生物工程大實驗課程設置及教學模式探索①

摘 要:針對生物工程大實驗在教學中存在的不足，從調整專業實驗大綱與實驗內容入手，對專業實驗進行了全面系統的改革與實踐，進行開放式、綜合型生物工程大實驗教學模式，并闡述了實驗教學模式改革帶來的良好教學效果。

關鍵詞:生物工程大實驗課程設置教學模式探索

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0179-02

生物工程被視為人類21世紀三大前沿學科之一，它包括基因工程、微生物工程、酶工程、細胞工程及生物制品等領域[1]。生物工程專業主要是培養掌握現代生物工程及產業化科學原理，具有扎實的專業基礎知識與技能，能夠進行生物工程產品生產、研制與開發以及工藝流程與工程設計等的高級工程技術人才[2]。當前，教育改革對高等院校提出了很多新的要求，就生物工程專業實驗來說，作為一門實驗性及應用性較強的學科，不僅要求培養的人才具有深厚的理論基礎，還應具備較強的能夠獨立解決問題的能力，因此，生物工程專業建設過程中，如何規劃與開設該專業的實驗課程就成為一個非常重要的問題，尤其是如何建設能夠體現生物工程專業特點與培養方向的專業綜合性實驗課程就更為迫切與關鍵。本文就我院生物工程專業生物工程大實驗在實踐教學中遇到的問題對該課程實驗內容及教學模式進行了嘗試性的探索。

1 生物工程大實驗課程開設背景及意義

生物工程是以生物學的理論和技術為基礎，結合化學工程、機械工程、信息工程等現代工程技術，定向地改造生物或其功能，創造新物種，大量生產生物有用代謝產物或發揮其獨特生理功能的一門應用性技術[3]。生物工程產品的研制、技術開發都是由多個學科、多種技術的綜合運用而完成的，產品的生產可能包含了微生物學、發酵工程、細胞工程、代謝工程、基因工程、酶工程、分離工程與生物分析、功能檢測與評價等技術環節。生物工程又具有了綜合性的特點。

傳統的生物工程專業實驗教學一般以課程為單位，采用固定學時、以單元操作為模塊、以驗證性實驗為主體的教學模式，實驗內容簡單，相互融合較少;驗證性實驗較多，綜合性、設計性、研究性實驗較少;傳統型、經典型實驗較多，實用型、反映學科前沿的實驗較少。這種以老師為主學生為輔的做法，使實驗流于形式，效果較差，既不能調動學生學習的積極性和主動性，也不能體現生物工程實驗的綜合性特點，不利于學生綜合應用所學理論與技術解決實際問題能力的培養，不利于學生對于生物工程知識與技術全面的了解與掌握。

生物工程大實驗是依據生物產品生產過程的特點和流程，選擇典型的生物工程產品為代表，在實驗室中模擬實際的工藝流程進行生物產品的生產與開發。國內外許多高校的生物工程專業開設大實驗都取得了良好效果，證明專業大實驗的開設在理論課程學習和生產實踐中真正起到了紐帶作用，有利于提高學生的創新意識和研究能力，有利于提高學生的自主意識和綜合素質。

2 生物工程大實驗課程內容設置

基因工程、發酵工程、酶工程、微生物、生物制藥和生物下游技術是我院生物工程專業的主干課程，教學內容以微生物發酵及相關制品為主，以動、植物細胞培養及相關制品為輔。我院生物工程專業設置較晚，在參照國內外院校生物工程綜合實驗課程設置的基礎上，我們在生物工程專業2003級探索著開設了“生物工程大實驗”課程，經過幾年的實踐教學改革，獲得了較好的效果，但也存在著諸如實驗基本操作單元重復過多、前沿學科內容偏少等問題。為此，結合我校建設國家特色生物工程專業之際，我們對生物工程專業各課程實驗大綱和內容進行了重新制定。生物工程大實驗開設哪些實驗項目？如何組織實施才能達到預期的效果？針對這些問題我們通過對多家兄弟院校的走訪、收集資料，組織教研室專業教師參與討論，同時針對發酵工程、生物制藥與生物分離工程三大理論專業課程設計系列綜合性實驗。為了便于學生進行實驗，我們組織教研室相關人員編寫了“生物工程大實驗指”導，每一個綜合性實驗均以一個產品為主線，綜合利用多種原理與技術方法完成實驗過程，使實驗力爭涵蓋上、中、下游完整的技術環節。

2.1 生物制藥實驗體系

本實驗體系安排D-核糖發酵生產和紅霉素發酵生產兩個綜合實驗供學生選擇。如以紅色鏈霉菌作為生產菌株，模擬企業的生產工藝流程進行紅霉素的發酵及提取，其過程包括:冷凍保藏菌種的活化和傳代培養增加活性;搖瓶制備發酵種子;每個小組進行獨立的搖瓶發酵，同時每個大組進行發酵罐發酵并實時監控;發酵液紅霉素效價的測定;發酵液預處理及紅霉素的提取與精制，得到一定純度的成品紅霉素。對實驗的每個操作單元預先提供可替換的方案供學生選擇，同時，學生可利用實驗室現有設備設計新方案。該實驗體系前后連續性強，學生從活化菌種到最后得到成品紅霉素共需要時間10天左右。

2.2 酶制劑實驗體系

產纖維素酶微生物在自然界廣泛存在，菌種易于篩選，所以選擇纖維素酶為代表，基本過程包括:產纖維素酶微生物的篩選及菌種的分離純化;微生物發酵產纖維素酶及酶活測定;纖維素酶的純化;纖維素酶的固定化。該實驗體系基本貫穿酶工程本科教學的整個體系。

2.3 釀造酒實驗體系

考慮到啤酒與其他三種酒的生產工藝區別較大，而且它是非蒸餾酒中銷量最大的產品，同時考慮到發酵工藝學已有酒精釀造實驗，所以該實驗體系以啤酒釀造為主。內容包括:原料粉碎、蒸煮、糖化、麥汁過濾、酵母種子的培養、接種、發酵溫度時間控制、檢測殘糖、酒精度及雙乙酰等。由學生自己設計大麥、麥芽、酶、酒花的使用量，設計糖化條件、發酵溫度、時間等操作條件。

2.4 基因工程實驗體系

該實驗緊緊圍繞基因克隆展開，以教師已完成的葡聚糖酶基因克隆項目為基礎設計實驗體系。該實驗體系引導學生利用生物信息學技術進行同源基因和保守區尋找，利用引物軟件設計引物PCR擴增保守區，利用RACE技術及Tail-PCR基因步移技術擴增得到完整基因并進行表達。實驗內容包括:基因的釣取、基因片段的獲得、載體的制備、基因片段與載體的連接、重組DNA的鑒定、重組蛋白質的表達、SDS—PAGE分析所表達的蛋白質、瓊脂糖凝膠電泳分析DNA和RNA分子等，各個實驗過程緊密聯系，組成了一個完整體系。

3 生物工程大實驗體系的特色

3.1 與實際生產過程聯系緊密

河南地處中原，近年來生物發酵制品快速發展，分布著眾多規模較大的生物制品企業如安陽九州藥業有限責任公司的紅霉素發酵制品、河南省宋河酒業股份有限公司的釀酒及河三門峽市酶制劑廠等。所以依托地區優勢，選擇的抗生素實驗體系和釀造酒實驗體系分別來自于本專業的實踐教學基地安陽九州藥業、新鄉航空啤酒和宋河酒業。工藝流程與企業大規模生產過程基本一致，具有模擬生產的性質。學生參觀了企業的實際生產過程，再通過該實驗體系的訓練，使學生不再局限于書本上的理論知識，基本掌握了相關制品的生產過程，在教學和就業中真正起到了橋梁紐帶的作用。

3.2 科研促進教學

高校作為培養創新型人才的主陣地，始終離不開科研的支撐。同樣，高等教育的目的是培養學生特別是本科學生的創新精神和實踐能力，而科研正是培養這兩種能力的最佳手段。因此，科研如何促進教學、反哺教學、體現其教學功能也是我們設計該實驗系列所考慮的一個重要的問題。生物工程大實驗中生物制藥實驗體系和基因工程實驗體系直接來源于我系相關的科研項目，實驗所用菌株及相關工藝均為我系科研成果。

3.3 學生自主設計性內容增多

實驗教學過程中，為充分調動學生的主觀能動性，老師引導學生自主設計產品工藝流程及工藝參數，提高學生的創新能力。如酶制劑實驗體系中，學生可自主選擇菌種篩選方法、分離純化方案和酶固定化技術等。生物制藥體系中，學生可根據自己的工藝條件選擇接種量、培養基組成、發酵過程的控制方案，甚至有的學生結合畢業設計提出的響應面實驗結果進行發酵培養基組成的優化。不把學生的最后產品產量高低作為實驗成功與否的唯一標準，而是更加注重學生的實驗思路、實驗過程、數據分析及控制方案、實驗結果分析。

3.4 綜合性強

實驗內容的設置上，以生物工程產品為紐帶，融會了微生物學、發酵工程、酶工程和基因工程等多門課程的不同知識點。以發酵工程為主線，使學生在微生物基本實驗操作、發酵工藝控制和檢測及生物下游技術等方面得到全面的、系統的鍛煉。通過大實驗體系建立起了絕大多數專業課程的內在聯系，整個實驗體系覆蓋面寬，綜合型強。完善了生物工程實驗課程體系的優化整合，同時也增強了學生實踐動手能力和綜合解決問題的能力。

4 生物工程大實驗教學模式探索

生物工程大實驗教學模式的實施一直是一個難題，我們在對傳統生物工程專業實驗內容進行優化整合的基礎上，調整教學管理模式，以開放式實驗教學模式進行綜合研究型實驗。

4.1 調整教學管理模式，實行開放式實驗教學

生物工程大實驗的每個體系必須連續完成，這類實驗大多是綜合性大實驗，為了讓學生有充足的和可自行支配的實驗時間，實行了開放式教學[4～5]，即實驗室開放、實驗內容開放、實驗時間開放、教學管理手段開放。生物工程大實驗課程安排在四年級上學期，采用集中排課連續進行的授課方式，使學生可以綜合應用已學的理論與技術知識完成實驗。在這一時間段內，實驗室全天開放，學生可自行調配時間到實驗室進行實驗。

在實驗期間，必須做到任何時候有相關的教師指導學生的實驗，保證學生的安全與儀器的正常運轉。可以讓學生參與到實驗的教學管理工作中來，比如讓專業基礎扎實、動手能力強的學生學會一些儀器的使用，在實驗過程中教會其他學生，這樣既能較好的培養學生的管理能力，為今后從事的工作打下基礎;又能減輕教師的工作量，這是一個很關鍵的環節，可在很大程度上相應增加實驗隊伍，從整體上減輕這類生物綜合大實驗時間緊、工作量大的問題。

4.2 實驗實施

一般4～5名同學組成一個研究小組，10名同學組成一個大組，學生先選擇自己的研究題目，然后由學生根據實驗指導查閱文獻資料，選擇實驗方案及檢測方法，設計實驗步驟。相關教師對學生提出的方案進行認真的審閱并提出修改意見，由學生進行修改后才能開始實驗。實驗過程對一些學生無法解決的問題，首先啟發學生讓他們查閱資料去尋求答案，難以解決的困難可在教師的幫助下解決。實驗時間安排在大四課程相對較少的第七學期，以課余時間為主。對于一些實驗方案科學合理、實驗內容多及實驗結果好的題目，鼓勵學生書寫論文，由教師修改后投稿。這種做法極大地激發了學生的實驗熱情，同時也激起了學生對所學專業的熱愛，增強學生成就感及對專業能力的自信心。

4.3 課程成績評定

作為一門課程，生物工程大實驗要與一般的課程有所不同，成績的評定要增加平時成績的比重，不能以實驗結果好壞作為唯一評定標準，還要結合實驗設計路線及方法合理性、新穎性等綜合給出評定。我們從以下幾個方面給出實驗考核結果:平時成績30%，包括教師對學生的考勤，做實驗的態度和水平，動手能力;實驗成績50%，主要包括了實驗報告和實驗內容，實驗設計等方面;考試卷面成績占20％，采用閉卷方式，題目均為實驗項目中涉及的內容，主要考察學生的實驗理論基礎是否扎實，在實驗中是否獨立完成、是否認真分析實驗結果等。

5 結語

生物工程大實驗在我院實施以來，經過幾年的不斷摸索與嘗試，我們基本形成了一套比較穩定的生物工程專業實驗體系，在教學中取得了較好的效果。能夠充分發揮學生的主觀能動性，加強學生基礎和綜合實驗技能的培養，培養學生的創造性思維能力，培養學生分析問題、解決問題的能力。改變了過去學生認為大學四年沒有學到東西的“感覺”。實驗教學是實現創新人才培養目標的重要教學環節，實驗教學水平的高低，直接影響培養學生的質量。生物工程大實驗作為生物工程專業的主要專業綜合性實驗課，在課程體系建設中占據著相當重要的地位[6]。我們應根據當前生物工程產業發展面臨的嚴峻形勢，對其內容設置及教學模式進行不斷的改進和完善，加強高校之間的合作與交流，通過深入分析實驗教學中存在的問題，不斷深化教學改革，加大儀器設備投入和師資隊伍，構建起了符合現代生物工程技術人才培養需要的實驗教學體系，培養創新性人才。

參考文獻

[1] 趙玉鳳，程波，喻發全，等.以就業為導向的生物工程專業綜合實驗教學探索[J]．實驗室科學，2007(5):17～18.

[2] Riley M R.Introducing Journal of Biological Engineering[J].Journal of Biological Engineering，2007，1:1.

[3]Endy D.Foundations for engineering biology.Nature，2005，438:449～454.

[4] 劉勝貴，付明，張儉.生物工程大實驗教學模式探索[J].實驗技術與管理，2007，24(2):126～128.

[5] 趙玉巧，錢志剛.生物工程專業實驗教學改革探討[J].實驗科學與技術，2006，6:51～53.

[6]曾超珍，吳耀輝，黎繼烈.生物工程大實驗課程改革與探討[J].中南林業科技大學學報(社會科學版)，2010，4(4):148～150.