酶工程教學改革的探索

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【摘要】根據(jù)“新工科”的發(fā)展綱要，對酶工程課程的改革進行探索。以培養(yǎng)學生工程應用能力為重點，進行課程內(nèi)容設置和教學方法改革，并對其效果進行分析。

【關鍵詞】“新工科”；酶工程；改革

1引言

近年來，針對我國制造業(yè)升級換代，以及國際科技競爭的新形勢，教育部于2017年提出了“新工科”建設的工程教育改革、發(fā)展新方向，并先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等改革綱要[1]。生物工程是生命科學中工程應用性最強的專業(yè)之一，也是與醫(yī)學、化工、微電子學等領域深入交叉的學科[2-3]。因此，如何在現(xiàn)有課程體系下推進“新工科”的教育改革，進一步提升學生的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，已經(jīng)成為新時期專業(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踐課程，是引導學生將生物化學、微生物學、分子生物學等學科的基礎理論知識轉化為工程實踐的重要環(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)后對酶分子的結構設計、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)應用缺乏系統(tǒng)的認識。在走上工作崗位后經(jīng)常暴露出創(chuàng)新能力不足，無法根據(jù)實際的市場和生產(chǎn)需求進行工藝改良設計的問題。為此，改革酶工程的教學模式，使之滿足“新工科”建設的人才培養(yǎng)目標是提升教學質(zhì)量的關鍵。本文總結了筆者在酶工程課程“新工科”改革中的探索經(jīng)驗，探討了教學方法革新對于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和工程思維的效果。

2課程內(nèi)容的設置與優(yōu)化

酶工程是生物化學、分子生物學、微生物等基礎學科在工程領域中的實際應用，它關注和解決生物化工、生物制藥、環(huán)境保護、醫(yī)學診斷、食品加工等領域的工程技術難題。以上研究任務決定了其教學內(nèi)容的安排。目前，酶工程本科教學內(nèi)容主要包括：酶學基礎、酶的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化、生物酶工程、化學酶工程、酶傳感器等章節(jié)。上述教學內(nèi)容安排已無法體現(xiàn)酶工程的最新研究進展，例如：納米酶、核酶和抗體酶的應用。此外，已有內(nèi)容更偏重于理論學習，對酶的產(chǎn)業(yè)應用關注較少，因此很難有效培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力，無法滿足“新工科”的建設目標。針對上述問題，筆者將酶工程的最新進展和工程應用案例作為教學內(nèi)容改革的重點，根據(jù)各章節(jié)的教學特點和邏輯關系，將授課內(nèi)容重新劃分成七個模塊：酶學基礎、酶的分子設計、酶的生產(chǎn)與制備、核酶、納米酶、抗體酶和酶的工程應用。其中，酶學基礎模塊在回顧生物化學知識的基礎上，重點關注酶的作用機制和影響酶活性的主要因素；酶的分子設計模塊包括生物酶工程和化學酶工程兩部分，生物酶工程重點介紹酶的進化篩選，而化學酶工程則主要介紹酶的化學修飾與固定化；酶的生產(chǎn)與制備模塊重點介紹酶的發(fā)酵與分離純化工藝；核酶模塊在回顧分子生物學相關知識的基礎上，著重講解核酶尤其是DNA核酶的構建方法；納米酶模塊重點介紹納米粒子的催化效應和調(diào)控方法；抗體酶模塊闡述抗體酶的篩選和修飾方法；酶的工程應用模塊則是在上述章節(jié)的基礎上結合案例介紹酶在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療中的應用，例如：酶在食品加工中的應用、酶在廢水和垃圾處理中的應用、酶生物傳感器和抗體酶在疾病診斷和治療中的應用等。通過上述授課內(nèi)容的革新幫助學生較為全面、系統(tǒng)地掌握酶的分子設計、生產(chǎn)制備以及下游工程應用技術。

3教學方法改革的探索

3.1多種教學方法的使用

酶工程的教學內(nèi)容相對比較零散，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重疊。這就要求在課堂教學中必須把握好各章節(jié)和知識點的邏輯主線，正確統(tǒng)籌已修課程和并修課程的關系，并合理使用不同教學方法，從而突出酶工程教學內(nèi)容的重點和特色。對于酶學基礎模塊的教學，由于學生已在生物化學課程中進行了前期學習，因此主要以課堂提問的形式幫助學生回顧已學知識點。對于酶的分子設計和酶的生產(chǎn)與制備部分的教學，由于學生同時在進行基因工程、發(fā)酵工程和分離工程的學習，因此在教師介紹難點知識的基礎上，采用互動教學方法，與學生討論不同技術在酶工程應用中的獨特性和挑戰(zhàn)性，比如：在介紹酶的定向進化時，可結合基因工程關于聚合酶鏈式反應（PCR）的原理講解如何在酶的結構設計中合理使用不同的PCR衍生技術和篩選方法，從而獲得性能優(yōu)異的酶制劑。對于核酶、納米酶和抗體酶模塊的教學，由于學生之前尚未系統(tǒng)接觸過相關概念，此外又涉及到酶工程的最新研究進展，因此先由教師講授所涉及的基本知識，然后要求學生課下閱讀最新的研究論文，并以書面作業(yè)形式進行總結和匯報。對于酶的工程應用模塊的教學，先由教師對酶在不同工程領域的應用進行全面綜述，然后再根據(jù)應用領域?qū)W生劃分為若干學習小組，每個小組課下獨立調(diào)研一個酶工程的應用實例（包括：應用的理論基礎、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)布局、市場分析和發(fā)展趨勢評估等），最后由學生制作幻燈片在課堂上進行講解和討論。通過上述教學方法的綜合運用可有效提高學生的自主學習能力和工程思維模式，并促使其對酶的產(chǎn)業(yè)應用產(chǎn)生較深入的認識。

3.2經(jīng)典研究案例與授課內(nèi)容的結合

酶工程是生物工程發(fā)展的重要方向，其中已有一些經(jīng)典的工程應用案例。在教學實踐中通過分析這些案例，將其從研發(fā)到應用的技術路線引入課堂，從而揭示基本科學原理走向工程開發(fā)的一般規(guī)律。該教學設計可有效促進學生理解知識從產(chǎn)生到應用的過程。例如：在講解酶的定向進化時，將2018年諾貝爾化學獎得主FrancesH.Arnold教授的研究生涯引入課堂教學，通過該案例幫助學生理解定向進化技術對酶分子設計和改造的科學意義和產(chǎn)業(yè)價值；又如：在講解酶的生物傳感器部分時，以葡萄糖氧化酶作為對象，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，并和學生探討該技術成功應用的經(jīng)驗和教訓，分析現(xiàn)有血糖儀的優(yōu)勢和不足，并對下一代基于納米酶的血糖儀研發(fā)和市場應用進行展望。

3.3加強實踐教學

酶工程作為應用性較強的課程，其實踐教學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)設備。此外，酶分子的結構設計和篩選也具有長期性和不確定性。為了解決上述問題，筆者在酶工程課堂學習之外，引入了工廠參觀和實習環(huán)節(jié)。通過教師帶領學生進入相關企業(yè)，使學生有機會接觸產(chǎn)業(yè)應用中的大型工業(yè)設備，以及研發(fā)、生產(chǎn)工藝流程的管理，從而增強了他們對酶工程應用的感性認知。此外，針對部分學習能力較強的學生，鼓勵其參與大學生創(chuàng)新實踐和工廠實習，進一步提升他們的工程創(chuàng)新能力，明確其未來的職業(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，結合本課程應用性較強的實際，進一步針對已有的課程考核方式進行改革。筆者采用了復合型考核方式，將平時成績設置為最終成績的50%，期末筆試成績設置為50%。平時成績包括學生考勤、課堂答問和討論、工廠調(diào)研報告和酶工程應用實例的課堂講解。在此基礎上，對期末筆試的試卷進行了優(yōu)化，其中書本知識在試卷中的占比減小到40%，剩余的部分由工程設計題目組成。為此，筆者設計了一系列面向工程應用的綜合性試題。例如：基于定向進化和篩選原理，設計一種耐高溫蛋白酶的技術改造路線。上述考核方式的強調(diào)了工程應用的重要性，引導學生明確了學習重點。

4結語

自2017年教育部提出“新工科”改革發(fā)展目標以來，筆者對酶工程的教學改革進行了初步的探索。通過對本文提出的改革舉措進行評估可以發(fā)現(xiàn)，教學內(nèi)容和教學方法的革新對激發(fā)學生的學習興趣、形成良好的工程創(chuàng)新能力具有積極作用。部分學生在學習本課程后進入了相關企業(yè)開展實習，并結合實習經(jīng)歷申請到了大學生創(chuàng)新計劃項目，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，其中很多問題亟需進一步探索，如：教師的轉型、企業(yè)與高校聯(lián)合培養(yǎng)模式的建立、實踐教學手段的豐富等。因此，希望本文能起到拋磚引玉的作用，為同行在生命科學相關專業(yè)的“新工科”改革提供借鑒。

參考文獻

[1]王璐瑤,陳勁,曲冠楠.構建面向“一帶一路”的新工科人才培養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)[J].高校教育管理,2019,13(3):61-69.

[2]梅樂和,岑沛霖.現(xiàn)代酶工程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.

[3]孫萬里.酶工程課程教學改革與實踐的思考[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究,2019(3):85-86.

作者：李勇 單位：中南民族大學生命科學學院