生物工程研究生教學(xué)案例的建設(shè)及應(yīng)用

姜愛莉，單守水，鞠 寶，邢榮蓮，曲江勇

(煙臺大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264005)

生物工程作為推動生物產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的新興學(xué)科，具有明顯的工程化和產(chǎn)業(yè)化特征。從生物工程生產(chǎn)的角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際案例，學(xué)習(xí)研究成果產(chǎn)業(yè)化過程中的基本原理、基本程序和基本方法，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程化意識具有重要的作用。

1 生物工程研究生案例庫現(xiàn)狀

工科碩士研究生(學(xué)術(shù)型及工程領(lǐng)域研究生)的學(xué)習(xí)方式不能僅僅局限在課堂和實(shí)驗室，必須在生產(chǎn)實(shí)踐中提升學(xué)習(xí)效果，解決本專業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際問題。我國多所高校已經(jīng)嘗試案例教學(xué)，但是使用的教學(xué)案例卻往往處于零散狀態(tài)，一般都是由任課教師基于個人的專業(yè)特長開發(fā)和制作，案例采集面狹小，原創(chuàng)性案例數(shù)量偏少、案例分析深度不夠。許多案例的方案往往停留在紙面上，脫離了企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)踐性效果大打折扣。

2 生物工程研究生案例庫的建設(shè)

結(jié)合山東半島生物產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，以地方行業(yè)企業(yè)的實(shí)際狀況為背景，選取代表性、典型性、先進(jìn)性和創(chuàng)新性的素材進(jìn)行案例開發(fā)，建設(shè)了多個系列的教學(xué)案例，每一案例系列按照相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計，每個系列包括數(shù)個案例，每個案例均按照技術(shù)研發(fā)及成果產(chǎn)業(yè)化的工程過程編寫，重點(diǎn)突出轉(zhuǎn)化過程中所面臨的技術(shù)與工程問題，注重案例系列的產(chǎn)業(yè)鏈完整性，使學(xué)生切實(shí)掌握研發(fā)思路和工程轉(zhuǎn)化過程。如基因工程菌系列案例，涵蓋了基因工程菌的獲得及培養(yǎng)、基因工程產(chǎn)品的提取和精制、生物制藥廠設(shè)計等內(nèi)容；從多角度引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)、討論、設(shè)計。每個系列案例的設(shè)計均設(shè)計課堂引導(dǎo)、課堂討論和課外思考三種學(xué)習(xí)形式，注重知識的綜合應(yīng)用，提高學(xué)生多角度綜合處理問題、解決問題能力。

3 微藻生物技術(shù)系列案例設(shè)計及教學(xué)

微藻生物技術(shù)是本學(xué)科的特色研究方向之一，多項技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。本系列案例遵循典型性、實(shí)用性和啟發(fā)性的原則，結(jié)合相關(guān)研究團(tuán)隊的研究成果及成果轉(zhuǎn)化的實(shí)際過程，涉及微藻規(guī)模化培養(yǎng)、微藻反應(yīng)器的開發(fā)研制、微藻活性成分規(guī)模化制備、微藻固碳、微藻在環(huán)境凈化領(lǐng)域的應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈全過程，學(xué)生通過課前自主學(xué)習(xí)、課堂針對性講解、小組討論、工程設(shè)計等環(huán)節(jié)，熟悉研究開發(fā)及成果轉(zhuǎn)化的全過程。

3.1 微藻規(guī)模化培養(yǎng)

首先在課前，布置學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解微藻的基本特性及影響微藻生長的主要因素，課上結(jié)合課題組研究實(shí)際，講解光照、營養(yǎng)鹽、CO2等因素對微藻培養(yǎng)的影響；組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，從光能高效率捕獲和利用、營養(yǎng)高效率吸收和利用及微藻培養(yǎng)條件優(yōu)化三方面，討論學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)微藻大規(guī)模高密度培養(yǎng)的關(guān)鍵技術(shù)；課后學(xué)生分組查閱國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，討論分析多種微藻生長抑制物對微藻生長的影響；結(jié)合國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，以螺旋藻和渤海赤潮藻類為例，學(xué)生制作PPT講解微藻的生長與生長動力學(xué)，要求結(jié)合不同微藻生長動力學(xué)模型的建立過程，具體講述微藻生長動力學(xué)模型對微藻大規(guī)模培養(yǎng)中的指導(dǎo)作用；教師點(diǎn)評并指出，微藻的大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)是制約微藻生物技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸之一，也是微藻研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考：微藻培養(yǎng)過程中，如何有效提升微藻生物量？要求學(xué)生課后查閱文獻(xiàn)，分組討論，提出并設(shè)計相應(yīng)的解決方案。

3.2 微藻生物反應(yīng)器的開發(fā)

光生物反應(yīng)器是微藻大規(guī)模培養(yǎng)的核心裝置，目前微藻的大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)仍受限于微藻生物反應(yīng)器的研制。本案例首先布置學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解微藻光生物反應(yīng)器的發(fā)展及常見類型，課堂教師從影響光生物反應(yīng)器性能的光、混合與傳質(zhì)、溫度控制三個主要因素著手，闡述光生物反應(yīng)器的設(shè)計原則及研發(fā)思路，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，在光生物反應(yīng)器設(shè)計中，如何有效提升微藻生物量？之后學(xué)生進(jìn)行分組討論，結(jié)合國內(nèi)外商業(yè)化光生物反應(yīng)器的研發(fā)實(shí)例，討論學(xué)習(xí)微藻光合反應(yīng)器的設(shè)計改良、研發(fā)和生產(chǎn)使用，并進(jìn)行討論結(jié)果匯總，分組講述介紹光生物反應(yīng)器研發(fā)中，如何降低微藻光生物反應(yīng)器的制造、運(yùn)行以及維護(hù)成本，同時提高微藻生產(chǎn)能力。最后，從微藻產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)出發(fā)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行微藻規(guī)模化培養(yǎng)工程的設(shè)計，在設(shè)計過程中使學(xué)生進(jìn)一步理解前期所學(xué)知識，通過實(shí)際經(jīng)歷了解科研成果的轉(zhuǎn)化過程。

3.3 微藻活性物質(zhì)的制備

隨著微藻生物技術(shù)的不斷發(fā)展，微藻生物活性物質(zhì)逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。本案例以微藻中常見活性物質(zhì)制備為例，引導(dǎo)學(xué)生研究學(xué)習(xí)微藻活性物質(zhì)的制備技術(shù)。學(xué)生前期學(xué)習(xí)了植物原料中活性物質(zhì)的制備技術(shù)，掌握了常見的分離純化技術(shù)手段，本案例學(xué)習(xí)過程中首先由教師給學(xué)生指出，微藻中生物活性物質(zhì)的工業(yè)(提取)制備，與常規(guī)植物提取既有相似之處，又具有其自身的特點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考：微藻活性物質(zhì)工業(yè)制備的難點(diǎn)是什么。之后安排學(xué)生分組進(jìn)行討論，在實(shí)際生產(chǎn)中如何應(yīng)用常見的細(xì)胞破壁技術(shù)、提取純化方法進(jìn)行微藻活性物質(zhì)的制備；結(jié)合微藻產(chǎn)物工業(yè)制備技術(shù)發(fā)展趨勢，總結(jié)微藻活性物質(zhì)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的難點(diǎn)和特點(diǎn)。

課后教師提供給學(xué)生相關(guān)的微藻活性物質(zhì)制備相關(guān)資料，要求學(xué)生結(jié)合以前所學(xué)生物活性物質(zhì)制備技術(shù)，從實(shí)際案例中歸納總結(jié)出微藻活性物質(zhì)制備的共性技術(shù)，結(jié)合微藻產(chǎn)物工業(yè)制備技術(shù)發(fā)展趨勢，提出微藻活性物質(zhì)工業(yè)制備的難點(diǎn)，以作業(yè)形式提交。另外，選取β-胡蘿卜素、蝦青素、巖藻黃素、多不飽和脂肪酸、藻藍(lán)蛋白等物質(zhì)為目標(biāo)產(chǎn)物，設(shè)計微藻成分生產(chǎn)工藝流程，并探討定位微藻全藻利用的“分級提取-全組分開發(fā)”概念。

3.4 微藻固碳

本案例作為本系列案例的一個拓展案例，采用教師引導(dǎo)、學(xué)生分組學(xué)習(xí)討論的方式，引導(dǎo)學(xué)生去分析、領(lǐng)悟微藻固碳領(lǐng)域的相關(guān)研究及應(yīng)用。課前兩周布置相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生組織學(xué)習(xí)小組，進(jìn)行文獻(xiàn)查閱和分析討論，課上由各小組代表分別從固碳微藻的選育、微藻固碳的機(jī)理和影響因素、微藻固碳的反應(yīng)器設(shè)計、微藻固碳的技術(shù)應(yīng)用四個方面進(jìn)行講解介紹，教師根據(jù)學(xué)生的講解情況進(jìn)行針對性點(diǎn)評，同時提出制約微藻CO2固定效率的瓶頸問題，學(xué)生現(xiàn)場對微藻固碳技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行分析，討論降低微藻固碳成本的可行性方案，課后結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研，對設(shè)計的方案進(jìn)行進(jìn)一步分析完善，形成文本作業(yè)提交。

3.5 微藻在環(huán)境凈化領(lǐng)域的應(yīng)用

本案例也是此系列的一個拓展性案例，重點(diǎn)在拓展學(xué)生的視野。學(xué)習(xí)過程中，以課堂討論、課后思考為主。課堂上，首先由教師講述介紹國外微藻在環(huán)境凈化方面的研究進(jìn)展，如能量高效利用的污水處理系統(tǒng)——Algal BioWall System(藻類及藻類生物墻系統(tǒng))，BioUrban微藻空氣凈化器，以及歐盟INCOVER項目等，學(xué)生分組討論每種技術(shù)的設(shè)計理念、特點(diǎn)、先進(jìn)性等；課后查閱文獻(xiàn)，了解微藻在養(yǎng)殖廢水處理方面的應(yīng)用，總結(jié)提出為提高凈化效果采用的措施，以文本作業(yè)形式提交。

4 考核體系與教學(xué)效果分析

案例教學(xué)的目的是切實(shí)提高強(qiáng)化學(xué)生的工程意識，對于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考核也應(yīng)圍繞此中心，重點(diǎn)考察學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題能力。注重過程評價，根據(jù)學(xué)生的課堂發(fā)言、討論、講解情況給出平時成績，占總成績的50%，提高學(xué)生平時教學(xué)過程的參與積極性。以文本形式提交的設(shè)計、作業(yè)等占50%，平時成績重點(diǎn)考察學(xué)生對知識的掌握和應(yīng)用情況，文本作業(yè)則主要考察學(xué)生的工程技能。

在上述微藻生物技術(shù)系列案例的教學(xué)過程中，隨著教學(xué)的深入，學(xué)生逐漸掌握了微藻生物技術(shù)的基本理念和研發(fā)現(xiàn)狀，對于成果轉(zhuǎn)化過程有了比較深刻的認(rèn)識了解，尤其是提交的兩份設(shè)計性作業(yè)，通過工藝設(shè)計及圖紙的繪制，提高了學(xué)生對工程規(guī)范的認(rèn)知，同時也潛移默化地將床戲意識和工程意識融入學(xué)生的后續(xù)論文研究過程，從實(shí)驗方案的設(shè)計、實(shí)施等方面充分考慮選用技術(shù)的先進(jìn)性及工業(yè)可行性，為工科研究生的培養(yǎng)奠定了良好的工程基礎(chǔ)。