《生物工程下游技术》课程教学改革——以工管结合为背景

刘增然，张光一

（河北经贸大学 生物科学与工程学院，河北 石家庄 050061）

生物产业作为战略性新兴主导产业，已经进入快速发展时期，形成了以生物医药为先导、生物农业为基础、生物制造蓄势待发的发展格局。发展战略性新兴产业，走中国特色新型工业化道路，迫切需要培养一大批能适应和支撑产业发展的工程人才。但是长期以来我国高等工程教育与工业界脱节，毕业生专业面窄、工程实践能力差，难以满足社会需求；教师队伍普遍存在学历高、工程素质差、产业经验少等现象。如何培养符合社会发展需求的工程人才是工科专业改革面临的关键问题。

河北经贸大学作为地方重点建设的高校，生物工程专业人才培养定位：立足河北，面向工业界，适应河北生物产业和“大医药”发展需要。因此，我们结合课程教学实践，开展以工程生产为导向、工程能力培养为目标的教学实践，对地方大学应用型生物人才培养模式进行探索；旨在通过搭建理论知识与工程应用的桥梁，培养具有较强的工程意识、较高的社会能力、良好的综合素质，懂技术、会管理、善经营的生物工程人才。

一、课程内容重构

应用型人才必须具备用专业知识和技能解决实际生产问题的意识和能力，因此我们的课程内容设置以工程应用能力培养为核心，以满足生物工程产业需求为导向。课程内容分为应用基础部分（以够用为度）、案例研究部分和企业生产应用部分，突出以应用研究、工程项目为载体的案例教学，强调理论知识与产品生产的有机结合，渗透过程开发、经营管理与产品经济效益分析等内容，普及质量管理、污物处理、可持续发展的理念（见图1）。

图1 课程内容设置

通过课程内容的科学设置，促进学生从单学科思维向跨学科思维转变；培养学生统筹考虑产品生产、销售、应用、环保等可持续生产问题，进行产品效益分析的能力；促进具有工程背景、面向工业界的高素质工程人才培养，提高学生综合能力。

二、教学模式改革

为了有效培养工程应用人才，课程教学基于CDIO[1]工程教育理念，着力推动基于项目、案例和问题的多种教学方法，充分调动学生自主学习的积极性；培养学生工程能力、终身学习能力和社会实践能力。

（一）情景教学

在教学过程中，对课程知识进行整合，将知识融合到案例中，创设问题情境，引导学生主动参与生物制品纯化技术的探究；强调教学的针对性、实用性和灵活性；鼓励学生质疑、发表见解，促进学生对课程内容的意义建构。

如用“乳酸菌表达抗菌素的纯化策略研究”[2]科研案例引出生物制品高度纯化技术，包括C18固相萃取、吸附解吸法、离子交换色谱、反相高效液相色谱、SDS-PAGE；以“构巢曲霉蛋白组的纯化”[3]案例讲授如何采用一步亲和纯化分离不同的目的蛋白，如何减少纯化步骤、降低成本；用“啤酒生产的膜过滤应用”[4]讲授膜过滤方法的应用和发展。通过案例分析，归纳总结相关技术的原理、应用策略和经验；使学生了解生物制品生产条件温和、安全性高，纯化过程复杂、成本高，纯化方法选择要慎重。

（二）项目教学

借助综合性项目，创设复杂问题情境，引导学生在学科交叉视野下，合作解决真实问题，经历技术、经济和社会挑战。基于项目的教学，营造合作、探究式学习氛围，利于引导学生主动探究；以能力培养为目标，注重过程，强调参与；实现在项目实践中掌握知识，在知识学习中完成项目。

课程提供的项目：谢氏丙酸杆菌（Propionibacterium shermanii）厌氧发酵生产维生素B12。教师提出项目研究框架和探索的问题，引导学生搜集资料；通过与学生交流互动、解答问题，激发学生主动学习的热情，引导学生顺利完成任务。学生6人一组，协作完成资料搜集与分析、假设提出与验证、计划制定与研发、生产流程设计、团队建设和研究报告撰写等过程。学生通过上网、咨询等途径搜集资料，分析提炼，小组会话，确定思路；与教师讨论，进一步确定项目实施方案。

学生通过完成资料搜集、分析、设计、模拟实施的整个过程，掌握生物制品研发生产的一般步骤（见图2）和理念。在选择生物制品的纯化方法时，以产品应用目的和利润回报为主线，统筹考虑特定方法的处理量、速度、分辨率和得率，尽可能减少纯化步骤和环境污染，降低设备投资等。如蛋白酶纯化方法的选择。（1）用动物饲料添加剂，则发酵液除去细胞，不需纯化，直接产品化。（2）用于工业生产（如淀粉水解酶），则需要部分纯化。收集发酵上清液，沉淀蛋白，再经1～2步纯化，获得较纯蛋白，再产品化。（3）用于分析检测（如葡萄糖氧化酶）或作为药物蛋白（如TPA），则需要高度纯化。先经细胞收集裂解，胞内组分除杂和蛋白沉淀，再经3～4步后纯化获得高纯蛋白，最后除病毒包装。

图2 生物制品研发生产的一般步骤

学生借助项目平台平等交流，共同发现问题、解决问题、完成项目；积累生物制品研发、生产的方案设计经验；获得将理论知识用于实际工业生产的能力；培养商业思维和战略思维。

三、多重实践组合

应用型工程人才除了要具备扎实的专业知识，还应具备解决实际工程问题的能力。学生通过课堂学习获得了一定的技术应用技能，具备了完成实际工作的潜力。要顺利完成实际工作，还应具备实践经验和工程能力。

（一）课程实验

课程实验和工程实践训练是培养学生工程意识、积累实践经验、提高工作能力的重要环节。我们的课程实验，采用教师研究项目，模拟实际工业生产情景，渗透实际工作任务，注重与上游课程《基因工程原理》和《生物反应工程》衔接。课程实验项目：L-柠檬酸在大肠杆菌工程菌中的表达和纯化，包括产品收集、初步纯化、高级纯化和产品化。

为了提高学生的实践能力，将每个教学班的学生分为两大组分别完成实验。课程实验前，教师首先介绍实验设计原理、策略；然后演示解说，强调注意事项和关键点；最后学生进行实验和分析观察。学生通过实验过程，实现了理论联系实际干中学，使理论知识转变成实际技能，培养了实际工作所需的能力和态度。

（二）课堂展示

教师围绕实际应用优化教学资源，提供相关研究论文[5-7]；通过“教学设计”把教学内容问题化，为学生准备学习任务。学生5人一组讲授一篇论文，每人讲授10～15分钟。要求学生先用一句话解释自己要讲的内容，最后用一句话总结。学生首先完成教学设计，制定上课计划，准备相关材料；两周后进行课堂讲授，将学习成果以图文并茂的PPT形式呈现，使学生的思维成果为全班共享。通过教师点评、归纳，进一步提高了学生的能力。

课堂展示教学对教师提出了更高的要求，教师要了解题材，引导学生做预定陈述并得出结论，帮助学生简化或拓展题材，鼓励害羞的学生展示才华，指出不足时要委婉。课堂展示具有重过程、重应用、重体验、重参与的特点，它为学生提供了充分展示个人潜能的空间，学生真正成为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，教师由知识的灌输者转变为学生主动建构的促进者。

四、课程考核改革

生物工程下游技术是生物制品生产的关键技术，课程教学在生物工程应用型人才培养中具有举足轻重的作用。因此，课程考核以测能为中心，注重考核实际应用能力、文献资料检索能力、表达能力等综合能力的培养；课程成绩分为三部分：课堂展示10%，工程项目作业20%，期末考试70%。为了促进工程实践能力，课程实验另考核单计成绩。期末考试内容由过去的概念原理为主转变为产品生产、研究开发策略和实际应用为主。课程考核注重学习过程，显著提高了学生学习的积极性和参与程度，避免了学生死记硬背和考试投机取巧的心态。同时，学生对课程考核改革也提出了一些建议，希望提高课堂展示的比例。

五、课程团队建设

教师是培养工程应用型人才的关键。在应用型教学实践中，教师是教学活动的组织者和引导者，不再对课程内容依次详细讲授，而是侧重基本技能和基本方法。

我们通过一系列措施全力打造具有较强工程意识、丰富实践经验的教师队伍。（1）注重学科交叉。聘请企业工程师和我校经管、会计相关教师参与课程建设，课程教学能将市场经济意识、经营管理意识、伦理道德意识、可持续发展意识嵌入到课程教学实践中，实现跨学科教学，促进学生综合能力培养和就业。（2）强化教学研究。3年来，课程组教师开展了“地方大学工程师型创新创业人才培养模式研究”“高等学校教师队伍建设研究”等教学改革项目。（3）开展交流学习。课程组1名教师曾在美国进修1年，1名教师计划2013年到美国进修1年。借鉴国内外高水平大学在教学改革方面的经验，提高教师的教学素质和能力。（4）提升工程素养。教师定期到校外实训基地调研或兼职，了解企业生产流程、设备维护管理，提高工程思维和工程实践能力；利用企业设备优势，参与企业项目研发，获得教学实践性智慧。

六、结语

美国工程院提出，面向2020年的工程师必须具备分析能力、实践能力、创造能力、沟通能力、商务与管理能力、伦理道德、终身学习能力等[8]。培养大学生的工程能力和社会能力是一个全新的课题，是高校工程人才培养的一个改革策略。《生物工程下游技术》课程作为生物技术、生物工程专业的专业课，是遗传改造、育种应用和生物制品生产之间的桥梁，内容多、技术方法发展快。我们在教学中，以实际工程为背景，以项目为载体，以工程技术为主线，以生产应用为核心，渗透经济、管理相关的知识，重构课程内容和教学模式。建立了“情境教学—项目驱动—强化实践—能力导向”的培养模式。以培养学生的工程能力，提高了学生的职业能力。虽然我们的改革实践与探索取得了一定效果，但探索仅是刚刚开始，有待进一步拓展和完善。

［1］CDIO.Wikipedia，the free encyclopedia ［Z］.http://en.wikipedia.org/wiki/CDIO-.

［2］Vera Pingitore E，Salvucci E，Sesma F，et al.Different strategies for purification of antimicrobial peptides from Lactic Acid Bacteria （LAB）［J］.Communicating Current Research and Educational Topics and Trends in Applied Microbiology，2007，（2）：557-568.

［3］Liu HL，Osmani AH，Ukil L，et al.Single-step affinity purification for fungal proteomics［J］.Eukaryotic cell，2010，9（5）:831-833.

［4］Moraru CI and Schrader EU.Applications of membrane separation in the brewing industry.Handbook of membrane separations chemical， pharmaceutical， food， and biotechnologicalapplications［M］.Florida:CRC Press，2008：553-579.

［5］Singh SM，Sharma A，Upadhyay AK，et al.Solubilization of inclusion body proteins using n-propanol and its refolding into bioactive form［J］.Protein Expression and Purification，2012，81:75-82.

［6］Bruinzeel W and MasureS.Recombinantexpression，purification and dimerization of the neurotrophic growth factor Artemin for in vitro and in vivo use［J］.Protein Expression and Purification，2012，81:25-32.

［7］Atsumi S， Hanai T， and Liao JC.Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels［J］.Nature，2008，451:86-89.

［8］佚名.全球短缺工程师中国工程教育更急迫［N］.北京日报，2010-02-25.