生物分離工程研究生實驗課程教學模式改革

周 治， 朱本偉， 王浩綺， 姚 忠

（南京工業(yè)大學a.科學研究部自然科學處；b.生物與制藥工程學院，南京211816）

0 引 言

生物分離工程是指從微生物、動植物細胞及其生物化學產物中提取有用物質的技術，是生物工程中不可缺少的也是極為重要的過程環(huán)節(jié)［1］，它利用化工過程的各種單元操作將有用的目標產物從復雜的反應體系中分離出來，可以有效解決目前生物工程工藝中存在的技術瓶頸，成為化工、醫(yī)藥、生物、環(huán)境等領域的研究熱點。同時，生物分離工程也是為生物工程類等相關工科研究生開設的專業(yè)核心課程，該課程兼有工程“技術”與“科學”的雙重特點，是一門理論與實踐密切結合的課程，在生物工程專業(yè)的課程設置中處于橋梁和紐帶地位，對專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用［2］。

1 生物分離工程實驗教學中存在的問題

在國家大力推行新工科教育的大背景下，如何培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)成為工科專業(yè)教學要求的重要目標［3］。然而，在當前生物分離工程的實驗教學實踐中仍存在一些問題，極大地限制了研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，從而難以達到新工科背景下的教學目標。

（1）實驗過程耗時長，學生難以掌握實驗進度。由于受到實驗場地、資金以及課時限定等條件的制約，只能以傳統(tǒng)實驗課的模式即以分散的單元操作來完成該類課程的實驗教學，過程耗時長，學生難以掌握實驗進度。例如，在進行“鏈霉菌發(fā)酵液中提取多抗菌素”的實驗教學時，由于發(fā)酵體系中組分過于復雜，目標產物含量極低（質量分數約為0.13%～0.22%），需要采用多種生物分離技術手段來進行，如將發(fā)酵液離心去除菌體后先后進行浸提、旋蒸、硅膠柱分離、凝膠色譜分離、高效液相色譜等一系列單元操作，理論上整個實驗流程約為1周，但由于學生課程安排等原因，完成該實驗流程實際上需要2～3周的時間，由于耗時太長在教學實踐中無法實現，在這種模式下，學生不僅很難掌握一個完整的分離工藝過程操作，而且對于核心環(huán)節(jié)的分離過程控制也缺乏有效的實踐，造成學生的基本實踐技能不扎實，往往是學了后面的忘了前面的，在后續(xù)操作中不知所措和畏難觀望，無法解決實驗中遇到的各種問題，由此使得學生缺乏對生物分離技術應用探究的主動性。

（2）缺乏必要的實驗手段。由于教學場地及教學設備購置資金等不足，實驗中缺乏高效液相色譜、氣相色譜、超臨界流體萃取裝置等大型分離設備，造成了生物分離工程實驗教學中一些涉及精細分離的實驗部分無法進行，而這些實驗部分是當前生物分離實踐中應用較為普遍的單元操作。例如超臨界流體萃取技術是近代化工和生物分離中出現的高新技術，它將傳統(tǒng)的蒸餾和有機溶劑萃取結合一體，利用超臨界CO2優(yōu)良的溶解力，將基質與萃取物有效分離、提取和純化。臨界流體萃取技術使用超臨界CO2對物料進行萃取，其中的萃取劑CO2是安全、無毒、廉價的液體，超臨界CO2具有類似氣體的擴散系數、液體的溶解力，表面張力為零，能迅速滲透進固體物質之中，提取其精華，具有高效、不易氧化、純天然、無化學污染等特點。因此，超臨界CO2流體萃取技術應用范圍十分廣闊，在醫(yī)藥工業(yè)中，可用于大多數中草藥有效成份的提取，熱敏性生物制品藥物的精制，及脂質類混合物的分離，而在食品工業(yè)中，可用于啤酒花及色素的提取等，在香料工業(yè)中，廣泛應用于天然及合成香料的精制以及化學工業(yè)中混合物的分離等。但是超臨界CO2流體萃取裝置的價格約為80～100萬元，且設備體積龐大，需要專門的場地來放置，教學場地及資金不足造成了實驗中無法讓學生親自操作在實踐生產中應用廣泛的設備，無法將所學的理論知識運用到實踐操作中，造成了學生認知與實踐的脫節(jié)，十分不利于學生應用型創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（3）教學模式有待改進。傳統(tǒng)實驗教學僅僅采用教師講授演示、學生被動學習操作等方式，整個教學過程較為枯燥，學生參與的積極性和主動性差，甚至出現有的學生全程旁觀的現象，達不到教學效果。分析其原因主要有兩點：①學生對本課程的興趣不高，僅僅是出于完成學分的目的來學習本門課程，在學習過程中對于這種復雜的實驗操作參與性較低；②對于本門課程的重要性以及在生產實踐中的應用認識不足，據調查發(fā)現有相當一部分學生在學習本門課程的時候認為現在很多設備都是專門用于某些生產部門而且都是自動化控制，不需要了解其中的分離原理，只需要根據說明書來進行操作即可。此外，目前生物分離工程相關課程的案例式教學研究較少，且教學評價體系不完整，缺乏具有代表性的案例，阻礙了學生對本課程實踐知識的認知以及應用型創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 生物分離工程實驗教學的改革內容

為了迎合國家在生物工程領域的重大戰(zhàn)略需求、響應相關部門大力開展新工科教育的號召，實現培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)成為了工科專業(yè)教學要求等重要目標，我校生物分離工程教學團隊依托國家級精品課程“生物分離原理及技術”等教學資源和國家生化工程研究中心等科研教學平臺，同時結合10余年從事生物分離工程實驗的教學實踐，在總結多年教學經驗的基礎上，根據企業(yè)需求和專業(yè)設置特點，以改善認知、提高能力、引導應用和鼓勵探索為手段培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研素質，并針對上述生物分離工程教學實踐中存在的問題，采用虛擬仿真技術、利用公共平臺優(yōu)勢、建設案例式教學課程等措施對生物分離工程實驗的教學方式和考核標準進行調整和修改，取得了一定的效果。

2.1 開設虛擬實驗，改善學生對課程知識的認知

生物分離工程實驗主要涉及將生物活性物質從反應體系中提取和純化出來的各種單元操作，例如萃取、吸附與離子交換、膜分離等。這些單元操作過程復雜，涉及的知識點多，學生缺乏直觀的認知體驗對這些復雜的單元操作難以理解，因而造成學習興趣不高和教學效果低下等問題［4］。此外，由于受到實驗場地及課時限定等條件的制約，只能以分散的單元操作或簡單的認識實習來完成該類課程的實驗教學。在這種模式下，學生不僅很難掌握一個完整的單元操作過程，而且對于核心環(huán)節(jié)的過程也缺乏有效的實踐，難以形成“實踐—理論—實踐”的認知回路，造成學生的動手能力不扎實、缺乏對實驗課程探究的主動性［5］。針對上述問題，借助虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術的可

視化、直觀性等特點，利用“互聯網＋”技術將虛擬仿真單元操作融入真實的生物分離實驗過程中，最大程度地還原真實的生物分離過程，本教學團隊開發(fā)了L-蘋果酸、L-丙氨酸等生物發(fā)酵產品的分離仿真軟件，通過計算機模擬讓學生直觀地體驗整個分離流程，同時對過程中所涉及的單元操作進行詳細剖析和說明（見圖1）。這一教改實踐不僅消除了學生對于大型實驗設備操作的陌生感、恐懼感，也使其對分離過程中的單元操作有了更為直觀的認識，取得了良好的教學效果。

圖1 生物分離工程實驗課程中的虛擬仿真實驗教學-高效液相色譜

通過對近5年的虛擬仿真實驗教學效果進行問卷調查，結果顯示虛擬仿真實驗對于提高學生學習興趣、加深學生對知識的理解、增強學生的學習效果等方面具有重要的促進作用（見圖2），約9成的學生認為開設虛擬實驗對于本課程的學習是十分必要的。

圖2 近5年虛擬實驗開設的教學效果評價情況

2.2 利用公共科研平臺，提高學生的動手操作能力和實踐創(chuàng)新能力

生物分離工程實驗是一門應用性很強的課程，通過學習這門課程，學生能夠系統(tǒng)掌握生物活性物質的提取、分離、純化和加工的整個流程，針對特定的分離目標物質結合所學的多種生物分離技術來設計合理的提取和純化工藝，進而培養(yǎng)學生“學以致用”的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素養(yǎng)，以迎合新工科教育背景下經濟與社會發(fā)展對復合型創(chuàng)新人才的需求［6］。為了實現這一培養(yǎng)目標，利用學校的公共科研平臺開展生物分離工程實驗中的綜合型實驗課程，以彌補實驗教學中大型貴重設備短缺、型號不齊全等缺陷。本校有國家生化工程技術研究中心和國家特種分離膜工程技術研究中心這兩個國家級科研平臺，平臺擁有非常齊全的儀器設備如高效液相色譜、氣相色譜儀、超臨界流體萃取裝置、超濾及納濾膜分離裝置等生物分離過程常用的儀器設備［7］。此外，在選取綜合型實驗內容時，注重選取應用領域廣泛、包含單元操作豐富的內容，利用公共平臺的設備優(yōu)勢讓學生在教師指導下進行親自實踐操作，以提高實驗教學的效果。例如，在進行超臨界流體萃取實驗的教學中，利用生化工程中心的大型超臨界CO2流體萃取裝置讓學生針對儀器設備的適用范圍自主選取待萃取物料（如中藥材、蜂膠等），并以小組為單位，讓學生自主查閱相關文獻并制定實驗方案，在征得指導教師審核同意后開展實驗操作；并在學生親自操作之前由教師指導熟悉該裝置的構成部件、運行原理，隨機選取1組的物料進行操作演示，讓學生參與到從裝料、萃取、分離直到產物收集的整個流程中，使得學生對整個萃取單元操作有更加直觀深入的認識和了解，達到了理想的教學效果。

2.3 與科研與實踐創(chuàng)新計劃相結合，鼓勵研究生開展探索型實驗

研究生是科研創(chuàng)新的主力軍，科研與實踐創(chuàng)新計劃是新工科教育背景下實踐教學的重要組成部分，也是提高研究生教學質量和培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要舉措［8］。我校生物工程學科積極響應江蘇省教育廳《關于實施江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃》等文件的號召，結合自身專業(yè)特點，開展并實施了江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃以及學校研究生科技論壇等項目，旨在提高研究生的科技創(chuàng)新能力。同時，在課程教學中將自主探索型實驗與此類項目進行有機結合，讓研究生結合所選課題學生進入相關教授實驗室并參與相關的科研項目中。與此同時，積極開展研究生科技論壇等學術沙龍活動，邀請生物分離相關領域的專家來校做學術報告，與學生面對面交流自己的科研體會和心得，反響熱烈。積極與專家進行互動，取得了良好的課外教學效果。如表1所示，近3年有4項研究生自主創(chuàng)新課題入選了江蘇省研究生科技創(chuàng)新計劃項目，其中2017和2018年度入選的項目結題情況均為優(yōu)秀。在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力等科研素質、全方位鍛煉學生的綜合能力方面，也取得了良好的教學效果。

表1 近3年生物分離工程實驗課程自主創(chuàng)新實驗入選省研究生科技創(chuàng)新計劃情況

2.4 采用案例式教學模式，引導學生將課程知識應用于生產實踐

案例式教學最早起源于20世紀的美國哈佛商學院，是指在教學中通過引入案例并引導學生進行問題分析，鍛煉學生運用所學知識解決實際問題的綜合能力［9］。目前，生物分離工程教改工作中案例式或類似的教學方法已有實驗教學方面的報道，但在課堂教學中的應用較少［10-11］。主要原因是案例教學易通過實際操作實施，在課堂教學中則較難模擬實際操作。教學團隊在從事生物分離工程的本科教學中通過引入多個本學科已成功實現的案例，引導學生將課程知識應用到生產實踐中去。例如，嘗試將企業(yè)委托的技術項目“利那洛肽的純化制備技術”作為實驗課程的案例，首先引導學生查閱相關文獻，找一些與目標物結構與性質類似的分離文獻，采用分組討論并擬定不同分離工藝的初步實驗方案，在此基礎上進行實驗驗證，并結合課程中所講授的離子交換與色譜分離方法等知識對純化工藝進行進一步的優(yōu)化。最終，研究生通過反復實驗驗證獲得了一種利那洛肽的高效分離方法，即采用離子交換與高效液相色譜相結合的方法，以陰離子交換柱為固定相，以Tris-HCl緩沖液為流動相A，以含有一定濃度NaCl的Tris-HCl為流動相B，采用梯度洗脫方法對利那洛肽粗品進行處理，然后進一步使用高效液相色譜對上述洗脫液進行脫鹽處理，以C18柱為分離介質，以乙酸水溶液為流動相A，以乙腈為流動相B進行梯度洗脫，最終獲得了純度為99.8%的利那洛肽純品，獲成功申請發(fā)明專利1項（專利名稱：一種利那洛肽的純化方法，CN107266535）［12］。在此案例中，需要圍繞生物分離工程的核心分離方法離子交換與色譜分離，對分離過程進行優(yōu)化組合和設計，其中的關鍵環(huán)節(jié)是離子交換介質，引導學生以課程講授知識與文獻資料相結合的方式設計可行的實驗方案，選擇合適的分離介質，提高了學生參與生產實踐的積極性，取得了良好的教學效果。

3 結 語

生物分離工程實驗是一門理論與實踐密切結合的課程，對創(chuàng)新型專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用，尤其在新工科教育背景下，通過教學模式改革等手段來培養(yǎng)和提升學生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)以滿足經濟與社會發(fā)展的需要成為工科專業(yè)教學要求的重要目標。教學團隊在分析了過去幾年生物分離工程實驗教學中存在的一些問題的基礎上，對本門課程的教學模式進行了一些有益的探索，取得了一定的教學效果，希望在以后的教學實踐中不斷總結經驗與教訓，遵循學生的認知規(guī)律，加強對學生動手能力和創(chuàng)新能力的定向培養(yǎng)，突出應用型創(chuàng)新型人才需求，強化技能培養(yǎng)和提倡工匠精神，為新工科教育背景下的實踐教學改革和探索提供一些思路和啟示。