生物工程專(zhuān)業(yè)發(fā)酵工程課程群構(gòu)建的探索

張弘弛

(山西大同大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009)

隨著大同市戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型發(fā)展，大同地區(qū)食品開(kāi)發(fā)和藥品生產(chǎn)企業(yè)迎來(lái)了飛速發(fā)展的時(shí)期，在山西北部甚至是華北地區(qū)形成了規(guī)模集中的醫(yī)藥園區(qū)和食品園區(qū)，特別是醫(yī)藥第一和第二園區(qū)生產(chǎn)規(guī)模居國(guó)內(nèi)前列。

山西大同大學(xué)作為晉北地區(qū)唯一一所全日制多科性大學(xué)，以培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才為中心，為地方各行業(yè)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才，受到用人單位和社會(huì)的普遍好評(píng)。而生物工程專(zhuān)業(yè)從設(shè)置之初，就致力于服務(wù)大同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前凝練出微生物制藥與天然藥物制備、釀造與釀酒的兩個(gè)培養(yǎng)方向，因其與地方發(fā)展的緊密貼切度以及在實(shí)踐教學(xué)中的創(chuàng)新，在2014年生物工程專(zhuān)業(yè)被確立為學(xué)校的特色專(zhuān)業(yè)。2015年以來(lái)，隨著學(xué)校創(chuàng)新性教學(xué)改革，生物工程專(zhuān)業(yè)毫無(wú)例外地參與到教學(xué)改革中，打破原有的課程界限，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，將多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行整合，形成了獨(dú)具特色的發(fā)酵工程課程群。

1 發(fā)酵工程課程群構(gòu)建的必要性

生物工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)掌握生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的原理、工藝過(guò)程和工程設(shè)計(jì)，能在發(fā)酵工程和食品工程領(lǐng)域從事工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的工程技術(shù)人才。該專(zhuān)業(yè)的定位為應(yīng)用型人才，社會(huì)對(duì)高校人才培養(yǎng)要求是從崗位能力的需求出發(fā)，注重生產(chǎn)實(shí)踐能力的提高。

但是，一直以來(lái)，生物工程專(zhuān)業(yè)在教學(xué)環(huán)節(jié)上還存在理論教學(xué)和專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相脫節(jié)等現(xiàn)象，因此，對(duì)其理論和實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，構(gòu)建發(fā)酵工程課程群是生物工程專(zhuān)業(yè)自身建設(shè)的內(nèi)在需要。發(fā)酵工程課程是綜合性和應(yīng)用性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，與生產(chǎn)實(shí)踐具有緊密的聯(lián)系，發(fā)酵產(chǎn)業(yè)具有一定的地區(qū)性，目前我們的教學(xué)內(nèi)容還遠(yuǎn)不適應(yīng)大同地區(qū)發(fā)酵產(chǎn)品資源開(kāi)發(fā)與深加工的需要，工藝?yán)碚摵蛯?zhuān)業(yè)實(shí)踐都不足以與大同地區(qū)產(chǎn)業(yè)相對(duì)接，以應(yīng)用為目的構(gòu)建發(fā)酵工程課程群，是為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)培養(yǎng)生物工程技術(shù)人才的客觀要求和外在動(dòng)力。

生物工程專(zhuān)業(yè)課程體系以發(fā)酵工程為核心課程，以生物反應(yīng)工程和生物工程設(shè)備為上游課程，以生物分離工程、酶工程和生物工程工廠設(shè)計(jì)為下游課程，按照理論知識(shí)“必需、夠用”、專(zhuān)業(yè)實(shí)踐與“實(shí)際生產(chǎn)線對(duì)接”的原則，將一些具體的技術(shù)理論整合到發(fā)酵工程應(yīng)用課程中，將單一的發(fā)酵工程課程拓展為綜合性、設(shè)計(jì)性、生產(chǎn)性專(zhuān)業(yè)綜合訓(xùn)練實(shí)踐課，這些課程相互聯(lián)系、滲透和整合形成一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體，環(huán)環(huán)相扣、螺旋上升，是構(gòu)建發(fā)酵工程課程群特色的必然選擇。

2 發(fā)酵工程課程群的構(gòu)建思路

課程群是指若干門(mén)彼此獨(dú)立，但內(nèi)容上密切相關(guān)、相承和滲透，具有某一共同屬性的一組課程集群[1]。在生物產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，主要包括兩個(gè)階段，發(fā)酵過(guò)程和生物分離提取。發(fā)酵工程包括細(xì)胞反應(yīng)機(jī)理、代謝調(diào)控、生物工程設(shè)備、工藝以及檢測(cè)、工廠設(shè)計(jì)等。而這些知識(shí)主要源自“生物反應(yīng)工程”、“酶工程”、“生物工程設(shè)備”、“生物分離工程”、“生物工程工廠設(shè)計(jì)”這些專(zhuān)業(yè)課程，將這些課程進(jìn)行整合，再結(jié)合“發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)”、“生物工程大實(shí)驗(yàn)”、“生產(chǎn)見(jiàn)習(xí)”、“畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)”等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，形成發(fā)酵工程課程群，使生物工程產(chǎn)業(yè)化環(huán)節(jié)(發(fā)酵)將更系統(tǒng)、更具有應(yīng)用性。

3 生物工程課程群內(nèi)容的有機(jī)整合

3.1 課程群的內(nèi)容梳理

課程群建設(shè)是一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)工程，不是簡(jiǎn)單的將幾門(mén)課程直接拼湊[2]。在實(shí)際教學(xué)中，所有專(zhuān)業(yè)課程都會(huì)出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容重疊的現(xiàn)象，因而，如何有機(jī)銜接合整合課程群的教學(xué)內(nèi)容，是課程群建設(shè)的核心所在。我們基于生產(chǎn)實(shí)際的需要，將發(fā)酵工程課程群的知識(shí)進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)際化，形成一個(gè)應(yīng)用性強(qiáng)的教學(xué)體系。突出課程群中每門(mén)課程的側(cè)重點(diǎn)，避免課程內(nèi)容的交叉重復(fù)。

“發(fā)酵工程”是生物工程專(zhuān)業(yè)的主干課程和學(xué)位課程，該課程突出有關(guān)發(fā)酵過(guò)程的化學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)和微生物學(xué)的原理，以生產(chǎn)產(chǎn)品的典型流程講述生物產(chǎn)品生產(chǎn)的一般規(guī)律(即基礎(chǔ)知識(shí)和原理部分)，依照工藝流程對(duì)模塊知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行“打包”，教學(xué)方法采用單元操作與發(fā)酵案例結(jié)合法，包括6個(gè)項(xiàng)目：生產(chǎn)菌種選育；培養(yǎng)基的制備和滅菌；無(wú)菌空氣制備和種子擴(kuò)大培養(yǎng)；發(fā)酵設(shè)備和發(fā)酵過(guò)程控制；染菌的防治；產(chǎn)品的分離提純。在課堂教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)工業(yè)微生物菌種選育和發(fā)酵過(guò)程中各類(lèi)參數(shù)的控制等一些共性技術(shù)的部分，同時(shí)輔之有代表性的產(chǎn)品的發(fā)酵工藝和方法的介紹，通過(guò)點(diǎn)面結(jié)合促進(jìn)學(xué)生理解[3]。將發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)以及反應(yīng)器操作模式與模型的內(nèi)容整合到“生物反應(yīng)工程”中講解，將“設(shè)備選型和設(shè)備設(shè)計(jì)”整合到“生物工程設(shè)備”講解。

“生物反應(yīng)工程”主要介紹生物反應(yīng)過(guò)程中帶有共性的工程技術(shù)問(wèn)題，是發(fā)酵工程課程群中其他課程的理論基礎(chǔ)。本課程的基本理論分為三個(gè)部分：生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器和生物反應(yīng)過(guò)程的放大三部分內(nèi)容。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握生物反應(yīng)過(guò)程重點(diǎn)是酶促反應(yīng)及微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，掌握生物反應(yīng)器的基本理論和設(shè)計(jì)的基本方法，了解本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，能夠通過(guò)運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行生物反應(yīng)過(guò)程的工程分析與開(kāi)發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、擴(kuò)大、操作和優(yōu)化控制。

“酶工程”是建立在微生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物技術(shù)原理、發(fā)酵工程原理等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和相關(guān)專(zhuān)業(yè)課基礎(chǔ)上的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性課程。主要研究酶的生產(chǎn)、改性與應(yīng)用的技術(shù)過(guò)程。

“生物分離工程”要求學(xué)生準(zhǔn)確理解并掌握生物活性物質(zhì)分離過(guò)程的特點(diǎn)和基本規(guī)律。通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生準(zhǔn)確理解并掌握生物活性物質(zhì)分離過(guò)程的特點(diǎn)和基本規(guī)律，掌握生物分離中一些重要分離技術(shù)的原理和方法，了解新型生物分離技術(shù)。要求學(xué)生掌握并運(yùn)用相關(guān)公式進(jìn)行一些生物分離過(guò)程的計(jì)算，加深對(duì)生物分離過(guò)程基本原理的理解。在系統(tǒng)地掌握生物分離技術(shù)的操作技能的基礎(chǔ)上，使學(xué)生在實(shí)際工作中能夠正確地選擇和運(yùn)用各種生物分離技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問(wèn)題的能力。

“生物工程設(shè)備”課程的目的是使學(xué)生掌握生物工廠主要設(shè)備的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)，掌握主要設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型，初步了解設(shè)備的安裝與維護(hù)。

“生物工程工廠設(shè)計(jì)”是生物工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)必修課，它是在學(xué)生基本完成大學(xué)全部課程，扎實(shí)掌握基礎(chǔ)理論、工程技能及專(zhuān)業(yè)理論、專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的。本課程既有一定基礎(chǔ)理論，又有較強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中一方面學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，以及發(fā)酵工廠工藝、設(shè)備等實(shí)際情況，另一方面讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單的發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)，以解決企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

3.2 課程群的內(nèi)容整合

發(fā)酵工程課程群內(nèi)各課程內(nèi)容聯(lián)系緊密，因此在安排教學(xué)計(jì)劃時(shí)需要統(tǒng)籌兼顧?！鞍l(fā)酵工程”和“酶工程”安排在第五學(xué)期，輔以同學(xué)期從第三周開(kāi)始的發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)和酶工程實(shí)驗(yàn)，在第六學(xué)期的最后一個(gè)教學(xué)周安排生產(chǎn)實(shí)習(xí)。由于將“發(fā)酵工程”的設(shè)備選型和設(shè)備設(shè)計(jì)內(nèi)容調(diào)整到了生物工程設(shè)備課程中，所以將“生物工程設(shè)備”安排為先修，于第四學(xué)期開(kāi)設(shè)?；凇吧锓磻?yīng)工程”第一部分主要以生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)為主，將發(fā)酵工程以及酶工程等課程中相關(guān)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容融合到相應(yīng)章節(jié)中。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與發(fā)酵工程以及酶工程課程交叉較少，同時(shí)又是其他課程的理論基礎(chǔ)；第二部分和第三部分以生物反應(yīng)器為中心，重點(diǎn)介紹不同操作方式下反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化，同時(shí)討論反應(yīng)器內(nèi)傳遞及放大問(wèn)題。該部分內(nèi)容與發(fā)酵工程和酶工程中發(fā)酵操作方式、生物工程設(shè)備中的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等內(nèi)容交叉較多。在優(yōu)化課程內(nèi)容時(shí)，將“生物反應(yīng)工程”安排在第五學(xué)期與其他群內(nèi)相關(guān)課程同時(shí)開(kāi)設(shè)，重點(diǎn)從反應(yīng)器的操作方式與理論模型、反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的傳遞、混合特性的角度來(lái)講授；而提前開(kāi)設(shè)的“生物工程設(shè)備”課程主要從各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)功能層面來(lái)講授?！吧锓蛛x工程”主要內(nèi)容是生物制品的下游技術(shù)和原理，因而設(shè)置在第七學(xué)期開(kāi)設(shè)，最后于第七學(xué)期中期開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性課程“生物工程工廠設(shè)計(jì)”。

4 生物工程課程群的升華

在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不可缺少的重要組成部分，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，理論聯(lián)系實(shí)際、工程實(shí)踐、解決實(shí)際問(wèn)題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著非常重要的作用。課程群設(shè)置了“發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)”(32課時(shí))和以綜合性大實(shí)驗(yàn)的體系開(kāi)設(shè)的“生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)”(48學(xué)時(shí))。按照從專(zhuān)業(yè)方向角度設(shè)置的實(shí)驗(yàn)體系達(dá)到與就業(yè)的過(guò)渡銜接，我們把“生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容主要分為微生物制藥發(fā)酵部分、酶制劑發(fā)酵及分離提取部分、天然藥物提取分離部分。

生物工程歷屆畢業(yè)生多數(shù)在大同、北京和上海等地的發(fā)酵制藥企業(yè)和生物制品企業(yè)就業(yè)，為了達(dá)到與企業(yè)的對(duì)接，我們?cè)诮淌谖⑸镏扑幇l(fā)酵部分時(shí)，以教學(xué)實(shí)習(xí)基地—國(guó)藥威奇達(dá)制藥有限公司的產(chǎn)品青霉素作為綜合實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容(16學(xué)時(shí))。包括：保藏的菌種的傳代和活化，生產(chǎn)菌株的誘變育種，篩選活性較高的菌株實(shí)施實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備種子，最后進(jìn)行發(fā)酵罐發(fā)酵。同時(shí)在發(fā)酵過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)方案，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行工藝調(diào)控。發(fā)酵結(jié)束后，測(cè)定發(fā)酵液中青霉素效價(jià)，最后進(jìn)行青霉素的提取與分離。

在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過(guò)程中，教學(xué)見(jiàn)習(xí)、實(shí)習(xí)是另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)在相關(guān)企業(yè)的見(jiàn)習(xí)，學(xué)生對(duì)相關(guān)企業(yè)的工藝有了初步的了解，以及對(duì)工廠車(chē)間的設(shè)計(jì)與布置，有了較全面的了解，這樣有利于學(xué)生將書(shū)本知識(shí)與實(shí)際情況緊密結(jié)合起來(lái)，加深對(duì)所學(xué)課程知識(shí)的理解，使學(xué)習(xí)和實(shí)踐相結(jié)合[4]。

5 生物工程課程群的應(yīng)用

畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科生畢業(yè)前最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)和技能分析解決實(shí)際問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，對(duì)保證培養(yǎng)具備生物技術(shù)與工程領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理方面的知識(shí)和能力的高素質(zhì)人才有著十分重要的意義。

我校畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)分為兩類(lèi)，一是考研同學(xué)和導(dǎo)師制從事科研的學(xué)生完成科研性實(shí)驗(yàn)的畢業(yè)論文；二是與相關(guān)企業(yè)達(dá)成就業(yè)意向的同學(xué)的生物制品的相關(guān)設(shè)計(jì)。生物制品的相關(guān)設(shè)計(jì)是銜接發(fā)酵工程課程群教學(xué)內(nèi)容與就業(yè)的最有效手段之一。例如，學(xué)生如果在國(guó)藥威奇達(dá)制藥廠就業(yè)，指導(dǎo)教師就會(huì)安排學(xué)生做青霉素發(fā)酵工藝以及設(shè)備選型的設(shè)計(jì)，如在華潤(rùn)雪花啤酒廠就業(yè)，指導(dǎo)教師就會(huì)安排學(xué)生做糖化和糊化工藝以及設(shè)備選型的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容除了車(chē)間年產(chǎn)量，還包括工藝和設(shè)備部分，計(jì)算完成產(chǎn)量所需要的所有原料的衡算(培養(yǎng)基、補(bǔ)料等各種原料的成分和用量)、水、電、蒸汽消耗量等，還包括設(shè)備選型和設(shè)計(jì)(發(fā)車(chē)間用到的每一個(gè)設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和數(shù)量)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)綜合性地涉及到發(fā)酵工程課程群的發(fā)酵工程、生物反應(yīng)工程、生物工程設(shè)備、生物工程工廠設(shè)計(jì)等理論知識(shí)。

生物工程課程群的構(gòu)建是建設(shè)生物工程專(zhuān)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)課程群的構(gòu)建，使相關(guān)課程進(jìn)行整合，避免重復(fù)性授課過(guò)程，完成對(duì)教學(xué)內(nèi)容的整合，實(shí)現(xiàn)課程建設(shè)的“群落化”，保證教

師的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，設(shè)置好專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方向，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的更新，使其更符合企業(yè)的需求，培養(yǎng)出更適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用型技術(shù)人才。

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