酶工程教學(xué)改革的探索

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【摘要】根據(jù)“新工科”的發(fā)展綱要，對(duì)酶工程課程的改革進(jìn)行探索。以培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力為重點(diǎn)，進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法改革，并對(duì)其效果進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】“新工科”；酶工程；改革

1引言

近年來(lái)，針對(duì)我國(guó)制造業(yè)升級(jí)換代，以及國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的新形勢(shì)，教育部于2017年提出了“新工科”建設(shè)的工程教育改革、發(fā)展新方向，并先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”等改革綱要[1]。生物工程是生命科學(xué)中工程應(yīng)用性最強(qiáng)的專業(yè)之一，也是與醫(yī)學(xué)、化工、微電子學(xué)等領(lǐng)域深入交叉的學(xué)科[2-3]。因此，如何在現(xiàn)有課程體系下推進(jìn)“新工科”的教育改革，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，已經(jīng)成為新時(shí)期專業(yè)教師的重要課題。酶工程是生物工程課程體系中重要的理論和實(shí)踐課程，是引導(dǎo)學(xué)生將生物化學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)[4-5]。然而，目前生物工程專業(yè)的大多數(shù)本科生在畢業(yè)后對(duì)酶分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。在走上工作崗位后經(jīng)常暴露出創(chuàng)新能力不足，無(wú)法根據(jù)實(shí)際的市場(chǎng)和生產(chǎn)需求進(jìn)行工藝改良設(shè)計(jì)的問(wèn)題。為此，改革酶工程的教學(xué)模式，使之滿足“新工科”建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是提升教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。本文總結(jié)了筆者在酶工程課程“新工科”改革中的探索經(jīng)驗(yàn)，探討了教學(xué)方法革新對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程思維的效果。

2課程內(nèi)容的設(shè)置與優(yōu)化

酶工程是生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物等基礎(chǔ)學(xué)科在工程領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，它關(guān)注和解決生物化工、生物制藥、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷、食品加工等領(lǐng)域的工程技術(shù)難題。以上研究任務(wù)決定了其教學(xué)內(nèi)容的安排。目前，酶工程本科教學(xué)內(nèi)容主要包括：酶學(xué)基礎(chǔ)、酶的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化、生物酶工程、化學(xué)酶工程、酶?jìng)鞲衅鞯日鹿?jié)。上述教學(xué)內(nèi)容安排已無(wú)法體現(xiàn)酶工程的最新研究進(jìn)展，例如：納米酶、核酶和抗體酶的應(yīng)用。此外，已有內(nèi)容更偏重于理論學(xué)習(xí)，對(duì)酶的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用關(guān)注較少，因此很難有效培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，無(wú)法滿足“新工科”的建設(shè)目標(biāo)。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者將酶工程的最新進(jìn)展和工程應(yīng)用案例作為教學(xué)內(nèi)容改革的重點(diǎn)，根據(jù)各章節(jié)的教學(xué)特點(diǎn)和邏輯關(guān)系，將授課內(nèi)容重新劃分成七個(gè)模塊：酶學(xué)基礎(chǔ)、酶的分子設(shè)計(jì)、酶的生產(chǎn)與制備、核酶、納米酶、抗體酶和酶的工程應(yīng)用。其中，酶學(xué)基礎(chǔ)模塊在回顧生物化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注酶的作用機(jī)制和影響酶活性的主要因素；酶的分子設(shè)計(jì)模塊包括生物酶工程和化學(xué)酶工程兩部分，生物酶工程重點(diǎn)介紹酶的進(jìn)化篩選，而化學(xué)酶工程則主要介紹酶的化學(xué)修飾與固定化；酶的生產(chǎn)與制備模塊重點(diǎn)介紹酶的發(fā)酵與分離純化工藝；核酶模塊在回顧分子生物學(xué)相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，著重講解核酶尤其是DNA核酶的構(gòu)建方法；納米酶模塊重點(diǎn)介紹納米粒子的催化效應(yīng)和調(diào)控方法；抗體酶模塊闡述抗體酶的篩選和修飾方法；酶的工程應(yīng)用模塊則是在上述章節(jié)的基礎(chǔ)上結(jié)合案例介紹酶在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療中的應(yīng)用，例如：酶在食品加工中的應(yīng)用、酶在廢水和垃圾處理中的應(yīng)用、酶生物傳感器和抗體酶在疾病診斷和治療中的應(yīng)用等。通過(guò)上述授課內(nèi)容的革新幫助學(xué)生較為全面、系統(tǒng)地掌握酶的分子設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制備以及下游工程應(yīng)用技術(shù)。

3教學(xué)方法改革的探索

3.1多種教學(xué)方法的使用

酶工程的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)比較零散，并且和發(fā)酵工程、基因工程、分離工程等生物工程專業(yè)課程具有一定的知識(shí)重疊。這就要求在課堂教學(xué)中必須把握好各章節(jié)和知識(shí)點(diǎn)的邏輯主線，正確統(tǒng)籌已修課程和并修課程的關(guān)系，并合理使用不同教學(xué)方法，從而突出酶工程教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和特色。對(duì)于酶學(xué)基礎(chǔ)模塊的教學(xué)，由于學(xué)生已在生物化學(xué)課程中進(jìn)行了前期學(xué)習(xí)，因此主要以課堂提問(wèn)的形式幫助學(xué)生回顧已學(xué)知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于酶的分子設(shè)計(jì)和酶的生產(chǎn)與制備部分的教學(xué)，由于學(xué)生同時(shí)在進(jìn)行基因工程、發(fā)酵工程和分離工程的學(xué)習(xí)，因此在教師介紹難點(diǎn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，采用互動(dòng)教學(xué)方法，與學(xué)生討論不同技術(shù)在酶工程應(yīng)用中的獨(dú)特性和挑戰(zhàn)性，比如：在介紹酶的定向進(jìn)化時(shí)，可結(jié)合基因工程關(guān)于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的原理講解如何在酶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理使用不同的PCR衍生技術(shù)和篩選方法，從而獲得性能優(yōu)異的酶制劑。對(duì)于核酶、納米酶和抗體酶模塊的教學(xué)，由于學(xué)生之前尚未系統(tǒng)接觸過(guò)相關(guān)概念，此外又涉及到酶工程的最新研究進(jìn)展，因此先由教師講授所涉及的基本知識(shí)，然后要求學(xué)生課下閱讀最新的研究論文，并以書面作業(yè)形式進(jìn)行總結(jié)和匯報(bào)。對(duì)于酶的工程應(yīng)用模塊的教學(xué)，先由教師對(duì)酶在不同工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行全面綜述，然后再根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W(xué)生劃分為若干學(xué)習(xí)小組，每個(gè)小組課下獨(dú)立調(diào)研一個(gè)酶工程的應(yīng)用實(shí)例（包括：應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)布局、市場(chǎng)分析和發(fā)展趨勢(shì)評(píng)估等），最后由學(xué)生制作幻燈片在課堂上進(jìn)行講解和討論。通過(guò)上述教學(xué)方法的綜合運(yùn)用可有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程思維模式，并促使其對(duì)酶的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生較深入的認(rèn)識(shí)。

3.2經(jīng)典研究案例與授課內(nèi)容的結(jié)合

酶工程是生物工程發(fā)展的重要方向，其中已有一些經(jīng)典的工程應(yīng)用案例。在教學(xué)實(shí)踐中通過(guò)分析這些案例，將其從研發(fā)到應(yīng)用的技術(shù)路線引入課堂，從而揭示基本科學(xué)原理走向工程開發(fā)的一般規(guī)律。該教學(xué)設(shè)計(jì)可有效促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)從產(chǎn)生到應(yīng)用的過(guò)程。例如：在講解酶的定向進(jìn)化時(shí)，將2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主FrancesH.Arnold教授的研究生涯引入課堂教學(xué)，通過(guò)該案例幫助學(xué)生理解定向進(jìn)化技術(shù)對(duì)酶分子設(shè)計(jì)和改造的科學(xué)意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值；又如：在講解酶的生物傳感器部分時(shí)，以葡萄糖氧化酶作為對(duì)象，介紹其從發(fā)現(xiàn)、性能改良到家用血糖儀大規(guī)模上市的發(fā)展歷程，并和學(xué)生探討該技術(shù)成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，分析現(xiàn)有血糖儀的優(yōu)勢(shì)和不足，并對(duì)下一代基于納米酶的血糖儀研發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行展望。

3.3加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

酶工程作為應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，其實(shí)踐教學(xué)同樣具有重要的作用。然而，一般高校都缺少酶工程產(chǎn)業(yè)中所需的大型發(fā)酵罐、生產(chǎn)流水線等工業(yè)設(shè)備。此外，酶分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和篩選也具有長(zhǎng)期性和不確定性。為了解決上述問(wèn)題，筆者在酶工程課堂學(xué)習(xí)之外，引入了工廠參觀和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。通過(guò)教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入相關(guān)企業(yè)，使學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的大型工業(yè)設(shè)備，以及研發(fā)、生產(chǎn)工藝流程的管理，從而增強(qiáng)了他們對(duì)酶工程應(yīng)用的感性認(rèn)知。此外，針對(duì)部分學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，鼓勵(lì)其參與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐和工廠實(shí)習(xí)，進(jìn)一步提升他們的工程創(chuàng)新能力，明確其未來(lái)的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

3.4課程考核的改革

為了體現(xiàn)“新工科”改革的發(fā)展目標(biāo)，結(jié)合本課程應(yīng)用性較強(qiáng)的實(shí)際，進(jìn)一步針對(duì)已有的課程考核方式進(jìn)行改革。筆者采用了復(fù)合型考核方式，將平時(shí)成績(jī)?cè)O(shè)置為最終成績(jī)的50%，期末筆試成績(jī)?cè)O(shè)置為50%。平時(shí)成績(jī)包括學(xué)生考勤、課堂答問(wèn)和討論、工廠調(diào)研報(bào)告和酶工程應(yīng)用實(shí)例的課堂講解。在此基礎(chǔ)上，對(duì)期末筆試的試卷進(jìn)行了優(yōu)化，其中書本知識(shí)在試卷中的占比減小到40%，剩余的部分由工程設(shè)計(jì)題目組成。為此，筆者設(shè)計(jì)了一系列面向工程應(yīng)用的綜合性試題。例如：基于定向進(jìn)化和篩選原理，設(shè)計(jì)一種耐高溫蛋白酶的技術(shù)改造路線。上述考核方式的強(qiáng)調(diào)了工程應(yīng)用的重要性，引導(dǎo)學(xué)生明確了學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

自2017年教育部提出“新工科”改革發(fā)展目標(biāo)以來(lái)，筆者對(duì)酶工程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探索。通過(guò)對(duì)本文提出的改革舉措進(jìn)行評(píng)估可以發(fā)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的革新對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、形成良好的工程創(chuàng)新能力具有積極作用。部分學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后進(jìn)入了相關(guān)企業(yè)開展實(shí)習(xí)，并結(jié)合實(shí)習(xí)經(jīng)歷申請(qǐng)到了大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，取得了較好的科研成果。但是，需要指出的是，“新工科”教育改革尚處于起步階段，其中很多問(wèn)題亟需進(jìn)一步探索，如：教師的轉(zhuǎn)型、企業(yè)與高校聯(lián)合培養(yǎng)模式的建立、實(shí)踐教學(xué)手段的豐富等。因此，希望本文能起到拋磚引玉的作用，為同行在生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的“新工科”改革提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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作者：李勇 單位：中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院