(shè)計的基礎(chǔ)，爬坡優(yōu)化的結(jié)果又是響應(yīng)面優(yōu)化的基礎(chǔ)，環(huán)環(huán)相扣。結(jié)合半開放式的教學(xué)模式改革，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，提高學(xué)生的參與度，使學(xué)生切身體會到科學(xué)實驗的魅力。

再次，為了強化學(xué)生的工程思維和對生物工程工藝過程的完整認(rèn)識，改變原發(fā)酵與提取精制的分段式教學(xué)，并將原本的發(fā)酵罐演示實驗改為學(xué)生操作實驗，發(fā)酵結(jié)束后的發(fā)酵液將直接作為模塊四的原料進行L-乳酸的分離純化。貫通搖瓶制種→培養(yǎng)基配制→生物反應(yīng)器實消→接種→自控發(fā)酵→在線離線自控檢測→發(fā)酵液預(yù)處理→乳酸鈣結(jié)晶→乳酸解析→工藝評估與質(zhì)量檢測的工藝全過程，使操作單元聯(lián)系更緊密，較為真實地還原工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

最后，鑒于大型分析儀器已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，為開拓學(xué)生視野，提升其與企業(yè)生產(chǎn)實踐接軌的能力，改變原來缺少大型專業(yè)設(shè)備使用經(jīng)歷的教學(xué)，增加高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（HPLC-MS）等設(shè)備的教學(xué)與使用，用于模塊四中純化后L-乳酸產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。

此外，教材是學(xué)生學(xué)習(xí)知識的重要窗口，然而該課程往年主要通過演示示范的形式講授，缺乏系統(tǒng)規(guī)范的紙質(zhì)教材，所采用實驗教案內(nèi)容也較為陳舊，不利于學(xué)生對綜合實驗整體的把握及理解。教學(xué)團隊依據(jù)自身科研經(jīng)歷，結(jié)合本課程特色及研究前沿，編寫了與學(xué)科內(nèi)容相適應(yīng)的實驗教材（指南），便于學(xué)生了解實驗總體流程及關(guān)鍵點，實現(xiàn)教材育人的目的。

四、生物工程綜合實驗教學(xué)模式改革與實踐

針對原有以教師為主導(dǎo)的“演示與驗證”教學(xué)模式中存在的學(xué)生參與度低、主觀能動性差，以及創(chuàng)新意識得不到有效培養(yǎng)等問題[6]，從以下五個方面進行改革。

（一）交叉式實驗安排有效利用零散時間

該課程安排在大三下學(xué)期結(jié)束前，規(guī)定學(xué)時為8天，課時有限，而生物工程各模塊實驗連續(xù)性強，培養(yǎng)基配制、滅菌和微生物生長等過程耗時較長。盡管已經(jīng)選擇了生長周期短、產(chǎn)品易得的芽孢桿菌作為研究材料，但在增加教學(xué)內(nèi)容的情況下從模塊一到模塊四的順序開展仍需至少112學(xué)時（見上表）。為了在有限時間內(nèi)使學(xué)生完成從原料到產(chǎn)品的整個工藝過程實訓(xùn)，我們利用微生物生長及發(fā)酵的間隙使多個實驗?zāi)K交叉并行，充分合理利用時間。例如，模塊二“芽孢桿菌W1發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸培養(yǎng)基配方優(yōu)化”涉及了PB設(shè)計、最陡爬坡實驗和響應(yīng)面設(shè)計共3種培養(yǎng)基配方優(yōu)化方法，實驗總耗時長達64學(xué)時，貫穿綜合實驗始末。同樣，模塊五作為技術(shù)支撐也始終貫穿整個實驗。然而除了培養(yǎng)基設(shè)計與配制和發(fā)酵樣品檢測操作外，大多時間都在等待菌體生長或發(fā)酵產(chǎn)物合成，故在模塊二操作間隙可交叉安排開展菌株選育、發(fā)酵罐空消等實驗，使實驗內(nèi)容更加緊湊。

（二）課上—課下結(jié)合半開放式教學(xué)

將模塊二的配方優(yōu)化環(huán)節(jié)設(shè)置為開放性實驗，學(xué)生需提前安裝并學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件Minitab17，在初始培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上自行設(shè)計優(yōu)化方案，完成PB設(shè)計—最陡爬坡設(shè)計—響應(yīng)面設(shè)計，并與老師討論后再開展實驗。課上—課下結(jié)合的半開放式教學(xué)模式提高了學(xué)生的參與度和主觀能動性，培養(yǎng)了其科研興趣及分析和解決問題的能力，有效提升學(xué)生的科研水平。另外，為有效實現(xiàn)科研反哺教學(xué)，提高教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性，將模塊一設(shè)置成創(chuàng)新延展性實驗，要求學(xué)生查閱文獻設(shè)計“基因工程育種”方案，構(gòu)建利用木質(zhì)纖維素水解糖（己糖和戊糖）生產(chǎn)L-乳酸的工程菌。教師審核后遴選創(chuàng)新性開放設(shè)計中表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生加入科研團隊，利用先進的科研平臺進一步開展探索性實驗，并納入學(xué)校畢業(yè)設(shè)計管理中，經(jīng)費由授課教師團隊負(fù)責(zé)支持。

（三）合理設(shè)置分組

生物工程綜合實驗內(nèi)容多課時短，故常設(shè)置實驗小組，以組為單元開展實驗。往年，40人的教學(xué)班被分為3個大組，因每組學(xué)生過多經(jīng)常出現(xiàn)“一人操作，多人圍觀”的現(xiàn)象。為此，我們調(diào)整分組，控制每組學(xué)生數(shù)。以2018級為例，生物工程專業(yè)分為兩個教學(xué)班，平均每班26位同學(xué)，課前組織學(xué)生自由結(jié)合分為4組，平均每組6～7人，與以往每組13人相比，使每個學(xué)生都有充分的鍛煉和展示機會。其次，受時間限制，課程存在多個實驗?zāi)K交叉并行的情況，各小組教學(xué)組長需充分發(fā)揮組織協(xié)調(diào)能力，合理安排各組員的實驗任務(wù)，使各實驗?zāi)K均能有條不紊進行，培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)協(xié)作能力，達到所有學(xué)生都能獨當(dāng)一面的目的。

（四）團隊教學(xué)

與原有的1～2名教師集中授課不同，本課程由科研經(jīng)歷豐富的教授領(lǐng)銜，采用科研團隊（6～7人）集體授課的形式，師生比例大幅提高，切實提高教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果。經(jīng)過數(shù)年積累，本課程已形成了一支教學(xué)和科研實力比較雄厚的師資團隊，其中大部分教師是來自科研團隊的骨干教師，他們同時擔(dān)任生物工程專業(yè)的理論課教學(xué)，能夠?qū)⒗碚撆c實踐有機融合，使學(xué)生在鞏固基礎(chǔ)知識的同時提高動手能力。

（五）多元化考評方式

原有實驗考核主要依據(jù)實驗報告，忽視教學(xué)過程中對學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力、團隊協(xié)作精神等方面的考核?，F(xiàn)有考評方式增加對學(xué)生的實驗設(shè)計能力、實驗故障率以及作為團隊負(fù)責(zé)人的協(xié)作能力等方面的考核，使考評制度更加客觀、公正。加大實驗過程考核的比重，并將平時成績細(xì)化為“團隊協(xié)作能力”“實驗參與度（原始記錄）”及“創(chuàng)新能力（自行設(shè)計方案）”三個部分，報告成績則包括“報告撰寫”“展示答辯”和“感想與建議”三個部分。其中原始記錄務(wù)求真實清晰;自行設(shè)計方案力求詳盡可行;報告撰寫需遵從科研論文的寫作規(guī)范，做到布局合理、圖表清晰、結(jié)果可信及分析討論合理;實驗結(jié)果的展示答辯環(huán)節(jié)需做到語言凝練，邏輯清晰;課程的感想與建議則考察了學(xué)生是否真正融入整個教學(xué)過程，是否真正理解各實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計，在課程進行中是否具有質(zhì)疑與思考的習(xí)慣。

五、生物工程綜合實驗教學(xué)改革實施效果

此教學(xué)改革方案已在2017級和2018級生物工程專業(yè)本科生中實行，課堂上學(xué)生積極參與，實驗完成情況比較好;實驗報告撰寫規(guī)范，內(nèi)容翔實，結(jié)果分析可靠;方案設(shè)計新穎可行。課程結(jié)束后，部分有能力、有想法的學(xué)生加入教學(xué)團隊課題組，開展大學(xué)生創(chuàng)新實驗或畢業(yè)設(shè)計，成為科研的生力軍。此外，同學(xué)們在發(fā)表感想與建議環(huán)節(jié)對半開放式的教學(xué)模式予以充分肯定，對課程安排也提出了許多寶貴意見，為以后教學(xué)內(nèi)容及方式的改進提供參考。

結(jié)語

改革后的生物工程綜合實驗課程將團隊的科研成果與企業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，在有限的課時內(nèi)，實現(xiàn)生物工程上中下游全鏈條實驗場景的系統(tǒng)性訓(xùn)練，使學(xué)生親歷原料到產(chǎn)品的全過程，深入理解生物工程工藝，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研相融合的實踐教學(xué)體系。將傳授理論知識為主的傳統(tǒng)教育模式轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撝R與實踐能力相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式，促進產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同作用，使學(xué)生理解產(chǎn)業(yè)化思路，努力為社會培養(yǎng)更多的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

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基金項目：2021年鄭州大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實踐項目——《生物工程綜合實驗》課程基于產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)融合的應(yīng)用場景全鏈條教學(xué)改革與實踐（編號：2021ZZUJGLX006）

作者簡介：王玉玨（1991— ），女，漢族，河南人，博士，講師，主要從事微生物發(fā)酵研究。