強(qiáng)化“生物分離工程”實(shí)踐教學(xué)的方法與途徑*

劉建國，曲劍波，葛保勝，王小強(qiáng)

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266580)

“生物分離工程”是生物化學(xué)工程的重要組成部分，是指從發(fā)酵液、動植物細(xì)胞培養(yǎng)液或酶反應(yīng)液中提取相關(guān)生物產(chǎn)品的過程[1]。該過程涉及生物、化學(xué)、化工等學(xué)科的知識，且部分單元操作可看做是化工分離工程在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用。而《生物分離工程》課程則是我國高校為相關(guān)專業(yè)(如生物化工、生物工程、食品工程等)開設(shè)的一門基礎(chǔ)課，該課程所包含的技術(shù)不僅能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究(如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能分析等)提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生物化工過程和現(xiàn)代生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 “生物分離工程”的課程特色及教學(xué)中存在的問題

1.1 “生物分離工程”的課程特色

《生物分離工程》的內(nèi)容包括緒論、原料(或發(fā)酵液)的預(yù)處理、細(xì)胞分離及破碎、不溶物或細(xì)胞碎片的去除(過濾、離心)、產(chǎn)品的分離(沉淀、萃取、吸附)、產(chǎn)品的純化(層析、電泳、膜分離)以及產(chǎn)品的精制或成品化(結(jié)晶、干燥)[2]。每個環(huán)節(jié)的每種技術(shù)又包括基本原理、設(shè)備、操作過程的影響參數(shù)、適用范圍等基礎(chǔ)理論，甚至部分技術(shù)還包括設(shè)備的選型、生產(chǎn)能力的計算等應(yīng)用知識。在學(xué)習(xí)《生物分離工程》之前，要求學(xué)生先掌握一定的生物化學(xué)、化工原理、物理化學(xué)、微生物學(xué)、酶與蛋白質(zhì)工程等課程的基礎(chǔ)知識。

由上面的描述可以看出，《生物分離工程》涉及的知識面廣、知識點(diǎn)多，且多學(xué)科交叉[3]。從內(nèi)容上來說，每個環(huán)節(jié)相對較為獨(dú)立，但是從最終產(chǎn)品的制備而言，整個課程的綜合性又很強(qiáng)。除此之外，生物分離技術(shù)還是生物物質(zhì)實(shí)現(xiàn)商品化的必經(jīng)之路，也是現(xiàn)代生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。因此，《生物分離工程》的教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程聯(lián)系緊密，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性特點(diǎn)[4]。

1.2 “生物分離工程”教學(xué)中存在的問題

目前，大部分高校在《生物分離工程》教學(xué)中存在的主要問題是“重理論，輕應(yīng)用”[5]。這種做法可能會導(dǎo)致幾方面的后果：

首先，課程的整體難度下降，挑戰(zhàn)度降低。由于理論部分屬于課程的基礎(chǔ)知識，相關(guān)內(nèi)容在教材中都有詳細(xì)的介紹，加之各高校近年來推行的課程網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，學(xué)生很容易獲得教師的課件，這在一定程度上削弱了學(xué)生從課堂獲取知識的期待，導(dǎo)致學(xué)生在課堂上不認(rèn)真聽講，教學(xué)效果大打折扣。另外，隨著授課次數(shù)的增加，部分基礎(chǔ)較好的學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣也會隨之減弱[6]。

其次，學(xué)生容易對課程內(nèi)容形成固化思維，缺少對知識的靈活運(yùn)用能力。在課程的緒論部分，會向?qū)W生介紹動植物來源和微生物來源的蛋白質(zhì)分離的一般過程，即原料的預(yù)處理、細(xì)胞破碎、不溶物的去除、產(chǎn)品的分離、產(chǎn)品的純化和產(chǎn)品的精制。而后面每章的內(nèi)容也是按照這個過程順序依次展開，這很容易讓學(xué)生形成思維定式，認(rèn)為只要涉及蛋白質(zhì)的分離都要經(jīng)過每個環(huán)節(jié)。筆者曾在課程后期提出過 “古菌來源極端嗜熱酶”的分離問題，交由學(xué)生討論分離的方法和過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絕大部分同學(xué)的答案都是按照微生物來源蛋白質(zhì)的一般分離過程進(jìn)行設(shè)計，很少有同學(xué)使用最直接最簡單的“細(xì)胞破碎+離心+熱沉淀”的方法。

再次，學(xué)生解決企業(yè)實(shí)際問題的能力較差[7]。如前所述，《生物分離工程》的教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。然而，生物企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的問題大多集中在知識的應(yīng)用領(lǐng)域，如酶產(chǎn)品經(jīng)分離純化后，純度符合要求，但收率和活性偏低。解決此類實(shí)際問題，更多的是需要學(xué)生掌握一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如鹽析沉淀的時間對酶活的影響等。筆者也曾根據(jù)自己與企業(yè)的合作課題，讓學(xué)生解決“出口膠原蛋白鹽含量較高”的問題。起初，學(xué)生認(rèn)為這不是“生物分離工程”范圍內(nèi)的事情，后經(jīng)教師說明，承認(rèn)這屬于產(chǎn)品精制或成品化問題。但是大部分同學(xué)最終給出的答案是采用透析技術(shù)，而不是膜技術(shù)。這是因?yàn)樵趯W(xué)生的頭腦中缺少技術(shù)工程化利用的概念，即透析技術(shù)無法應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程。

最后，學(xué)生的設(shè)計(或創(chuàng)新)能力不足。由于生物產(chǎn)品的種類繁多，且同種產(chǎn)品的來源也不唯一。因此，任何生物產(chǎn)品都需要利用其自身性質(zhì)和雜質(zhì)性質(zhì)的區(qū)別來確定分離采用的技術(shù)。此外，生物產(chǎn)品的分離很難一步完成，通常需要多種技術(shù)的集成化才能實(shí)現(xiàn)[8]。在此情況下，學(xué)生需要通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握根據(jù)分離體系的組成來設(shè)計特定產(chǎn)品的分離工藝，并使其具有較高的生產(chǎn)率和較低的生產(chǎn)成本。但是，學(xué)生的這種設(shè)計(或創(chuàng)新)能力需要在實(shí)踐教學(xué)中慢慢培養(yǎng)。

綜上所述，《生物分離工程》的應(yīng)用性特點(diǎn)，要求在授課過程中加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生對知識的靈活運(yùn)用能力、解決企業(yè)實(shí)際問題的能力和設(shè)計(或創(chuàng)新)能力等。筆者根據(jù)自己多年講授《生物分離工程》課程的經(jīng)驗(yàn)，就加強(qiáng)課程的實(shí)踐教學(xué)提出了幾種可行的方法。

2 強(qiáng)化“生物分離工程”實(shí)踐教學(xué)的方法與途徑

2.1 利用教學(xué)案例，提高學(xué)生對知識的運(yùn)用能力

在《生物分離工程》的課堂教學(xué)中，案例式教學(xué)已被證明能夠有效鍛煉學(xué)生對知識的運(yùn)用能力[9-10]。因此，在本課程的教學(xué)過程中，筆者根據(jù)生物產(chǎn)品的種類和來源不同，設(shè)置了三個案例：帶有組氨酸標(biāo)簽的重組碳酸酐酶的分離提取、微生物胞外多糖威蘭膠的分離提取和植物來源綠原酸的分離提取。通過三種不同生物產(chǎn)品的案例分析，加強(qiáng)學(xué)生對課程知識的理解，提高學(xué)生對知識的靈活運(yùn)用能力。此外，通過案例式教學(xué)法，筆者還將部分分離技術(shù)的最新科研進(jìn)展介紹給學(xué)生。例如，在“層析”和“膜分離”的章節(jié)中，通過案例分別向?qū)W生介紹“整體柱”和“參數(shù)掃描超濾技術(shù)”的研究進(jìn)展及相關(guān)應(yīng)用，以擴(kuò)展學(xué)生的知識面。

2.2 利用仿真軟件強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和工程化意識

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要環(huán)節(jié)。目前，大部分高校都設(shè)有《生物分離工程》的實(shí)驗(yàn)課程，但不同學(xué)校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)目不同，且大多為小試規(guī)模的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這對提高學(xué)生就業(yè)后的實(shí)操能力幫助有限。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，筆者所在單位購買了發(fā)酵工程和生物分離工程的相關(guān)仿真軟件。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將分離操作還原為真實(shí)生產(chǎn)過程，這不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還同時培養(yǎng)了學(xué)生的工程化意識，為后續(xù)的企業(yè)現(xiàn)場實(shí)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 利用企業(yè)現(xiàn)場課堂，提高學(xué)生的工程化能力

為了將學(xué)校課堂教學(xué)和企業(yè)現(xiàn)場教學(xué)結(jié)合起來，筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊利用學(xué)校周邊已有的大型生物企業(yè)(如青島明月海藻集團(tuán)有限公司和青島瑯琊臺集團(tuán)股份有限公司等)，積極拓展學(xué)生實(shí)習(xí)基地。通過企業(yè)工程師的現(xiàn)場講解和實(shí)地參觀工業(yè)化的分離設(shè)備，加深學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，切實(shí)領(lǐng)會生物分離技術(shù)的操作要點(diǎn)，提高學(xué)生的工程化能力。

2.4 利用企業(yè)橫向課題參加競賽，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力

筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊根據(jù)企業(yè)橫向課題或企業(yè)真實(shí)技術(shù)需求，積極設(shè)計應(yīng)用場景，引導(dǎo)學(xué)生分析問題和運(yùn)用所學(xué)知識解決問題。同時，以這些課題作為題目，組織感興趣且具有一定基礎(chǔ)的學(xué)生，參加學(xué)校級別的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和省級的大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”、“創(chuàng)青春”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽。通過賽事訓(xùn)練，進(jìn)一步提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識。

2.5 利用賽事案例的再加工，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

筆者通過查詢每年舉辦的國家級和省級賽事，收集了部分與生物活性成分提取相關(guān)的案例，并組織學(xué)生分析和討論案例的優(yōu)缺點(diǎn)，鼓勵學(xué)生針對案例存在的問題實(shí)施改進(jìn)和再創(chuàng)新，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 強(qiáng)化“生物分離工程”實(shí)踐教學(xué)的意義

3.1 強(qiáng)化“生物分離工程”的實(shí)踐教學(xué)，符合“金課”建設(shè)的要求

如前所述，《生物分離工程》教學(xué)中存在的“重理論，輕應(yīng)用”的做法，會降低本課程的挑戰(zhàn)度，使學(xué)生通過課程考試變得容易，但能力(或效果)有限，即“上課能聽懂，下課不會用”，這種現(xiàn)象也是我國高等教育普遍存在的問題。為此，教育部在《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實(shí)的通知》中，提出“合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量”的要求[11]。對于《生物分離工程》而言，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，就是要求學(xué)生從記憶、理解等低階認(rèn)知升高至分析、綜合、運(yùn)用等的高階認(rèn)知，從而提高課程的難度和挑戰(zhàn)度，這既符合國家對“金課”的建設(shè)要求，也符合新時代背景下生物企業(yè)對“應(yīng)用型人才”的需求。

3.2 強(qiáng)化“生物分離工程”的實(shí)踐教學(xué)，符合“專創(chuàng)融合”的要求

專業(yè)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的融合(即專創(chuàng)融合)是未來教育發(fā)展的主要趨勢，也是我國深化高等教育改革、加快創(chuàng)新型國家建設(shè)的重要途徑[12]。而《生物分離工程》的教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性特點(diǎn)。因此，通過上述強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的方法，可以將專業(yè)知識的傳授與學(xué)生雙創(chuàng)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，同時提高學(xué)生的工程化素質(zhì)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力，為構(gòu)建適應(yīng)我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的“創(chuàng)新型人才”培養(yǎng)模式提供探索。

4 結(jié) 語

綜上所述，強(qiáng)化《生物分離工程》的實(shí)踐教學(xué)，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的工程化意識、競爭意識和創(chuàng)新意識，為保證學(xué)生更好地適應(yīng)社會需求奠定基礎(chǔ)，因此意義重大。此外，強(qiáng)化《生物分離工程》實(shí)踐教學(xué)的方法還有很多種，如提高課程的教學(xué)目標(biāo)和要求、增加過程考核的形式和比重等。在本文中，筆者只是根據(jù)自己多年的授課經(jīng)驗(yàn)，介紹了幾種行之有效的強(qiáng)化《生物分離工程》實(shí)踐教學(xué)的方法，供其他高校教授本課程的教師借鑒和參考。