試論生物工藝學的教學樞紐

摘 要:通過分析我國高校生物工程專業的設置目標、培養計劃和辦學現狀，辨析了生物工藝學和生物技術、生物工程、生物化工、生化工程、發酵工程等相關專業、課程的區別和聯系，倡導了生物工藝學的專業主干課程地位。結合十年教學的切身體會和校級重點課程的建設機遇，嘗試了以一條線索、兩個因素、三傳一反、四處數學趣味、五個典型案例為核心的教學實踐活動，獲得較好效果。探索了生物工藝學合理的教學內容、關鍵的知識節點及其樞紐作用，提出了把理論、實踐、趣味融為一體的教學新模式。

關鍵詞:生物工程專業主干課程生物工藝學課程建設教學改革研究

中圖分類號:G642．0文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0147-02

1 生物工程專業與生物工藝學課程

為了應對日益嚴重的糧食、健康、資源、能源、環境等危機與困境，世界各國普遍發展生物技術尋求出路，培養新型相關專業人才任重而道遠。上世紀末期，許多高等(?？?學校爭先恐后創辦生物技術、生物工程等熱門專業，與傳統的生物科學專業并立，強調了對生物的改造、加工、開發及利用。隨著新千年國際有識之士一致認同生物技術的學科帶頭作用，以及生物工程專業畢業生在工業、農業、輕工、國防、食品、醫藥、化工等領域嶄露頭角，生物類專業又將掀起第二輪踴躍報考的浪潮。

2005年，全國生物工程、生物技術專業教學改革研討會在上海召開，會議散發了生物工程專業培養計劃討論稿[1]，為生物工程專業辦學提供了參考借鑒的思路。作者結合個人的理解，構筑了生物工程專業4年培養計劃的金字塔(見圖1)，作為我們討論專業建設、交流課程改革研究成果的基礎背景。從圖1可見，生物工程專業專業課是按“3+X”組成設置的，其中生物工藝學為必修的3門專業主干課之一，位于專業生產實習之后、畢業實習和畢業設計之前，左右著生物工程專業的教學方向。生物工藝學是關于以生物細胞、酶為作用劑、催化劑，采用工程設備，將廉價的可再生基質大規模轉化為高附加值產品的技術科學，熔現代生物技術理論和生物生產實際于一爐，內容符合生物工程專業培養目標的教學要求，占據著生物工程專業主干課的地位。

目前國內外生物技術研究不斷深入拓展，交叉邊緣學科風起云涌，給生物工藝學提供了豐富的教學內容和素材。然而，現今專業培養計劃倡導寬口徑、厚基礎理念，專業課需要精簡、整合，對重要的專業主干課也提出了學時限制，要求任課教師順應時代發展要求，給學生奉獻精彩的專業理論和實踐套餐。北京化工大學建有生物工藝學國家精品課程，華東理工大學建設發酵工程國家精品課程，他們以國家重點實驗室為依托，分別在生物分離技術、抗生素工藝、生物反應器設計凸顯學科優勢，為生物工程專業課教學樹立了標桿。由于各高校學術氛圍、辦學特色上的差異，生物工程專業培養操作上出現多樣性和靈活性，生物工藝學的教學內容、學時安排、教學方法、實踐(習)環節因校而異[2-5]，歸因于專業設置、專業課建設發展初級階段的基本國情。在專業改革與探索過程中，如何科學把握生物工藝學的教學樞紐和脈搏，成為多數業內同仁關注的焦點。

武漢工程大學從1999年開始生物工程專業辦學與招生，2001、2002、2003年生物工程專業招生形勢火爆，每年新生突破5個本科行政班，外加1～2個?？瓢?。2004年起，我校維持2個班的招生規模，迄今已有9屆畢業生，為國家輸送了1000多名帶有化工、制藥辦學特色的生物工程專業理工復合型技術人才。學校對生物工程專業主干課的設置與教學質量非常重視，主管教務的校長親自過問生物工藝學的教學，生物工藝學進入2004年武漢工程大學重點課程立項建設。作者總結近10年生物工藝學的教學體會，試圖就教學內容與途徑談一點個人認識，以達到拋磚引玉的教學交流。

2 生物工藝學是廣義Biotechnology的一個分支

為什么把生物工藝學定位于生物工程專業主干課？如何理解生物工藝學與相關專業及其課程的區別和聯系？這些問題關系到生物工藝學作為專業課的地位，涉及課程的教學內容范圍，深度和廣度的把握。

上文已經定義描述，生物工藝學是關于以生物細胞、酶為作用劑、催化劑，采用工程設備，將廉價的可再生基質大規模轉化為高附加值產品的技術科學，它是廣義生物技術Biotechnology的一個分支。生物技術應用領域如此廣泛，在不同學科、行業交叉發展成邊緣科學，出現了Biotechnology的不同譯名和內涵，導致概念混淆、界定混亂、交流困難。我們在多年的教學中，參考了Biotechnology發展以來的有關專著、文獻，比較相關術語的使用場合，結合個人的理解，辨析如下。

廣義上，凡是涉及生物研發的技術都屬于生物技術Biotechnology[6]?，F代生物技術的核心是DNA重組技術，主要組成包括基因工程、細胞工程、發酵工程、酶工程等。目前大專院校設置的所謂生物技術專業，教育主管部門定性為理科，側重廣義生物技術的上游，體現為實驗室的前期開發。把生物技術的理論成果轉化為實際生產力的工程科學就是生物工程，是生物技術大規模產業化的工學部分。生物工藝學是生物工廠具體實際的操作工藝，包括發酵生產、細胞培養、下游提取，其區別于傳統農藝的字眼是工藝。上述現代生物技術、生物工程、生物工藝學的英文名都是Biotechnology，表明它們起源相同，發展目標一致指向生物產品。大學培養計劃中確定生物技術、生物工程是專業，生物工藝學是生物工程專業的一門課程。我國原來的發酵工程專業升格為生物工程專業后，部分院校仍然開設發酵工程專業課，其教學內容相當于生物工藝學中的發酵工藝學[2，7]。

我國化工院校、科研所、行業領域，把生物技術應用于化學工程形成的交叉學科、專業稱作生物化工，既有本科專業，也有研究生專業。如果化學工程為生物技術產業化即生物工程服務，就稱作生化工程，例如1940年前后開發機械攪拌發酵罐、大規模研發生產青霉素，被譽為生化工程產生的標志性事件。從英文名上看，生物化工、生化工程都寫作Biochemical Engineering，二者混用在所難免。在2011年武漢工程大學碩士生招生章程中，生物化工專業名稱改成生物工程專業，反映出上述近義術語有從混用到統一的趨勢。換言之，從21世紀生物技術的引領效應和招生專業名稱的轉換現狀分析預測，生物工程的名頭有可能會取代生物化工。

3 生物工藝學教學理論樞紐

作為生物工程3門必修的專業主干課程之一，生物工藝學包括發酵生產、細胞培養、下游提取等環節，有成熟的抗生素、氨基酸、有機酸、酶制劑、酒精飲料等發酵工藝支撐，教學內容相當豐富，但對生物技術理論和工程素質要求較高，教學難度很大。華東理工大學主編的生物工藝學分為上下兩冊[6，8]，有技術深度和理論廣度，共性原理與典型案例并重，在我國相關專業教學、科研中有較大的影響，一直被我校生物工程專業教學采用。針對當今專業培養計劃中專業課學時普遍被削減的現實，我校生物工藝學理論學時僅開36學時、2學分，有必要修改教學大綱，適度取舍教材中的內容。

我校生物工藝學教學內容涵蓋了教材第一篇共性理論—生物反應過程篇、第四篇典型生物生產過程工藝篇，刪除了第二篇生物分離原理和第三篇生化工程原理，把刪除的內容留待其它課程教學。至于第一篇共性理論中的微生物學基礎知識、基因工程原理等內容已安排給微生物學、基因工程課程，生物工藝學沒有必要重復。下面討論生物工藝學教學理論樞紐，分析生物工藝學知識網絡及其教學重點、難點，作為我校生物工藝學校級重點建設課程進行教學改革探索的理論成果，供課程設置行政官員、專家學者、教學同行參考。

3.1 一條線索

生物工藝學教學線索、知識節點與36學時分配見圖2。

其中，教學線索貫穿始終，教學內容之間的相互聯系一目了然，環環相扣，層層深入，讓學生總攬全局，心中有數，提高學習效率與主動性。知識節點彰顯教學重點、難點，學時分配合理，使教學過程前后緊湊，有的放矢，學生的學習效率明顯提高。

3.2 兩個因素

生物作用劑諸如微生物菌種、動植物細胞株、酶制劑的篩選，是在代謝控制發酵理論指導下，經過遺傳選育、生產驗證，具有特定生產性狀的表現載體。根據遺傳學基因表達調控理論，生物作用劑的生產性狀的表現取決于兩個因素:一是基因型，而是環境條件。這種教學理念構筑在基礎生物學背景上，具有高屋建瓴的作用，把生物作用劑選育、動植物細胞培養與工業微生物發酵工藝、代謝調控機制、生產綜合控制策略等教學章節有機結合起來，使生物工藝學理論原理渾然一體。

3.3 三傳一反

大規模實現動植物細胞與工業微生物發酵生產性狀完美表達的環境條件，重點歸納為工程學上“三傳一反”[9]控制理論，涉及到質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞的效率和生物反應器的功能。在生物工藝學的培養及優化、培養與發酵工藝、生物反應器設計、工藝參數檢測、計算機綜合自動控制等章節教學中，貫徹“三傳一反”控制理論，就可以找到工程研究與開發的落腳點、著力點，從而收到事半功倍的教學效果。

3.4 四處數學趣味

工科專業課充滿數理化趣味，生物工藝學也不例外。挖掘學習生物工藝學的積極性、主動性、教學的生動性，尋找理工學生知識背景的趣味應用題，使專業課寓情于景，以激發學生的學習熱情，開發學生分析問題、解決問題的創新動力。

例如，在培養基優化教學中，可以結合生產實際和科研工作論文，補充介紹利用計算機程序進行正交設計、響應面分析等方法，學生興趣盎然，對他們課外科研活動與畢業設計、畢業論文課題研究有一定的裨益和啟發。在滅菌動力學教學中，運用解微分方程的技巧推導微生物的滅死規律、培養基營養成分高溫下破壞的速度公式，估計科學滅菌的時間，選擇并理解高溫瞬時滅菌、連續滅菌的工藝流程及其原理。

另外，利用雙膜理論推導DO傳遞方程，結合質量守恒、熱量守恒定律建立細胞培養、菌體發酵動力學模型，數理化知識的有趣應用，都使我們的生物工藝學專業課教學由難變易、由枯燥變生動。

3.5 五個典型案例

在講授了生物工藝學的共性原理后，基于生物技術產品類型、培養與發酵方式、代謝控制發酵的技術特點，選取生產上過程工藝相當成熟的案例，重點教學掌握谷氨酸、檸檬酸、青霉素、乙醇、α-淀粉酶等五個發酵生產的工藝流程、調控樞紐、加工技術，結合認識實習、生產實習環節，通過多媒體展示、車間參觀、現場答疑、綜述報告、課堂互動、繪制工藝流程圖等教學手段與形式，把生物工藝學的教學理論與生產實際緊密聯系在一起。學生達到了舉一反三、融會貫通的學習效果后，一致認為生物工藝學課程在生物工程專業中的主導地位不可抹殺，對另兩門專業主干課分離工程、工藝設備的后續教學，以及畢業設計中的工藝選擇論證、工藝流程設計等都具有不可忽視的啟發作用。

參考文獻

[1] 全國生物工程專業培養計劃(討論稿).上海:全國生物工程，生物技術專業教學改革研討會資料，2005.

[2] 宮衡，陳長華，葉勤，張嗣良.發酵工程教學的改革與實踐.化工高等教育，2005(2):36～38.

[3] 肖冬光，陳寧，陳葉福.關于生物工程專業教學計劃改革的探討.中國輕工教育，2007(1):65-66.

[4]蘇海佳，譚天偉，王雅琴.探索21世紀“生物工藝學\"教學模式的改革.高等理科教育，2008(2):117-119.

[5]陽小成，雷濘菲，李 凜，彭書明.理工大學生物工程專業課程體系建設與教學改革的思考.教育與教學研究，2010，24(5):76～78.

[6]俞俊棠主編.新編生物工藝學.北京:化學工業出版社，2003.

[7]張星元.發酵工程專業課程設置的思考和實踐.微生物學通報，1999，26(2):147～149.

[8]儲炬主編.現代生物工藝學.北京:化學工業出版社，2008.

[9]張嗣良主編.多尺度微生物過程優化.北京:化學工業出版社，2003.