生物工程專業系統化實驗教學模式與創新

中南林業科技大學生命科學與技術學院 彭繼慶 董旭杰 曾超珍

生物工程是一門新興的綜合性應用學科，興起于20 世紀70 年代初，直到20 世紀90 年代才形成了系統的生物工程概念。生物工程是以生物學(特別是分子生物學、微生物學、遺傳學、生物化學和細胞學)的理論和技術為基礎，結合化工、機械、電子計算機等現代工程技術，充分運用分子生物學的最新成就，自覺地操縱遺傳物質，定向地改造生物或其功能，創造出具有超遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規模的培養，以生產大量有用代謝產物或發揮它們獨特生理功能的一門新興技術。我國開設生物工程專業的院校眾多，根據院校類型可以分為醫藥類生物工程、食品類生物工程、農林類生物工程、環境類生物工程、化工類生物工程等多種類型，每種類型的生物工程專業面向和解決的問題都存在很大差別。因此，面對行業出現的問題，如何培育各行各業專門性生物工程人才是各類院校共同思考的問題，也是打造優勢學科的方向。

一、生物工程實驗教學現狀與不足

生物工程專業是以生物學的理論和技術為基礎，分子生物學、微生物學、遺傳學、生物化學和細胞學等學科的理論和技術構成了生物工程專業的理論和技術基礎，化工、機械、電子計算機等現代工程技術是解決生物工程問題的技術手段。生物工程專業的課程設置涉及范圍廣，課程之間聯系較少，如果在實驗教學過程中不能突出生物學理論和學科發展規律，不能緊密聯系學科定位和人才培養目標，各課程之間就會片段化、區域化，課程之間缺乏聯系。尤其是化工、機械和電子計算機等現代工程技術相關課程的教師，很多缺少生物學知識背景，不能將現代工程技術與生物學的理論和技術很好地結合。因此，生物工程專業的學生在學習過程中獲得了更多的支離破碎的課程內容，很難將生物學基本理論和技能與現代工程技術緊密聯系在一起形成系統化的知識體系，在解決生產實際問題時更容易出現考慮問題不全面、不系統等現象，不能很好地培育生物工程專業型人才。

二、生物工程系統化實驗教學的意義

生物工程將生物學與生物技術先進的基本理論和科學技術轉化為生產實踐，轉化為生產力，是將基礎理論和先進技術轉化為生產力的橋梁。因此，生物工程專業的學生不僅要具有扎實的專業知識，還應具有完善的工程技術體系，將生物學和生物技術理論結合工程技術原理形成完善的適宜大規模生產的技術規程，并開發出滿足該技術規程所需要的成套設備。這樣才能使生物技術產業發展不斷完善，使生物技術產業進入發展快車道，突出其戰略地位。現實生活中的各種難題，都可以看作一個系統，都需要系統的知識和技術體系才能解決。因此，為培養學生具備扎實系統化的專業知識和實驗技能，使學生形成系統的知識體系和實驗技能，對學生進行系統化實驗教學就顯得尤為重要。同時，學生在系統化實驗教學過程中也更容易發現自身知識體系中的缺點與不足，反過來加強專業知識理論的學習。由此可見，生物工程系統化實驗教學不僅能提高學生的實驗技能，形成完整的技術體系，還能豐富和發展學生的專業知識水平和學習積極性，更能夠鍛煉學生系統化的思維模式，使看待和解決實際問題更加全面，解決問題更加高效。此外，生物工程系統化實驗教學還有助于學生明確目標和方向，增強學習積極性和探索積極性，提高自身創新性和競爭力，增加就業率。

三、生物工程系統化實驗教學的組織形式

（一）生物工程實驗課程設置的系統化

目前，生物工程專業開設的主要實驗課程包括大學物理實驗、微生物學實驗、生物工程綜合實驗、酶制劑與釀酒工藝學實驗、生物質能源與廢棄物的再生利用實驗、食品生物技術實驗、微生物遺傳育種學實驗、細胞與基因工程實驗、生化分離工程實驗等實驗課程。這些實驗課程之間看似存在很大區別，實則存在一定的邏輯順序和科學聯系，根據課程性質可以分為基礎實驗課程和應用實驗課程，如微生物學、微生物遺傳育種學、細胞與基因工程、大學物理實驗和生物工程綜合實驗等這些實驗課程重點介紹生物工程課程實驗的專業原理和基本技能，是生物工程專業學生的必備技能，也是生物工程專業的基礎。酶制劑與釀酒工藝學、生物質能源與廢棄物的再生利用實驗、食品生物技術實驗等實驗課程應用性更強，更能體現生物工程行業面臨和解決的問題，在行業發展中得以廣泛應用。但是這類實驗課程的開設需要較強的基礎理論基礎和實驗技能，需要在前期基本知識和技能學習的基礎上，培養學生的系統思維和解決實際問題的能力。實驗開設應以綜合性和探索性實驗為主，這不但有利于學生系統地掌握生物工程的專業知識和專業技能，還有利于提高學生的系統思維和解決實際問題的能力。

（二）生物工程實驗教學內容的系統化

生物工程實驗教學內容與學校定位、專業定位和人才培養目標高度一致，貫穿實驗教學的整個過程。每門課程都是為實現學校定位、專業定位和人才培養目標服務的，因此，生物工程實驗教學內容的系統化選擇與合理安排對專業發展和人才培養質量具有重要影響，各門實驗課程都要統一篩選和精心組織實驗教學內容，注重學科發展規律，注重各實驗課程之間的聯系，對實驗教學內容進行系統化設置，從而保證各實驗課程之間的連續性，進一步保證實驗技能和實驗方法之間的連續性、系統性，從而使各門實驗課程之間形成統一整體，形成完整的知識體系和實驗技能體系。

（三）生物工程實驗教學材料選擇的系統化

生物工程專業開設的各門課程看似孤立，實則具有緊密聯系，生物工程基礎理論和技術體系共同構成了生物工程專業課程體系。為了加強各專業課程和實驗課程間的聯系，突出知識體系的系統性，也突出技術體系的連續性，在生物工程實驗課程教學開展過程中，各門實驗課程可以爭取在實驗材料上保持一致，實驗內容上保持銜接，并將實驗過程和解決生產實際問題有機結合，使學生在實驗過程中感受到所做的實驗并不是一個孤立的實驗，體驗到實驗過程就是解決生產實際問題的過程，提高學生學習實驗課程的積極性和主動性，提高學生對本學科的認識，明確學習目標和就業方向。以造紙工業中的木質素生物降解為例，在生物工程專業實驗教學過程中，從野外進行分離純化木質素降解菌開始，經菌種鑒定、菌種保藏、菌種誘變，培養基優化、發酵體系優化、發酵條件優化、酶的分離純化、酶活鑒定、酶的修飾和酶的固定化等整個過程可以利用同一種微生物完成，形成了一套完整的技術體系，更有利于學生系統掌握知識和技術體系，培養系統思維和全面解決實際問題的能力。

（四）科研項目反哺實驗教學，體現實驗技術體系的系統性

科研項目的開展往往多學科交叉融合，多技術層層推進，形成了完整的知識體系和技術體系，更能體現知識和技術的系統性。在實驗教學過程中可以將一些成熟的科研項目內容進行改進，融入本科實驗教學過程中，這不僅能夠不斷更新本科實驗課程內容，還能夠使學生了解行業發展需求，直觀了解生物工程專業在解決生產實際問題中所發揮的作用，對提高學生學習積極性和人才培養質量具有極大的促進作用。

四、結語

隨著生物工程產業的發展，行業對生物工程人才培養質量的要求越來越高。為了培養學生形成系統化的理論知識體系和實驗技能體系，實驗教學應將生物工程專業理論與實驗技能連成一體，同時增強實驗課程之間、實驗技能之間的聯系，構建生物工程實驗課程知識體系，以利于培養學生的系統思維能力和系統的實驗技能，促進生物工程領域培養從事生產經營、開發設計及教學科研的高素質、復合型人才。