生物工程专业酶工程课程教学改革.doc

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生物工程专业酶工程课程教学改革研究与实践
摘要：“酶工程”是生物工程专业的主干课，其教学内容涵盖酶学理论基础知识、酶制剂生产工艺及酶的应用。为了使酶工程教学适合创新型人才培养模式，通过优化课程教学内容、改进实践教学方法和手段等措施，有效地提高了酶工程教学的课堂效率和学生的自学能力,加强了学生对综合知识运用、分析解决实际问题的能力及自主创新意识
关键词：酶工程；教学改革；实践教学
生物工程专业是21世纪发展最迅速的高新科学技术之一[1]，酶工程作为生物工程的重要内容[2]，在经历了半个多世纪的起步和迅速成长之后，现已形成一个具有雄厚理论基础并衍生出许多富有活力的高新技术的知识体系，且正以强大的冲击力影响着现代农业科学技术的发展。伴随着全球经济一体化的浪潮，世界生物工程产业也在全球范围内进行着产业结构和产品结构的调整，其中以酶制剂产业表现活跃，对经济的发展已产生巨大影响[3]，将成为21世纪最有希望的新兴产业之一。在大多农业院校课程设置里，酶工程通常会是生物技术、生物工程及生物科学专业的主干课。农业院校依托其在农业教育方面的优势，为酶工程展示了一个广阔发展的舞台。在农业院校生物类专业本科教育这个重要的生物技术人才培养平台上，如何通过酶工程这门生物工程专业主干课为载体，提高教学质量，服务于新世纪创新人才培养模式，是我们一直在探索的课题，也是我们从事酶工程教学工作者责无旁贷的使命。以下是我们在十几年《酶工程》教学实践中的几点体会。
1 基于学科前沿优化教学内容
《酶工程》属于应用基础型专业课程，那么在教学实践活动中如何适应新世纪人才结构的培养需求呢？我们先从教学内容的优化做起。在设置教学内容时我们力求做到“五个特性”、三个“突出”。即教学内容的选择不仅要具有实用性、科学性，也应该具有研究性、先进性和前瞻性；在教学思想方面突出厚基础、宽适用、强能力。首先，根据农业院校生物类专业的学科特点，我们为学生建议了一些教学参考书，如郭勇主编的《酶工程》（高等教育出版社，2009）、陈守文主编的《酶工程》（高等教育出版社，2008）以及我们参编二十一世纪生物工程系列教材《酶工程》（农业出版社，2007）等。由于学时有限，我们对教学内容做了精心编排，既不忽略科学概念，又凸显工艺环节，将课程定位在重点讲授衔接基础理论与实践的共性单元知识上，使学生理解酶制剂的生产过程涉及的基本原理、工艺过程控制、酶制剂应用催化理论等知识，了解典型的酶制剂发酵生产工艺及过程控制。
我们将教学内容设置成三个模块，即基础模块、工艺模块及应用模块。每个模块下设3个系列。在基础模块中我们选择了酶催化作用机制、核酶与极端酶、酶活性的调节和酶的转换，工艺模块我们设置的三个系列是酶发酵生产工艺、酶的分离纯化工艺和酶的固定化工艺；在应用模块上我们选择的是酶反应器和酶传感器、酶用于制备生物能源、酶在医药及食品工业中的应用。现代酶学技术的发展日新月异,新的理论、技术不断涌现。为了保持教学内容的先进性和前沿性，我们在每个教学模块后都附着一个学术前沿或先进技术成果介绍，如在基础模块后我们向同学们介绍2009年诺贝尔生理学获奖的研究成果：与癌症和衰老有关的端粒酶，从端粒概念的提出，端粒酶活性的发现以及从四膜虫中纯化出端粒酶催化亚基[4，5]，这个研究的进程中贯穿着“发现现象/问题”-“提出概念/模型”-“实验验证”的思路，能让学生充分体验到追逐科学问题的乐趣，激发其科学研究的主动性。在工艺模块我们则向同学们介绍近年来液态发酵和固态发酵设备及工艺的改进；而在应用模块我们根据教师自身的科研工作，为同学介绍利用酶工程技术开发功能性活性肽如玉米肽、大豆肽等方面取得的进展[6]。通过对课程内容的及时调整和为教学内容更换新鲜血液，不仅使学生们牢记了酶学理论知识，也让学生掌握了酶工程工艺要领，更让学生领会了本学科科研动态和发展前沿。
2 改进教学方法和手段，激发学生学习《酶工程》的主动性
传统的教学方式通常以教师为主导，学生被动吸收知识，往往忽略了当代大学生积极活跃的思维以及对学科领域的科学问题表达自己见解的愿望。而且学生对专业课的学习兴趣分主动和被动两种，诸如《生物化学》《分子生物学》这类专业课，是很多生物学科类专业的考研科目，所以会让大部分学生被动的产生学习兴趣，而《酶工程》既不是考研科目，有关酶学研究和酶制剂产品开发的用人单位又比较有限，学生们缺乏对这门课程产生学习兴趣的动力，针对这种倾向，我们在讲授基本理论知识的基础上，采用 “互动式”教学和“讨论式”教学相结合的方式，以调动学生的积极性和激发他们的创造性思维。
特别是在讲授工艺模块这类和生产实践密切相关的内容时，采用互动式教学能充分调动学习情绪，让学生积极参与授与学的过程。如在讲授工艺模块中固定化酶与固定化细胞这一系列时，在未讲授内容之前，先设计两个问题：1.酶作为生物催化剂，在生产应用中有哪些优势和劣势？2.在生物质乙醇制备工艺中，要添加纤维素酶制剂催化纤维素水解，但其成本占产品成本的50～60%，请同学们根据所学的知识谈一谈如何将酶制剂的成本降低？通常同学们都会根据所学的生物化学或酶的发酵生产方面的知识提出通过产酶菌株选育、基因工程育种等技术手段提高酶的催化活性、增加酶制剂产量或降低生产成本等，教师则在综合同学们认真思考后的各种观点基础上提出可以通过增加酶应用于生产工艺中反复使用率来降低成本，从而引出酶及细胞固定化的概念和操作工艺。这样有助于对该系列内容的理解和掌握，可促进学生对所学知识融会贯通、举一反三，并能进一步激起学生对《酶工程》这门课程的热爱。而讨论式教学方式因其一扫上课时的沉闷空气，课堂气氛活跃，学生们能各抒己见而受到当代学生的欢迎。为此，我们在酶学应用这一章以讨论方式教学，学生事先查阅大量文献，然后分成几个小组，将酶在食品，医药、日化轻工，环保及新能源制备能方面的内容展开讨论和辩论，最后由教师进行总结。这种灵活、主动的教学方式能充分调动学生的积极性，得到了广泛的好评。
3 完善实践教学环节，拓宽实践技能教学平台
酶工程的实质是酶的应用实践科学，因此实践教学加深酶工程理论认识的重要环节。我们把实践教学分成两部分，一是实验课教学，二是组织学生去酶制剂或相关企业参观实习。
实验教学的目的是理论联系实际，提高学生的动手能力及解决生产实际问题的创新思维能力。为此我们对实验教材重新整合，优化实验内容，根据农业院校的特色调整酶实验内容，即选择和促进农产品深加工相关的酶学实验项目。如选择以东北特产作物玉米等为实验材料提取酶制剂。为了改革“教师讲解实验原理、学生按部就班操作、实验报告千篇一律”的教学模式, 我们在实验项目上采用拟题综合性实验和设计型实验相结合的方式。给学生提供思考的时间和空间，避免机械地完成实验过程，侧重研究能力和创新能力的培养。拟题综合实验是以教师为主体，教师充分考虑酶工程实验的连续性拟定实验题目，如玉米sod的制备及修饰，该试验从原料的预处理、酶的提取、超滤、纯化至活性染色鉴定、peg分子修饰，是一个完整的大实验，学生分为若干小组，在教师的指导下每组成员分工协作，既训练学生规范的操作能力，又培养学生科研思维的缜密性，在实验报告中不仅要总结操作要点，分析实验结果，还增设实验意义的讨论，如作为sod提取可选择的实验材料有很多，但为什么我们选择玉米作为原料？从中让学生理解利用酶工程技术进行玉米深加工带动东北农产品深加工行业，使其附加值提高的社会经济意义。

设计型实验则以学生为主体，根据酶的提取或酶的应用等内容自拟题目，学生以课题组的形式自由组合,在教师的建议下，每个课题组选择1个研究题目，如在选定了酶在蔬菜汁提取中的应用这一题目后，共同查阅文献，先设计蔬菜汁提取工艺，再依据蔬菜汁降解成分选择酶的种类，依据工艺步骤讨论添加酶的浓度、酶反应温度、降解时间等参数，以及如何测定加酶蔬菜汁的营养成分变化等，在共同完成实验的基础上每个课题组以研究论文的格式撰写实验报告。学生反馈的信息表明，无论是综合实验还是设计型实验教学的开展都使学生得到了较好的锻炼。学生普遍反映通过大量查阅资料和实验探究,学会了探讨、研究问题的方法和思路,增强了创新意识,培养了发现问题、分析与解决问题的能力,提高了科研论文的撰写能力。
为了强化酶工程技术在实践中的应用，教学团队组组织学生走进企业，把教材、多媒体动画中酶制剂生产工艺在学生的眼中变成现实版。在诺康生物制药产业园的国际化标准的生产车间和r&d中心，参观注射用凝血酶（巴曲亭）的生产工艺，深入了解包括提取、浓缩、罐装、制剂、压片等生产过程；在东北制药总厂，参观万吨vc发酵工艺等，学生们不时向企业技术人员虚心提问，求教，询问工艺细节、了解企业发展史及经营管理制度，感受企业的文化内涵。企业参观是一个更生动的专业教育课堂，能让学生们置身于真实的工作环境下领略企业家的风采、生产技术人员丰富的工作经验，在寓理论于实践的学习过程，让学生们增长了见识，拓宽了视野，真正体会了只有将知识变为生产力，才能创造财富的道理，同时也为学生们未来从事的职业指明了专业方向。
4 考核方式多元化，检测学生的综合素质
目前高校本科教育专业课考试命题形式广泛采用的题型包括依然是填空、概念、简答、论述以及选择和判断等，此类题型虽然适合重要知识点的考核，且区分度较好，但学生在不甚理解的情况下背下来也能获得好成绩[7]。为了进一步检查学生对真实反映每个学生对理论知识的消化程度、技能的掌握熟练程度、查阅文献及表达能力，我们在设计酶工程考核方式，弱化理论知识的背诵部分，强化检验学生对本学科前沿的了解、对实验方案的设计能力资料查询及表达能力等方面，具体方式如表1所示。
结合试卷分析、课程论文及实验考核的情况以及考试后同学们对试题的反应看来，多数学生能够将知识融会贯通，对于知识细节，包括关于实验和生产应用中知识的灵活应用均能较好掌握。新题型的引入更能够反映实际掌握知识的情况。由此我们设想在今后的课堂教学中进一步增加互动，增加实践教学的比重，使得课堂教学和实际应用更加紧密的结合起来。
《酶工程》作为生物工程专业主干课，在专业计划中占有重要地位，我们围绕建立教学模块、改进教学方法、革新实验内容过程、完善课程考核、增进校企交流5个环节进行了探索和实践，并取得了较好的教学效果，但不断完善酶工程的教学方法，改善教学效果，提高人才培养质量，任重而道远。各院校应根据自身的条件及特点，因地制宜，扬长避短，创造条件，使酶工程的教学上一个新台阶，为培养新世纪的生物技术人才做出贡献。
参考文献
[1] 万海同.中医药院校中生物工程专业的人才培养模式与实践研究.中医教育,2010,29(4):4-8.
[2] 冯会.酶工程选修课教学改革初探.安徽农业科学,2010,38(24):13531-13532.
[3] 张庭廷,施媚.《酶工程》教学与课程建设的探讨.生物学杂志, 2009,26(3).
[4] varela e,blasco ma.2009 nobel prize in physiology or medicine:telomeres and telomerase. oncogene 29,1561-1565.2010.
[5] 钟天映，陈媛媛，毕利军.端粒与端粒酶的研究.生物化学与生物物理进展,2009,36(10):1233-1238.
[6] 李鸿梅.李玉扩.李红.倪鹏.宋欣.徐力.玉米源活性肽的分离纯化及清除dpph自由基的活性.吉林大学学报（理学版）,2010,(2).
[7] 孙旸,孙春玉,陈光.《酶工程》课程考试命题改革初探.吉林农业,2010,8.

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