“新工科”背景下的生物工程下游技术课程建设初探

，，，，，

(浙江工业大学 生物工程学院，浙江 杭州 310014)

随着社会的不断发展与进步，世界范围内掀起了新一轮科技革命和产业变革的浪潮，第四次工业革命已经吹响号角。为提升综合国力和国际竞争力，我国迅速启动创新驱动发展、“中国制造2025”“一带一路”等重大战略，而生物工程技术是世界工业革命的一项重要组成部分[1-2]。为响应国家战略需求，在未来全球创新生态系统中占据战略制高点，生物经济作为新兴战略产业，其快速发展迫切需要新型生物工程人才的支撑。高等院校生物工程类本科生和研究生将是我国生物工程技术研究的中坚力量和创新主体，也是我国社会进步的重要力量。在此背景下，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展，促进工程人才的培养，教育部提出了“新工科”的概念，并发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》。目前，我国基因工程、酶工程和细胞工程等生物技术发展迅速，学术研究能力已经跻身世界前列，但对生物工程产品产业化开发所必需的生物工程下游技术研究相对缺乏。相关数据表明：生物发酵产品的生产成本中，70%以上的是下游技术的成本。生物工程下游技术主要为生物产品的分离、纯化技术，如发酵液预处理、固液分离、离子交换技术、膜技术和结晶技术等，而这一工段，往往被研究人员忽视[3-4]。在下游分离过程中，通常产物损失较大、能耗较高、质量欠佳、“三废”量大，给企业带来了巨大的环保压力和同行竞争压力。故而，眼下诸多企业将技术革新的重点逐步转移至下游分离技术的开发，以提高产品收率，降低生产成本，增强企业竞争力[5-6]。

浙江工业大学生物工程学院生物分离工程教学课程组在对浙江省内30家生物发酵企业的走访调研中发现，有近80%的企业表示，生物工程下游技术相关人才的缺乏大大制约了企业技术革新的速度。因此，为进一步提高学生质量，服务新时期工业技术领域，建立适应“新工科”需求的课程体系迫在眉睫。

1 课程建设的现实意义

生物工程下游技术相关的课程主要面向生物化工、发酵工程、微生物学、生化与分子生物学、食品工程和化学工程等专业的本科生、硕士生开设，要求学生先修完《生物工艺学》《酶工程》《分子生物学》等与生物工程领域相关的本科课程，且具有一定的知识应用能力和自学能力。开设这些课程的目的是在原有知识基础上，进一步了解生物分离工程，理解和掌握一些生物分离新方法、新理论，了解生物分离领域的最新进展，特别是生物大分子物质的分离纯化与结构鉴定[7]。目前，在生物工程下游技术方向，浙江工业大学生物工程学院针对研究生开设了《现代生物分离技术》课程，针对本科生开设了《生物分离工程》课程，在学校和学院的全力支持下，课程教学团队开展两门课程的建设与改革工作，并取得一定成效。

1.1 课程建设紧随国家发展方向

近年来，国家开展系列举措，以新技术、新业态、新产业和新模式为特点的新经济蓬勃发展，争取突破核心关键技术，构筑先发优势，在未来全球创新生态系统中占据战略制高点。为完成这项国策，迫切需要培养大批新兴工程科技人才。我国已经建成世界上最大规模的高等工程教育，工程教育专业认证体系实现国际实质等效，国家统筹推进世界一流大学和一流学科建设，为加快建设和发展新工科奠定了良好基础。

我国生物技术与西方发达国家相比，存在起步晚、起点低等一系列问题。尽管如此，国家十分重视生物技术的发展、创新和实际运用，其发展速度相对较快，尤其是国家863计划的制定、相关专项基金的创建，为生物技术的研究、发展和创新运用提供重要支持。现阶段，我国生物技术发展初具规模，以医药生物技术产业为主，其中医药生物制品多达五十余种。相关统计数据显示：截至2015年，我国生物技术类企业有2 000多家，从业人员达50 000多人。同时，生物技术产业生产总值逐年增加，成为国民经济产业的核心支柱[8]。但是，专业化、技能型、高素质人才资源相对缺乏，大大限制了相关行业的发展。

1.2 成功的课程建设应满足企业对人才的要求

在不同社会背景下，人才类型的需求不同，故课程建设的目标和理念也存在一定差异。目前，诸多高校已经通过各种方式进行多方调研，得知企业普遍认为生物工程类学生培养存在一定不足。因此，在学生培养过程中，应充分考虑上述因素，培养满足社会和企业需求的工程类人才。

近年来，国内高校采取了多种措施来培养学生综合能力，如完善课程体系，增加课程设计等[9-10]。在高等院校课程设置中，偏重于《基因工程》《细胞工程》《酶工程》等传统课程的讲授，在教学研究中，分离技术和工程实践也往往被忽视。因此，应重视学生下游工程技术开发和创新的能力，以更好地为企业生产服务。一方面，可通过研究课题进行锻炼；另一方面，作为主干课程，应加强生物分离技术相关课程的建设，通过课程教育，系统地讲授相关理论和实践案例，以培养学生成为具有一定工程能力和创新能力的研发主体。

2 课程建设的主要路径

培养具有创新精神和创新能力的工程研究型人才是我国高等教育的一项重要任务。在分析现有工科本科生培养模式的基础上，建议从教师自身素养、教学方法转变、实践教学环节改革、考核方式改革等方面着手，推动相关课程建设，推动工科创新型人才培养。

2.1 教师自身素养

作为一名合格的高等院校授课教师，教师要在教学生涯中加强自身专业知识和专业技能的提高，重视科学研究，注重人格精神建设，确立终身学习观念，真正提升自身素养,以适应现代教育发展的需要。除了应具备扎实的理论基础和良好的授课技能，还应注重教师自身的工程能力、实践能力、产业化经验等方面的能力，以提高教师授课能力。

在《现代生物分离技术》和《生物分离工程》课程的建设中，课程组负责人为在生物分离工程领域拥有多年工程实践经验的资深教授，长期从事一线生物分离工程技术研究，完成企业分离技术开发项目十余项，并且实现产业化应用；课程任课教师能够清晰讲解工厂生产实践中的实际工程问题，而不再是停留在传统的理论授课，学生的学习兴趣也大大提高。可见，选聘合适的教师，对课程的授课效果起到了积极推动作用。

不仅应选聘合适的授课教师，还应加强授课教师教学团队的建设。浙江工业大学生物工程学院以教学团队为单位，承担学院的各项教学任务。教学团队的组建，不仅保证了授课工作的顺利开展，更有利于培养年轻教师。采用“导师制”的培养方式，在导师的带领下，一方面开展科学研究；另一方面传授课程授课经验和教学理念，顺利地完成了“老带新”的教师队伍培养，有利于课程建设的长足发展。

2.2 教学方法转变

相关课程中涉及的分离技术包括沉淀分离、萃取分离、膜分离、吸附与离子交换、色谱分离、结晶技术和浓缩技术等多项技术，每项技术所涉及的知识点和仪器设备均有较大差异。传统的模块化教育下学生可掌握单独的某一项技术，实际生产中，往往需要多项技术联合使用，而学生在这方面的能力相对较差。传统的课堂教学偏重理论教育，虽在教学过程中穿插诸多教学案例，但仍很难向学生展示工厂的实际生产过程，导致了学生对分离工程技术停留在理论阶段，实践理解和操作能力较差。另外，分离技术和设备更新换代较快，即使是最新的教材，也很少涉及到国内外最新的产品和生产技术，分离设备的发展更是迅速，如模拟移动床、膜技术等[11-12]，每年都会有新的突破，进而给课程建设带来了阻力和困难。

针对上述问题，为了提高教学效果,课程组在教学方法上进行了以下几个方面的探索：

1) 设备模型和操作视频的使用。自制萃取罐、离心机、膜设备、离子交换柱、结晶罐和蒸馏塔等常见分离设备的模型，模型中包括各个管路的连接及关键模块的展示，教学视频中，应展示相关分离技术的使用流程以及组合应用情况。

2) 将企业车间作为第二教学课堂。与生物发酵企业，展开合作，带领学生参观产品提炼车间，了解产品提炼工艺流程，熟悉相关设备构造和管路连接情况，并与企业车间工作人员共同分析讨论各个工艺环节的原理和关键注意事项。

3) 案例分析和讨论。由热点话题引入当前国际上重要的生物制品，介绍该产品生产工艺中存在的问题，讲述相关工艺开发的背景故事，随后引出相关理论，最后对相关理论进行拓宽，引起学生的学习兴趣，并将理论和工业应用相结合。

4) 分离技术综合应用训练。通过课堂实际案例分析讨论，让学生理解各项分离技术联合使用的目的、意义及优势，课后查阅文献，设计相关产品的分离工艺，并分析其可行性。

5) 最新国际研究进展介绍。引导学生查阅生物分离技术最新研究进展，分析讨论研究热点和应用过程中的难点，使学生具有开阔的视野和先进的研究理念。

6) 创新案例分析。结合自身科研项目和企业合作项目，分析讨论生物产品分离过程中的创新案例，引导学生培养创新思维，并通过课外实践培养其创新能力。

通过上述教学活动的开展，课程取得了较好的教学效果，学生不但掌握了扎实的理论基础，还对生产实践有一定的了解，同时，受益于创新思想启蒙，部分毕业生毕业后甚至专门从事生物分离技术研究。

2.3 考核方式改进

在传统的考核中，授课教师往往注重学生的卷面成绩和平时课堂表现，忽视了学生其他方面的表现。在“新工科”背景下，课程组对考核方式进行了改革，主要有以下方面：

1) 理论考核。考察学生是否充分掌握了相关理论知识，具有扎实的理论基础，主要以考试和案例分析形式完成；布置学生完成生物产品分离工艺的设计，可以通过查阅文献、企业调研等方式进行，最后进行课堂PPT展示，向老师和同学讲解相关工艺的原理、应用情况和工艺改革可能性等，全面考察学生的理论掌握情况和创新能力。

2) 解决实际工程问题的能力考核。考察学生是否具有解决相关工程问题的能力，一方面，通过课堂案例分析过程中的提问环节考查；另一方面，通过工厂参观和实践过程中的个人表现进行评价。

3) 创新能力考核。通过课堂提问，引导学生进行发散性思维，并通过课堂案例分析及PPT展示工艺革新内容，考察其创新能力。

4) 团队协作能力考核。通过团队合作完成课堂PPT展示。在该过程中，随机组合学生，进行综合评价和组内自评，引导学生进行团队协作，以适应今后的工作和生活。

通过考核方式的改革，引导学生提高工程能力、创新能力、团队协作能力等，以培养满足企业需求的高级研发人员。

3 结 论

在科技和工业迅速发展的时代浪潮下，“新工科”教育应运而生，生物技术迎来了迅猛的发展，面临生物工程下游技术人才短缺的问题，因此，高水平生物工程类学生的培养尤为重要。通过《现代生物分离技术》和《生物分离工程》课程的建设工作开展，获得以下效果：1) 全面提升授课学生的工程能力，使其不仅具有扎实的理论基础，还能够在实际生产实践中综合运用各项分离技术；2) 拓宽学生的国际视野，了解国内外生物分离技术的最新研究进展和研究热点，具有一定的外文文献查阅能力，能够阅读生物分离技术领域的相关文献，并理解和掌握文献中的各个关键点；3) 培养学生具有一定的创新思想和创新能力，以达到具有科学研究和生产实践能力的要求；4) 课程组成员对实施课程建设和教学改革后的第一届毕业生开展电话回访时，毕业生普遍认为课程所学内容与企业需求关系较为紧密，相关课程的改革促进其更好、更快地适应工作岗位；对用人单位的调研时，相关部门负责人认为学生的工程能力和实践能力较前几届有显著提高，能够更快地融入工作；5) 通过《现代生物分离技术》课程的成功改革，可以将改革经验辐射至同类学科，如《食品生物分离技术》《药物分离工程》《天然产物分离与纯化》等相关分离课程。

本文得到了浙江工业大学本科生教学改革项目(KG201624)和研究生核心课程建设项目(2016004)的资助。