基于“全产业链”理念的《生物工程综合大实验》教学改革与实践

尹业师 陈华海 李百元

【摘要】随着科学技术的不断创新发展和全球化趋势的日益加强，我国经济供给侧结构性改革正在稳步推进，各行各业应用型本科人才需求随之不断增加。各高校，尤其是地方应用型本科院校，在加快新工科专业认证和促进卓越工程人才培养的大背景下，需要进一步改革和提高应用型创新人才培养质量。生物工程专业是一个直接对接产业发展的工科类专业，要求培养出能应用所学理论知识和技术方法解决生产实际问题的应用型、技术型人才。本文探讨了基于“全产业链”理念的《生物工程综合大实验》教学改革，包括改革教学内容、教学体系、教学方式和考核方式等，并对其在生物工程专业本科生教学中的实践经验进行总结。

【关键词】全产业链  生物工程综合大实验  教学改革  经验总结

【基金项目】湖南省普通高等学校教学改革研究项目的资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）47-0058-02

为了更好培养具有较强实践创新能力和工程设计能力、能够适应我国经济快速发展需求的高质量应用型工程人才，教育部于2010年6月启动了“卓越工程师教育培养计划”。经过近10年的实践，教育部于2018年10月再次推广实施“六卓越一拔尖”2.0计划，全面推进和加强“四新”（新工科、新医科、新农科、新文科）建设。“卓越工程师教育培养计划”的三大特点分别是：强化培养学生的工程能力和创新能力;学校按通用标准和行业标准培养工程人才;行业企业深度参与培养过程。其目标很明确，就是要加快推进应用型和技能型人才培养，以应对第四次工业革命需要。

生物产业与人类健康和衣食住行等密切相关，是一项战略性新兴产业，已进入新的发展阶段。生物工程是生物产业的重要组成部分，是诞生于 20 世纪 90 年代的一门新興综合性应用学科，是以分子生物学的理论和技术为基础，结合工程、电子、机械和计算机等基础学科而发展起来的交叉应用型学科[1]。生物工程专业以工科为主、以理科为辅、工科理科和管理学结合[2]。其教学目标是培养学生掌握生物学基本原理和基本技能，能在生物学或医学相关领域从事产品开发、工程设计或生产管理的综合性、应用型高素质工程技术人才。“工程”专业特点决定了所培养学生除了需要具有生物学背景外，更需要具有良好的工程素质、实践能力和工程应用能力。

当前，大多数高校在“重理论轻实践”等传统教学理念的影响下，对实验教学的重视程度还有待进一步加强。就理工科学生而言，实验教学具有非常重要的意义。实验教学是培养学生创新意识和实践能力的重要环节之一。实验教学质量的好坏直接决定了人才培养质量的高低[3-5]。实验教学不仅有利于学生将所学基本理论应用于实践，而且还可以提高其实验技能和有助于巩固其理论知识;同时，通过设计开设一些综合性和设计性实验，有利于培养学生专业兴趣和提高学生综合分析问题和解决问题的能力，将为学生毕业后就业与对接企业需求奠定坚实的基础。所以，实验教学在全面推进新工科建设的大背景下将发挥更加重要的作用。然而当前生物工程专业相关实验教学过程中还存在着验证性实验所占比重较大;实用和前沿技术涉及比例较少;实验项目缺乏顶层设计，很难体现出系统性和连贯性;理论与实践结合不紧密等问题[6]。因此，为了更好地提高学生创新意识和增强学生参与实验课的积极性，生物工程实验教学改革已迫在眉睫。

全产业链是中粮集团提出的一种新的企业发展模式，包括产品生产、运输和销售甚至销后的每一个环节。全产业链是为了达到同一个目标而有意设计的多环节、多品类、多功能有机结合、整体运作的组织;具有系统性和能往下游延伸、附加值高、上下游资源配置平衡、创新贯穿始终等特点。如今全产业链理念已经渗透和潜移默化融合入各行各业。生物工程专业讲授的核心内容包括基因工程、蛋白质工程、发酵工程、酶工程和细胞工程五大模块。这五大模块之间既可独成一体，也在产业发展中表现为上下游关系，且各模块之间存在着交叉重叠，很适合使用“全产业链”理念指导开展实验和实践教学。

习近平总书记在视察北京大学时发表重要讲话，要求各高校扎根中国大地办大学，办好中国的世界一流大学。这成为中国高校进一步落实立德树人根本任务、培育和践行社会主义核心价值观和沿着正确方向更快更好发展的标志性新起点。湖南科技学院作为地方本科院校，更应立足实际，结合自身特点，明确办学目标，办出特色、办出水平，培养更多的特色人才。同时，地方本科院校承载着为地方经济发展培养应用型人才的重任。地方本科院校更应在新的发展形势下，顺应时代潮流，回归高等教育本质，培养出社会发展需要的高级应用型人才，从而提高其自身核心竞争力，更好地为地方经济发展服务。

为了达到生物工程专业应用型、复合型人才培养目标，更好地对接产业服务地方。针对当前生物工程专业实验课程体系存在的一些问题，在“全产业链理念”的指导下，学校尝试在生物工程专业大三学生新开设了《生物工程综合大实验》，并对其教学内容进行了精密谋划和设计。1.优化“生物工程综合实验”教学内容：以培养高水平应用型工科人才为目标，以生物工程产品小试和中试为主线，结合最新科研成果产业化转化，编写和制定教学改革大纲。根据团队前期已获得授权中国发明专利的产业化转化项目，拟定了3个综合大实验：SFB鞭毛蛋白的体外表达纯化与免疫增强剂研发;微生物褐藻胶膜表面发酵制备与生物肥料和饲料添加剂研发;S-雌马酚的发酵制备与护肤品研发。同时根据生物学研究前沿和学生兴趣爱好，选择性地开设了细菌与宿主细胞相互作用实验，并将生物工程五大模块融入到各个综合大实验中。2.构建开放式实验教学体系：将科研团队仪器设备和学院大型共享仪器设备充分应用到教学过程中，让学生了解最新前沿研究进展和仪器设备，鼓励学生开展自主设计实验，培养学生实验设计、项目申报、活动策划和科技写作能力。3.开展校企合作：项目组成员与地方企业有良好的合作关系，通过与当地企业对接，带领学生到生产企业见习和参观，加深对“全产业链”认识，提高“全产业链”创新意识。通过录制企业流水线生产过程和模式，了解企业实际生产过程中经常碰到的技术难题，引导学生有针对性地加强学习和训练。4.改革教学方式：将真实生产环节融入到教学，根据企业经常碰到的技术瓶颈，模拟企业需求，集中时间和精力开展技术攻关和产品研发，争取在2-3周内完成产品研发和小试中试生产全过程。同时，邀请科研团队成员和企业技术研发骨干参与实验指导，解决平时老师上课时间精力有限、指导不到位、不充分等问题。 5.改革考核方式：不仅考查平时出勤和实验操作情况，更注重考核学生的创新思维能力、工程设计能力和解决实际问题能力。模拟企业生产需求和可能碰到的研发问题拟定考试题目，重点提高学生的理论水平及应用已掌握的技术方法解决实际问题能力。

以“SFB鞭毛蛋白的体外表达纯化与免疫增强剂研发”为例，对实验教学内容进行模块化和程序化设计。同时充分考虑在全产业链生产过程中的连贯性。在全产业链上游，首先设计引物使用PCR方法从细菌基因组DNA中扩增SFB鞭毛蛋白基因，然后采用基因克隆方法构建可以表达SFB鞭毛蛋白的原核表达载体，采用克隆测序方法筛选含有阳性质粒的宿主菌株。在此过程中将基因工程相关的基因组DNA提取、PCR扩增、凝胶电泳、DNA纯化与回收、DNA双酶切与连接、外源DNA转化、阳性克隆筛选、质粒提取与测序等技术和方法进行讲解与复习。在全产业链中游，以1L发酵罐为例，讲解发酵罐结构和构件，学习发酵罐运行和操作方法。并对发酵条件优化和发酵工艺改进进行重点讲解。同时列举讲解如何解决企业生产过程中经常会碰到的一些问题，并重点强调发酵注意事项（如何防止菌种污染、如何进行种子复壮、如何节省成本和如何提高产量等）。因为产品检测和质量标准控制是企业生产过程中必不可少的环节之一，因此在课程设计时也补充添加了检测技术模块。针对蛋白质表达的检测，讲解了聚丙烯酰胺凝胶电泳、蛋白质免疫印迹和酶联免疫吸附实验等。在其它以代谢或转化产物为产品的实验中，重点讲解高效液相色谱等检测方法。如使用高效液相色谱法检测发酵液中S-雌马酚含量等。在全产业链下游，重点讲解蛋白质纯化方法（如His标签蛋白柱纯化方法和AKATA蛋白纯化仪纯化方法）和产品开发工艺与产品展现形式（如蛋白缓冲保护液的制备和液态蛋白质产品的研制、蛋白质冷冻干燥和固态蛋白质产品的研制等）。考虑到生物工程专业是一个应用性很强的专业，其研发的产品与生产实际紧密相连。实验过程中也进行了产品效果检测与评价的延伸。如采用细胞实验和动物实验等检测研发的SFB鞭毛蛋白产品的免疫调节功能等。

通过近2年的实践，学生对《生物工程综合大实验》实验课的兴趣明显增强，学生的实际动手能力和实验技术明显提升，学生全产业链思想意识明显加强。但在教学改革过程中也碰到了一些问题：如学生人数较多，企業参观与接待在落实过程中存在一些困难;集中2-3周进行综合大实验存在与其它课程或其它学习任务相冲突等矛盾。因此，还有待进一步进行优化和改革。

参考文献：

[1]张守涛，方惠敏，黄进勇.生物工程专业创新人才培养方案的改革与实践[J].《教师》，2012（5）：102-104.

[2]潘勋，周海梦.生物工程专业的办学现状与建议[J].高等工程教育研究，2003（2）：27-29.

[3]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组，国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）[M].北京人民出版社，2010.

[4]李永久.谈基于建构主义理论的高校实验教学[J].中国成人教育，2010（17）：140-141.

[5]周文富.地方高校实验教学模式改革与创新人才培养[J].实验室研究与探索，2009（7）：97-102.

[6]沙莉，孙淑静.立足专业定位，改革生物工程综合实验课程[J].高校生物学教学研究（电子版），2017（2）：52-55.