生物工藝學(xué)課程體系改革實(shí)踐

張建國(guó)　陳曉明

摘要生物工藝學(xué)課程是生物工程專業(yè)學(xué)生的主干必修課程，是一門理論性和實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。以提高學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)，對(duì)生物工藝課程體系進(jìn)行了改革。優(yōu)化了理論、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式以及各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接，構(gòu)建了合理的生物工藝學(xué)課程體系，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞生物工藝學(xué)課程體系改革

生物工藝學(xué)是一門研究將生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化的重要學(xué)科，也是多數(shù)高校生物工程專業(yè)的必修課程之一。主要目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)踐能力、實(shí)踐歸納總結(jié)能力、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展能力。對(duì)于生物工藝學(xué)課程本教研室立足現(xiàn)狀根據(jù)實(shí)際情況針對(duì)課程體系、理論體系、實(shí)踐體系改革和探索。作者著重就多年來生物工藝學(xué)課程體系改革與教學(xué)體會(huì)和大家探討。

1課程開設(shè)背景

生物工藝學(xué)課程是生物工程專業(yè)三年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)的必修課程，已經(jīng)學(xué)習(xí)了生物化學(xué)、微生物學(xué)、基因工程以及正在學(xué)習(xí)生物反應(yīng)工程、生化分離工程、生物工程設(shè)備、發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)概論等相關(guān)課程的背景下展開生物工藝學(xué)課程學(xué)習(xí)。而這些課程與生物工藝學(xué)的各個(gè)章節(jié)都有重復(fù)，有沒有必要開設(shè)生物工藝學(xué)課程及如何進(jìn)行生物工藝學(xué)教學(xué)活動(dòng)是需要期待解決的問題。2006年通過教研組討論決定減少生物工藝學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)，由64學(xué)時(shí)減少至32學(xué)時(shí)。2006年至2008年試行三年后，通過對(duì)學(xué)生調(diào)查和用人單位調(diào)查，證明減少學(xué)時(shí)后，學(xué)生實(shí)踐、設(shè)計(jì)、解決問題能力有所下滑而且出現(xiàn)了對(duì)就業(yè)的迷茫的現(xiàn)象。2009年教研組對(duì)生物工藝學(xué)課程體系建設(shè)進(jìn)行討論，一致認(rèn)為不但有必要開設(shè)生物工藝學(xué)而且課時(shí)需要增加，并且增加了生物工藝學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的種類和數(shù)量?，F(xiàn)在理論課時(shí)為64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)、課程實(shí)習(xí)16學(xué)時(shí)、發(fā)酵過程分析實(shí)驗(yàn)48學(xué)時(shí)，在三年級(jí)兩個(gè)學(xué)期分別對(duì)半完成除發(fā)酵過程分析外的生物工藝學(xué)課程體系學(xué)習(xí)。

2理論課程講授內(nèi)容重復(fù)性矛盾的解決方案

課程主要教材選用俞俊棠等編寫的新編生物工藝學(xué)教材，同時(shí)結(jié)合各個(gè)章節(jié)補(bǔ)充或指定相關(guān)參書籍進(jìn)行教學(xué)或供學(xué)生參考，有助于充分利用學(xué)生所學(xué)相關(guān)課程內(nèi)容，將理論知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合，從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。堅(jiān)持“學(xué)以致用”，堅(jiān)持“融會(huì)貫通”為指導(dǎo)思想進(jìn)行理論教學(xué)活動(dòng)。

2.1架起相關(guān)課程的橋梁

生物化學(xué)、微生物學(xué)、基因工程、生物反應(yīng)工程、生化分離工程、生物工程設(shè)備、發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)概論等相關(guān)課程都是相對(duì)獨(dú)立的，而生物工藝學(xué)中的工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化等章節(jié)內(nèi)容和技術(shù)方法和相關(guān)課程緊密相關(guān)，在這些課程中間可以起到穿針引線搭橋的作用。學(xué)生在單獨(dú)學(xué)習(xí)相關(guān)課程時(shí)容易形成思維定勢(shì)，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中并沒有把所學(xué)的相關(guān)課程深入到工藝開發(fā)中來，由于各課程的重點(diǎn)和學(xué)生的經(jīng)歷也是不可能將相關(guān)課程知識(shí)進(jìn)行深入理解。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生將各個(gè)知識(shí)單元利用生物工藝學(xué)原理將之聯(lián)系起來就是生物工藝學(xué)的工作之重點(diǎn)。

2.2優(yōu)化章節(jié)側(cè)重點(diǎn)

要讓學(xué)生充分理解生物工藝學(xué)的定義、目的和意義，緒論部分非常關(guān)鍵。生物工藝學(xué)既有工程要素又有技術(shù)要素，不管是現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)還是傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)其本質(zhì)都是一樣的，各個(gè)章節(jié)是生物工藝的工程組合部分，各個(gè)工程部分需要技術(shù)來完成。各個(gè)工程組成部分的應(yīng)用概況、原理及設(shè)計(jì)、目標(biāo)以及到達(dá)工程目標(biāo)目前的技術(shù)手段、技術(shù)原理、技術(shù)要素及邊界條件是各個(gè)章節(jié)講述的重點(diǎn)，所舉的例子圍繞工程目標(biāo)、技術(shù)手段進(jìn)行展開。在各個(gè)章節(jié)講述完成后學(xué)生能夠辨別和判斷各個(gè)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，工藝的使用邊條件，具有分析工藝的節(jié)點(diǎn)能力和初步具有解決節(jié)點(diǎn)問題的方法。

2.3不斷完善教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容也要根據(jù)形勢(shì)要求進(jìn)行不斷完善。（1）不斷走企業(yè)充分了解企業(yè)需求，了解新進(jìn)大學(xué)生在企業(yè)里缺少什么；（2）查閱文獻(xiàn)資料，了解產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)和新方法、新工藝；（3）多了解學(xué)生對(duì)章節(jié)的掌握程度。主要根據(jù)這三種形式不斷補(bǔ)充和完善教學(xué)內(nèi)容，積極向?qū)W生推薦參考用書。例如在講解菌種選育過程中，給學(xué)生指定了施巧琴、吳松剛等編寫的《工業(yè)微生物育種學(xué)》。

通過教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生覺得每堂課都很新鮮，也沒有發(fā)現(xiàn)學(xué)生由于學(xué)過相關(guān)知識(shí)而感到厭學(xué)和不滿情緒。實(shí)踐教學(xué)本質(zhì)就是引導(dǎo)學(xué)生如何將學(xué)到的知識(shí)加以生物工藝方面的應(yīng)用，讓學(xué)生思路更開闊更靈活地大膽應(yīng)用相關(guān)知識(shí)。

3實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

3.1生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)

生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)就是讓學(xué)生掌握最基本的操作方法、理解操作方法的原理。針對(duì)課程特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能開設(shè)了菌種的選育、培養(yǎng)條件的優(yōu)化、原料的預(yù)處理、反應(yīng)器溶氧傳遞系數(shù)的測(cè)定、菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。前三個(gè)實(shí)驗(yàn)在三年級(jí)第一學(xué)期完成，后三個(gè)實(shí)驗(yàn)在第二學(xué)期完成，這樣一方面和教學(xué)進(jìn)度相吻合，便于及時(shí)理解。

3.2生物工藝學(xué)課程實(shí)習(xí)

課程實(shí)習(xí)第一階段在三年級(jí)第一學(xué)期期中進(jìn)入工廠進(jìn)行認(rèn)知實(shí)習(xí)，主要了解工廠布局、工藝流程、設(shè)備構(gòu)造。雖然在課堂上學(xué)生通過幻燈片或老師的形象比喻進(jìn)行認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)，但是在學(xué)生腦海中這些知識(shí)還是很抽象的。同學(xué)們通過參觀實(shí)習(xí)無不感嘆工廠的工藝設(shè)計(jì)與老師講得非常相似。工廠的實(shí)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生感覺到將來能干什么，大大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，實(shí)踐證明這個(gè)環(huán)節(jié)非常有必要。

第二學(xué)期，理論知識(shí)基本學(xué)習(xí)完畢、基本操作技能得到訓(xùn)練，然后進(jìn)入第二個(gè)課程實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)利用實(shí)驗(yàn)室50L發(fā)酵罐、30L發(fā)酵罐進(jìn)行進(jìn)行分批發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。分批發(fā)酵是最基本的發(fā)酵方法，該環(huán)節(jié)的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目是繼生物工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中培養(yǎng)條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行的，利用該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)化條件進(jìn)行發(fā)酵放大實(shí)踐活動(dòng)。通過分批發(fā)酵的訓(xùn)練一方面，掌握種子擴(kuò)大培養(yǎng)、培養(yǎng)基的配置、滅菌、接種、發(fā)酵、取樣分析的基本操作；另一方面，觀察了解發(fā)酵過程中溶氧、pH、菌體形態(tài)、發(fā)酵液顏色、黏度、泡沫以及底物、產(chǎn)物的變化等規(guī)律；再一方面，通過幾個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，總結(jié)出正常發(fā)酵條件下發(fā)酵的變化狀態(tài)、變化規(guī)律以及變量和產(chǎn)物形成的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力。

3.3發(fā)酵過程分析實(shí)驗(yàn)

生物工藝生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)最大化是目標(biāo)，菌種是保障，工藝優(yōu)化控制是關(guān)鍵。工藝優(yōu)化控制對(duì)最大發(fā)揮優(yōu)良菌種的潛能和下游提取都有著非常大的影響，對(duì)發(fā)酵成本有著重要的影響。培養(yǎng)基原料、種子質(zhì)量、滅菌質(zhì)量、溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速、溶氧、培養(yǎng)基配方、罐壓、補(bǔ)料的時(shí)機(jī)、培養(yǎng)條件的轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)等等很多因素都會(huì)影響發(fā)酵結(jié)果。讓學(xué)生在實(shí)踐中盡可能地體會(huì)工藝控制的重要性和技術(shù)要點(diǎn)是本實(shí)驗(yàn)的目的。本實(shí)驗(yàn)開設(shè)采用大實(shí)驗(yàn)的形式，根據(jù)發(fā)酵過程控制參數(shù)進(jìn)行分組。例如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為%^-聚賴氨酸的補(bǔ)料分批發(fā)酵，pH、溶氧、溫度在線監(jiān)測(cè)。其中一組根據(jù)溶氧變化進(jìn)行反饋補(bǔ)糖，同時(shí)離線測(cè)定發(fā)酵液中殘?zhí)菨舛取埖獫舛?、菌絲球的形態(tài)、菌體濃度的變化等等指標(biāo)，考察不同補(bǔ)料情況對(duì)進(jìn)行pH調(diào)控發(fā)酵中產(chǎn)物%^-聚賴氨酸的影響。然后各組將發(fā)酵過程數(shù)據(jù)予以共享共同分析，找出影響發(fā)酵的節(jié)點(diǎn)，提出解決的方案，最后討論形成報(bào)告。

通過實(shí)踐環(huán)節(jié)由簡(jiǎn)到繁地開展，讓學(xué)生逐步掌握和理解工藝各個(gè)環(huán)節(jié)和控制節(jié)點(diǎn)及其解決方法。一方面，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中學(xué)生才能切身體驗(yàn)到發(fā)酵過程各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的關(guān)系，各個(gè)指標(biāo)在發(fā)酵過程中控制方法；第二方面，學(xué)生通過實(shí)踐環(huán)節(jié)反復(fù)應(yīng)用理論知識(shí)加深了對(duì)理論的理解；第三方面，通過實(shí)踐環(huán)節(jié)有效訓(xùn)練了學(xué)生提出問題和解決問題的能力，歸納問題的能力，大大提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4加強(qiáng)知識(shí)消化

知識(shí)的消化如同食物的消化，過飽過多產(chǎn)生厭食，同樣知識(shí)一次講授過多，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)，為了考試學(xué)生只有死記硬背，出了考場(chǎng)知識(shí)又還給了老師。為了在技術(shù)上解決這個(gè)問題將生物工藝學(xué)課程體系中相關(guān)理論、實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)任務(wù)肢解，分為兩個(gè)學(xué)期完成，大大提高學(xué)生的理解和接受能力。這種安排教學(xué)任務(wù)也可以用“茅塞頓開”一成語進(jìn)行解釋，隨著時(shí)間的推移、經(jīng)驗(yàn)的積累，學(xué)生逐步地學(xué)會(huì)自覺消化知識(shí)。

通過幾年來的生物工藝學(xué)課程體系建立探索，逐步形成了較為完善的生物工藝學(xué)課程體系框架，提高了學(xué)生的理論水平、實(shí)踐能力、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及創(chuàng)新能力，充分體現(xiàn)了以“學(xué)生為本”的精神和實(shí)事求是的精神。

5期待進(jìn)一步解決的問題

（1）服務(wù)教學(xué)的同時(shí)兼顧教師的科研任務(wù)。眾所周知，各個(gè)高校一線教師都有科研的任務(wù)，可是任課教師科研項(xiàng)目不一定與教學(xué)內(nèi)容吻合，即使吻合，教學(xué)計(jì)劃與科研計(jì)劃并不一定同步。一些教改文獻(xiàn)中提出與教師科研聯(lián)系起來，那只是一種權(quán)宜之計(jì)不是長(zhǎng)久之計(jì)。如何服務(wù)教學(xué)的同時(shí)兼顧教師科研是需要進(jìn)一步探索問題，能夠讓任課教師更多精力放在教學(xué)上。

（2）課程開設(shè)時(shí)間的調(diào)整。大三學(xué)生在學(xué)習(xí)生物工藝學(xué)的同時(shí)還要學(xué)習(xí)其他課程，而課程實(shí)習(xí)第二環(huán)節(jié)和發(fā)酵過程分析實(shí)驗(yàn)課程需要進(jìn)行發(fā)酵工程訓(xùn)練，整個(gè)訓(xùn)練過程需要連續(xù)幾天時(shí)間，勢(shì)必影響其他課程的教學(xué)。若開設(shè)在大學(xué)三年級(jí)第二學(xué)期和大四第一學(xué)時(shí)間上可以較好滿足教學(xué)需求，但是也存在大四學(xué)生找工作、考研等壓力，雖然學(xué)生出勤容易解決但是學(xué)生“身在曹營(yíng)心在漢”問題就不易解決?？傊欠N效果更好需要進(jìn)一步實(shí)踐證明。

（3）教學(xué)水平提高。教學(xué)水平提高是一個(gè)相對(duì)過程，關(guān)于提高教學(xué)效率、提高教學(xué)質(zhì)量的探索是永無止境的，要不斷加強(qiáng)和學(xué)生聯(lián)系，進(jìn)一步和企業(yè)、科研院校等相關(guān)單位聯(lián)系，為提高教學(xué)質(zhì)量提供平臺(tái)。

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