酶工程教學(xué)改革的探索

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【摘要】根據(jù)“新工科”的發(fā)展綱要，對酶工程課程的改革進行探索。以培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力為重點，進行課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法改革，并對其效果進行分析。

【關(guān)鍵詞】“新工科”；酶工程；改革

1引言

近年來，針對我國制造業(yè)升級換代，以及國際科技競爭的新形勢，教育部于2017年提出了“新工科”建設(shè)的工程教育改革、發(fā)展新方向，并先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等改革綱要[1]。生物工程是生命科學(xué)中工程應(yīng)用性最強的專業(yè)之一，也是與醫(yī)學(xué)、化工、微電子學(xué)等領(lǐng)域深入交叉的學(xué)科[2-3]。因此，如何在現(xiàn)有課程體系下推進“新工科”的教育改革，進一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，已經(jīng)成為新時期專業(yè)教師的重要課題。酶工程是生物工程課程體系中重要的理論和實踐課程，是引導(dǎo)學(xué)生將生物化學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識轉(zhuǎn)化為工程實踐的重要環(huán)節(jié)[4-5]。然而，目前生物工程專業(yè)的大多數(shù)本科生在畢業(yè)后對酶分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識。在走上工作崗位后經(jīng)常暴露出創(chuàng)新能力不足，無法根據(jù)實際的市場和生產(chǎn)需求進行工藝改良設(shè)計的問題。為此，改革酶工程的教學(xué)模式，使之滿足“新工科”建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是提升教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。本文總結(jié)了筆者在酶工程課程“新工科”改革中的探索經(jīng)驗，探討了教學(xué)方法革新對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程思維的效果。

2課程內(nèi)容的設(shè)置與優(yōu)化

酶工程是生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物等基礎(chǔ)學(xué)科在工程領(lǐng)域中的實際應(yīng)用，它關(guān)注和解決生物化工、生物制藥、環(huán)境保護、醫(yī)學(xué)診斷、食品加工等領(lǐng)域的工程技術(shù)難題。以上研究任務(wù)決定了其教學(xué)內(nèi)容的安排。目前，酶工程本科教學(xué)內(nèi)容主要包括：酶學(xué)基礎(chǔ)、酶的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化、生物酶工程、化學(xué)酶工程、酶傳感器等章節(jié)。上述教學(xué)內(nèi)容安排已無法體現(xiàn)酶工程的最新研究進展，例如：納米酶、核酶和抗體酶的應(yīng)用。此外，已有內(nèi)容更偏重于理論學(xué)習(xí)，對酶的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用關(guān)注較少，因此很難有效培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，無法滿足“新工科”的建設(shè)目標(biāo)。針對上述問題，筆者將酶工程的最新進展和工程應(yīng)用案例作為教學(xué)內(nèi)容改革的重點，根據(jù)各章節(jié)的教學(xué)特點和邏輯關(guān)系，將授課內(nèi)容重新劃分成七個模塊：酶學(xué)基礎(chǔ)、酶的分子設(shè)計、酶的生產(chǎn)與制備、核酶、納米酶、抗體酶和酶的工程應(yīng)用。其中，酶學(xué)基礎(chǔ)模塊在回顧生物化學(xué)知識的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注酶的作用機制和影響酶活性的主要因素；酶的分子設(shè)計模塊包括生物酶工程和化學(xué)酶工程兩部分，生物酶工程重點介紹酶的進化篩選，而化學(xué)酶工程則主要介紹酶的化學(xué)修飾與固定化；酶的生產(chǎn)與制備模塊重點介紹酶的發(fā)酵與分離純化工藝；核酶模塊在回顧分子生物學(xué)相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，著重講解核酶尤其是DNA核酶的構(gòu)建方法；納米酶模塊重點介紹納米粒子的催化效應(yīng)和調(diào)控方法；抗體酶模塊闡述抗體酶的篩選和修飾方法；酶的工程應(yīng)用模塊則是在上述章節(jié)的基礎(chǔ)上結(jié)合案例介紹酶在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療中的應(yīng)用，例如：酶在食品加工中的應(yīng)用、酶在廢水和垃圾處理中的應(yīng)用、酶生物傳感器和抗體酶在疾病診斷和治療中的應(yīng)用等。通過上述授課內(nèi)容的革新幫助學(xué)生較為全面、系統(tǒng)地掌握酶的分子設(shè)計、生產(chǎn)制備以及下游工程應(yīng)用技術(shù)。

3教學(xué)方法改革的探索

3.1多種教學(xué)方法的使用

酶工程的教學(xué)內(nèi)容相對比較零散，并且和發(fā)酵工程、基因工程、分離工程等生物工程專業(yè)課程具有一定的知識重疊。這就要求在課堂教學(xué)中必須把握好各章節(jié)和知識點的邏輯主線，正確統(tǒng)籌已修課程和并修課程的關(guān)系，并合理使用不同教學(xué)方法，從而突出酶工程教學(xué)內(nèi)容的重點和特色。對于酶學(xué)基礎(chǔ)模塊的教學(xué)，由于學(xué)生已在生物化學(xué)課程中進行了前期學(xué)習(xí)，因此主要以課堂提問的形式幫助學(xué)生回顧已學(xué)知識點。對于酶的分子設(shè)計和酶的生產(chǎn)與制備部分的教學(xué)，由于學(xué)生同時在進行基因工程、發(fā)酵工程和分離工程的學(xué)習(xí)，因此在教師介紹難點知識的基礎(chǔ)上，采用互動教學(xué)方法，與學(xué)生討論不同技術(shù)在酶工程應(yīng)用中的獨特性和挑戰(zhàn)性，比如：在介紹酶的定向進化時，可結(jié)合基因工程關(guān)于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的原理講解如何在酶的結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理使用不同的PCR衍生技術(shù)和篩選方法，從而獲得性能優(yōu)異的酶制劑。對于核酶、納米酶和抗體酶模塊的教學(xué)，由于學(xué)生之前尚未系統(tǒng)接觸過相關(guān)概念，此外又涉及到酶工程的最新研究進展，因此先由教師講授所涉及的基本知識，然后要求學(xué)生課下閱讀最新的研究論文，并以書面作業(yè)形式進行總結(jié)和匯報。對于酶的工程應(yīng)用模塊的教學(xué)，先由教師對酶在不同工程領(lǐng)域的應(yīng)用進行全面綜述，然后再根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W(xué)生劃分為若干學(xué)習(xí)小組，每個小組課下獨立調(diào)研一個酶工程的應(yīng)用實例（包括：應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)布局、市場分析和發(fā)展趨勢評估等），最后由學(xué)生制作幻燈片在課堂上進行講解和討論。通過上述教學(xué)方法的綜合運用可有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程思維模式，并促使其對酶的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生較深入的認(rèn)識。

3.2經(jīng)典研究案例與授課內(nèi)容的結(jié)合

酶工程是生物工程發(fā)展的重要方向，其中已有一些經(jīng)典的工程應(yīng)用案例。在教學(xué)實踐中通過分析這些案例，將其從研發(fā)到應(yīng)用的技術(shù)路線引入課堂，從而揭示基本科學(xué)原理走向工程開發(fā)的一般規(guī)律。該教學(xué)設(shè)計可有效促進學(xué)生理解知識從產(chǎn)生到應(yīng)用的過程。例如：在講解酶的定向進化時，將2018年諾貝爾化學(xué)獎得主FrancesH.Arnold教授的研究生涯引入課堂教學(xué)，通過該案例幫助學(xué)生理解定向進化技術(shù)對酶分子設(shè)計和改造的科學(xué)意義和產(chǎn)業(yè)價值；又如：在講解酶的生物傳感器部分時，以葡萄糖氧化酶作為對象，介紹其從發(fā)現(xiàn)、性能改良到家用血糖儀大規(guī)模上市的發(fā)展歷程，并和學(xué)生探討該技術(shù)成功應(yīng)用的經(jīng)驗和教訓(xùn)，分析現(xiàn)有血糖儀的優(yōu)勢和不足，并對下一代基于納米酶的血糖儀研發(fā)和市場應(yīng)用進行展望。

3.3加強實踐教學(xué)

酶工程作為應(yīng)用性較強的課程，其實踐教學(xué)同樣具有重要的作用。然而，一般高校都缺少酶工程產(chǎn)業(yè)中所需的大型發(fā)酵罐、生產(chǎn)流水線等工業(yè)設(shè)備。此外，酶分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和篩選也具有長期性和不確定性。為了解決上述問題，筆者在酶工程課堂學(xué)習(xí)之外，引入了工廠參觀和實習(xí)環(huán)節(jié)。通過教師帶領(lǐng)學(xué)生進入相關(guān)企業(yè)，使學(xué)生有機會接觸產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的大型工業(yè)設(shè)備，以及研發(fā)、生產(chǎn)工藝流程的管理，從而增強了他們對酶工程應(yīng)用的感性認(rèn)知。此外，針對部分學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生，鼓勵其參與大學(xué)生創(chuàng)新實踐和工廠實習(xí)，進一步提升他們的工程創(chuàng)新能力，明確其未來的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

3.4課程考核的改革

為了體現(xiàn)“新工科”改革的發(fā)展目標(biāo)，結(jié)合本課程應(yīng)用性較強的實際，進一步針對已有的課程考核方式進行改革。筆者采用了復(fù)合型考核方式，將平時成績設(shè)置為最終成績的50%，期末筆試成績設(shè)置為50%。平時成績包括學(xué)生考勤、課堂答問和討論、工廠調(diào)研報告和酶工程應(yīng)用實例的課堂講解。在此基礎(chǔ)上，對期末筆試的試卷進行了優(yōu)化，其中書本知識在試卷中的占比減小到40%，剩余的部分由工程設(shè)計題目組成。為此，筆者設(shè)計了一系列面向工程應(yīng)用的綜合性試題。例如：基于定向進化和篩選原理，設(shè)計一種耐高溫蛋白酶的技術(shù)改造路線。上述考核方式的強調(diào)了工程應(yīng)用的重要性，引導(dǎo)學(xué)生明確了學(xué)習(xí)重點。

4結(jié)語

自2017年教育部提出“新工科”改革發(fā)展目標(biāo)以來，筆者對酶工程的教學(xué)改革進行了初步的探索。通過對本文提出的改革舉措進行評估可以發(fā)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的革新對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、形成良好的工程創(chuàng)新能力具有積極作用。部分學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后進入了相關(guān)企業(yè)開展實習(xí)，并結(jié)合實習(xí)經(jīng)歷申請到了大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目，取得了較好的科研成果。但是，需要指出的是，“新工科”教育改革尚處于起步階段，其中很多問題亟需進一步探索，如：教師的轉(zhuǎn)型、企業(yè)與高校聯(lián)合培養(yǎng)模式的建立、實踐教學(xué)手段的豐富等。因此，希望本文能起到拋磚引玉的作用，為同行在生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的“新工科”改革提供借鑒。

參考文獻

[1]王璐瑤,陳勁,曲冠楠.構(gòu)建面向“一帶一路”的新工科人才培養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)[J].高校教育管理,2019,13(3):61-69.

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[3]孫萬里.酶工程課程教學(xué)改革與實踐的思考[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究,2019(3):85-86.

作者：李勇 單位：中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院