《生化工程》的應用性導向及場景式教學

楊仲毅 呼高偉 夏海洋 阮奇城 鐘永軍 宋賢聚

摘要：《生化工程》是生物工程專業中實踐性要求較高的一門課程，對于培養學生從操作員提升為技術人員具有重要的作用。文章作者結合多年的授課經驗提出了“教室型”、“實驗室型”和“生產線型”的教學場景，教學場景可以根據《生化工程》的“動眼”、“動手”和“動腦”三種知識點類型靈活運用。相比于傳統教學，場景式課堂教學在教學內容、教學方式和教學效果上分別具有直觀性、互動性和成就性的特點。該文為《生化工程》的講授提供了新的方法指導，有利于《生化工程》教學目的的達成。

關鍵詞：生化工程;教學場景;教學方法

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0183-03

《生化工程》在生物工程專業的課程體系中占有十分特殊的地位，然而經常被忽視。《生物化學》和《微生物學》作為本專業的基礎課程，其重要作用是公認的。而《生化工程》既非基礎理論課，其實踐應用性特征也不明顯，而且在課程內容的設置上多以物理和數學的計算為主，導致該課程被很多師生誤認為是純理論課程。正確認識《生化工程》課程的應用性導向，采用針對性的教學方式，有助于生物工程整體教學目標的實現。

一、《生化工程》的應用性導向及教學要求

《生化工程》課程從字面上的意思來看，容易被誤認為是與基因工程、細胞工程等概念并列，這種誤解會給培養計劃的制定、教學和學生的學習帶來困惑。從定義上講，生化工程是指將生物技術的實驗室成果經工藝及工程開發，成為可供工業生產的工藝過程。諸多作者對生化工程的任務、作用和地位進行了描述，唐晉等[1]認為生物學家的作用是理解生物，生化工程工作者的任務是發現新產品和新過程，以及用經濟可靠的方式來生產;陳洪章等[2]認為生化工程為生物學和化學工程提供了一條相互聯系的紐帶，生化過程的任務就是研究生物反應過程中有關的工程技術問題，是為生物工程服務的化學工程。

Abdullah等認為生物化學工程的使命和本質是通過一系列的操作，利用微生物、酶或細胞系將可再生原料或由其衍生的中間體轉化為增值產品的過程[3]。

《生化工程》以生物工藝實施過程中設備運行基本規律和生物的動力學規律為基礎，闡釋生物工藝在工程實施中的規律和要求，即化工原理和生物學規律如何統一到生物技術產品開發、實施過程中，以及工藝過程中的生物體、設備、物料是如何協調運作的。本課程綜合了生物和化工的原理，它基于實踐，又高于實踐，是生物工程專業培養過程中理論學習與實踐相結合的一門關鍵的銜接課程。Ostrander等[4]也認為教學機構應使學生認識到理論知識是指導實踐的基礎，專業課程的設置需要有機地與未來工作進行契合。該課程正好體現了該理念。華盛頓協議是國際上工程教育項目的質量標志，該協議指出：工程教育除了給學生提供必要的理論知識，更重要的是為學生提供更多機會，以獲得行業經驗[5]。

《生化工程》綜合了數理化生等多學科，同時又要求以理科的方式解決工科實踐問題，這是培養工程師絕好的課程，但對于學校和教師的教學也提出了更高的要求。

首先，體現在生物工程專業的人才培養計劃上。《生化工程》的研究對象是生物工藝在設備中的運行規律，課程安排應遵循化學、生物、工程然后生化工程的順序。本課程以有機化學、微生物學、生物化學為先修課程，較為理想的是將《生化工程》課程安排在發酵工藝學、生物分離工程和化工原理之后進行。在學生進入畢業實踐之前安排該課程，實現從理論到實踐的有機銜接。

其次，在培養計劃課程體系中各門課的內容要有互補性，尤其是發酵工藝學、酶工程、生物分離工程、生物工程設備、生物制藥工藝學等課程。在系統性地開設這些課程后，可以融合《生化工程》的教學內容和教學目標，無須單獨設課。但要注意強調工藝和設備結合的生化工程原理，并開展工程現場和生產車間的現場教學。同時盡量提供較多地讓學生熟悉、掌握相應工藝和設備的機會。

最后，在《生化工程》課堂教學上使用傳統授課方法，教學效果差。許多教師反映生化工程的概念多、理論知識抽象、公式冗雜、內容枯燥，對于缺乏實踐知識和經驗的生化工程專業的學生來說學習起來有相當大的難度，采用傳統教學方法教學，效果自然不太理想[6，7]。許多教師嘗試采用了一些新的教學方法，如形象教學、討論式教學、發現式教學、網絡教學、Web quest模式、案例教學法、三步教學法、問題式教學、學生授課法、合作學習模式等，而且都取得了一定的效果[6-8]。這些方法中，教和學都在努力接近真實場景。也有一些作者嘗試引入真實場景，如Baroutian和Sheppard等認為，為了使今天的工程師能勝任他們未來的工作，工程類教育者應該和執業工程師共同執教[3，9]。筆者所在學校位于浙江省臺州市，其制藥行業較為發達，筆者結合自身在制藥行業的工作經歷和在高校進行的教學探索，提出了針對本校和地域特點的場景式教學方式。

二、《生化工程》的場景式課堂教學

基于《生化工程》的應用性特征，該課程的課堂教學可以采用場景式的教學方式，即針對需要講解的知識點，盡量在真實的場景下進行教學，講解生物規律和化工原理在設備上的運作，指導和幫助學生理解性地掌握理論知識，以達到理想的教學效果。為此，首先需要厘清教學內容中的知識點，再在多門課程中配合落實課程教學方案，改變傳統教與學的模式。

（一）知識點、教學場景及多課程融合

場景式的教學，可以給學生非常直觀地演示和進行講解。例如，培養基滅菌過程中微生物的殺滅規律、發酵罐的結構、攪拌與溶解氧的關系等內容，可以結合設備予以現場講解。在發酵過程中遇到溶解氧限制，可以通過攪拌、通氣量、壓力和溫度等多種參數的改變來予以調整。自動控制中的開環、閉環模式也可以通過發酵補料系統予以直觀展示，甚至其自動控制的調節也可以通過對PID參數的設置予以講解。

（二）與場景式教學相關的《生化工程》課程知識點

1.“動眼”型知識點。這部分的知識點以拓寬學生的眼界為主要目的。首先要讓他們認識本專業的基本設備和基本功能。膜過濾器、空氣除菌流程、攪拌器形式及各種設備等都屬于“動眼型”知識點。

2.“動手”型知識點。體積溶解氧系數測定、發酵液中kLa及其調節、發酵過程參數的檢測、固定化酶性質、發酵工程下游技術等，這部分的知識點需要學生動手參與，這樣他們才能更加深入地理解和掌握。如在空氣過濾器的設計教學中，可以讓學生把棉口罩拆開，繼而講解深層過濾的原理。其他如發酵液中kLa及其調節、發酵過程參數的檢測等內容，也適合學生在課程中自己動手操作體驗。

3.“動腦”型知識點。這部分的知識充分體現了從操作工培養成技術員的理念，強調的是從理論和原理上理解為什么是這樣、為什么這樣做、不這樣做會怎樣。比如比擬放大，這其中可以選用的放大原則較多，靈活運用這些原則需要掌握理論知識，更需要結合實踐。另外，如微生物的熱殺滅動力學、發酵動力學、微生物生化反應過程的物質衡算等知識點都屬于“動腦型”知識點，當真正掌握其精髓后，才能對實踐起到很好的指導作用。

（三）《生化工程》課程教學不同場景的結合使用

1.教室型教學場景。多媒體已經是現代課堂教學的一種基本配置，虛擬軟件也給學生提供了更接近真實的學習體驗。除此之外，輔助一些教具、常規的教室也可以成為真實的場景。這里所指的教具，可以是真實的生物工程器材、用品，如固定化青霉素酰化酶，可以裝于EP管中在課堂中分發給學生觀察其粒徑、硬度;空氣濾膜、pH探頭等都適合在理論講解時讓學生與實物對應，明白其結構和原理。在20mL針筒中裝上脫脂棉，可以讓學生感受深層過濾中裝填系數對過濾效果的影響等。

2.實驗室型教學場景。實驗室型的教學場景更符合《生化工程》課程的教學特點，可成為本課程的主要教學場景。隨著臺州學院生命科學學院的發展和實驗室建設投入的增加，生物工程設備逐漸得到完善，已基本滿足生物工程專業教學所需的儀器。相對于教室教學而言，微生物殺滅動力學、攪拌與通氣、比擬放大、計算機在線控制等內容更適合在實驗室場景中進行教學。場景式教學可以讓學生無須進行想象，直觀接受知識，避免因純理解產生分歧。

3.生產線型教學場景。實驗室的教學場景畢竟離生產線尚有一定距離，且難以培養學生在生產實踐中的責任感、參與感以及熟練操控后的專業成就感。在實訓室中可以進行空氣除菌流程講解，也可以進行50L發酵的工藝流程、提取流程講解。然而該課程內容如若在生產現場進行講解，學生可以更直觀地參與教學，更直接地理解所學，并將理論與生產進行有機銜接。

4.場景式課堂教學實踐。當前開設《生化工程》課程選課學生中有很大一部分對于生物工程專業并無主動性興趣。由于缺失興趣，學生對該課程的掌握僅僅停留在考試過關層面。這種以考試通過為目的的教學和學習方式對于《生化工程》課程的學習是一種偏差。針對這種情況，我校近年來在《生化工程》課程教學中采取了場景式教學，并在考核中把平時成績的比例加大到了40%，這樣能夠使學生更加重視平時的學時和訓練，既能提高學生的學習效率，又有利于他們建立理論聯系實際的觀念，也能提高教師的教學效率。

在教學實踐中我們也發現，相比于傳統教學，場景式課堂教學在教學內容、教學方式和教學結果上分別具有直觀性、互動性和成就性的特點。直觀性指的是在場景式教學中，學生直接與教學內容或研究對象接觸，由于有了實物的承載，傳統教學中依賴教師和學生抽象理解能力的理論知識更易于接受。互動性指的是由于實際場景的存在，生化工程相應的理論能及時得到驗證，即人和物的互動;同時能夠及時解答學生在操作過程中產生的問題。這對教師提出了較高的要求，教師必須事先掌握相應的理論與操作，并得到相應的結果，然后在現場進行講解，并由學生操作驗證。由于所學的知識能夠及時轉化為自身的技能，學生在學習過程中會收獲成就感。根據具體教學資源的配置，場景式課堂教學還可以適合于打造以學生為主角的探索性學習。

三、結語

改變教學方式與學習習慣，都是一次需要付出代價的改革。傳統的教學可以分為實驗課或理論課教學，而場景式課堂教學綜合了這兩種教學形式。教師要能充分理解《生化工程》的原理，并能結合實踐予以講解，學生也要從被動地接受知識轉變為主動地掌握技能。這在教學實踐中需要教師和學生加強溝通，明確教學的目的和學習的要求，真正達成以理科思路指導工科實踐的人才培養共識。

參考文獻：

[1]唐晉，徐玉蓮，趙學明，等.生物化學工程進展及深化研究的思考（下）[J].化工進展，1998，（4）：1-2.

[2]陳洪章，李佐虎.生化工程的新理念及其技術范例—生態生化工程的發展及其學科基礎[J].中國生物工程雜志，2002，22（3）：74-77.

[3]Abdullah SRS，Takriff MS，Mohamad AB，et al.Students' Feedback on Integrated Project after 5-Years Implementation in Chemical and Biochemical Engineering Programme[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2012，（60）：21-29.

[4]Ostrander，TJ.Making learning relevant for the real world：co-teaching with an industry professional[J].ACM Inroads.2015，（6）：44-49.

[5]方崢.中國工程教育認證國際化之路——成為《華盛頓協議》預備成員之后[J].高等工程教育研究，2013，（6）：72-76.

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[7]劉曉麗.Web Quest模式在生化工程設備教學中的應用[J].廣東化工，2010，37（6）：135-137.

[8]周桂，黃在銀，鄧光輝，等.面向21世紀生物化學工程教學改革初探[J].廣西民族大學學報（自然科學版），2002，9（2）：210-212.

[9]Sheppard S D，Macatangay K，Colby A，et al.Educating Engineers：Designing for the Future of the Field.Book Highlights [J].Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching，2008：16.