知識網絡構建在生物分離工程教學中的應用

[摘要]生物分離工程是生物工程專業的重要基礎課程，其分離操作繁多，內容相對較為分散。采用構建知識網絡的方式教學可化繁為簡，以一條主線貫穿課堂教學，突出各因素在生物分離中的作用，并將各知識點橫向聯系比較，可提高課堂教學質量，引導學生積極思考并主動歸納總結提煉，使學生加深對生物分離過程的理解，從而為知識的靈活應用奠定基礎。

[關鍵詞]生物分離；知識網絡；教學改革

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634(2012)03-0062-03

0 引言

隨著生物技術的蓬勃發展，利用生物工程手段改造傳統產業，大力發展工業生物技術，實現低碳循環經濟已經成為目前產業發展的前沿之一。由于產品分離純化是生物產品加工的重要環節，其過程、質量和成本往往決定整個生物加工過程的成敗。因此，生物分離在整個生物產品生產過程中占據重要地位，生物分離工程課程是生物工程、制藥工程等相關專業的重要專業基礎課程，該課程相關知識儲備也為學生以后繼續從事科學研究或工廠實踐夯實了堅實的基礎。

生物分離工程課程是一門理論和實踐密切結合的多學科交叉課程，知識面涉及物理、化學、數學、化工及微生物等學科，內容相對分散，不僅包括生物工程產物的分離、提取、精制的基本原理和相關基礎理論，也包括大量的分離單元操作及其工業實際應用。知識點涉及細胞破碎與分離、初級分離、膜分離、萃取、吸附、層析、電泳、結晶、干燥及蛋白體外復性等方面。筆者在教學過程中，深切感覺知識點分散對學生學習、理解和復習的難度。知識網絡是人們在學習和實踐中所獲得的知識通過一定的方式聯系起來所構成的開放性知識體系。如果在授課過程中能夠將知識點歸納總結比較，由點到線，再到面成體，構建相關知識網絡并將其靈活應用到課堂教學中，可收到較好的效果。

1 抓住本質化繁為簡，重點內容主線貫穿

把厚書讀薄，抓住本質，化繁為簡，以簡明扼要的文字或圖表將所學內容凝練出來，是學習繁多知識的一種有效方法。例如色譜技術是現代生物分離技術的核心，色譜又分為凝膠過濾色譜、離子交換色譜、反相色譜、疏水色譜及親和色譜等。授課過程中，學生普遍反映該章節內容分類繁多，不易理解和掌握。因此在理論課程講解過程中，重點突出色譜分離的本質——根據混合物中的溶質在固定相和流動相之間分配行為的差別而進行分離的方法。抓住這一本質，上述色譜分類就是基于溶質分子和固定相之間的相互作用機理不同，而關鍵在于選用的固定相。一般而言，應用于生物產品分離純化的固定相色譜介質共同特點是都具有良好的親水性、化學穩定性和機械強度。而凝膠過濾色譜主要就是采用微孔凝膠介質為固定相，如Sepha-rose，主要起篩分作用，是根據溶質相對分子量的差別進行分離的一種方法；如果對凝膠介質活化并鍵合一定量的陰陽離子，就成為離子交換介質，如Sepharose-DEAE，主要是根據溶質與固定相間靜電作用力的差別進行分離，即離子交換色譜；如果對介質表面偶聯疏水基團就成為疏水介質，如Phe-nyl Sepharose，主要是根據蛋白分子與介質間弱疏水作用的差別而進行分離，即疏水色譜，是生物大分子常用的分離純化方法；如果將介質表面完全非極性化，如ODS-C18介質，就是反相色譜，主要根據溶質問極性差別進行分離分析，常用于非極性小分子(分子量小于5000)的分析和純化；如果將介質表面活化并偶聯一定的親和配基，即親和色譜，如BSA-Sepharose介質，主要是根據生物物質間的特異性親和作用而實現分離。由此可見，色譜分離的核心在于選用的介質，而決定分離原理的主要因素是介質表面的基團，據此可將上述內容歸納總結如圖1所示。通過這樣的一個圖，在相應色譜章節課程講授過程中，引導學生從本質出發理解不同色譜分離過程的區別和聯系，不僅使學生加深了對色譜分離原理的理解，更為關鍵的是，學生對色譜分離的本質、分類、各種色譜方法的區別和聯系均可熟練掌握。

再如，生物分離過程的一般流程如圖2所示，該圖概括了生物分離課程中涉及到的所有分離操作，因此在課程的講解過程中應以其為主線，在各章引言、生物產品分離示例的課程講授中重點突出此圖，并在全部課程結束后重新復習該流程圖。通過這樣反復強調，可化繁為簡，學生對各分離操作在生物產品分離中的地位一目了然，有利于學生加深對各個單元操作的認識，深入理解各分離操作在生物產品分離工藝中的作用和相互關系，從而扎實地掌握各分離操作并能夠靈活運用。

2 以因素為切入點，注重分離過程的提煉總結

雖然生物分離過程涉及內容繁多，但在分離工藝中一些單因素對分離的影響存在相通之處。如果以每一個因素為切入點，將相關知識點歸納提煉總結，可使分散的知識點構建成網，從而使知識體系立體化，加深學生對生物分離操作的理解。例如，生物產品如蛋白質、有機酸及核酸等都是兩性物質，在不同的pH條件下兩性物質的帶電性質會有所不同。而帶電性質會影響其分離特性，因此pH控制在這些兩性物質分離中起著非常重要的作用，在課堂上應有意引導學生總結和提煉。在初級分離沉淀分級中，控制pH在目的產物等電點附近可使其溶解度降低，便于沉淀析出；有機溶劑萃取分離過程中，控制體系pH可使目的產物保持分子或離子狀態，可調節其在水相或有機相的分配，從而實現萃取或反萃取；離子交換吸附過程中，決定分離的主要因素是目的組分與介質間的靜電引力，控制pH可改變目的產物的電離狀態，進而實現選擇性的吸附或洗脫；親和色譜分離過程中，如果靜電引力在親和作用中占據主導地位，pH控制在親和吸附或洗脫過程中也具有重要意義。課堂上引導學生以pH對生物分離的影響為導向，歸納總結成表，如表1所示，就形成了清晰的知識網絡。

再如，表面活性劑在生物分離中也有廣泛的應用。細胞破碎中，采用表面活性劑處理細胞，可增大細胞壁通透性，便于細胞破碎；初級分離中，加入表面活性劑利用表面吸附的原理對溶劑進行分級分離；膜分離過程中用表面活性劑作為清洗劑對污染膜進行清洗；液膜萃取過程中加入表面活性劑穩定液膜，反膠團萃取中加入表面活性劑形成反膠團溶解生物物質；SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳中加入表面活性劑使蛋白變性并消除其電荷差異，從而使其遷移率只與蛋白分子量有關。與之類似，過程強化技術等在生物分離中的應用有超聲波破碎、超聲波萃取、微波萃取、超臨界萃取、超臨界色譜等，以一個因素為切入點，將整個生物分離課程的內容提煉總結，并在課堂上及時引導學生思考，并以課堂提問和課后思考題的形式啟發學生主動思考和查閱相關資料，由點到線再到面成體，構建相應的知識網絡，以培養學生的獨立思考和知識融會貫通能力。

3 加強知識點橫向比較和聯系

由于生物分離過程涉及分離操作較多，為加深同學們對所學概念的理解，課堂教學中可將各知識點進行橫向聯系和比較。如色譜和吸附這兩個概念，色譜主要根據溶質和固定相之間各種相互作用——分子大小、靜電引力、疏水性、特異性識別等的不同實現分離純化；吸附是根據范德華力或靜電引力實現從液體或氣體中回收有用目的產物的過程。在分離單元操作過程中，色譜和吸附是兩個互相并列的概念；但在色譜分離技術中，吸附色譜是根據固定相與溶質問吸附作用力不同的色譜操作，其本質是吸附原理在色譜上的應用，是和凝膠過濾色譜、疏水色譜等并列的概念。在實際講課過程中，這兩個概念學生非常容易混淆。類似的離子交換吸附和色譜也存在相似的區別和聯系。

在同一章節相關的易混淆知識點也可以橫向聯系和比較，例如疏水色譜和反相色譜，都是根據目的組分疏水作用的差別進行分離純化，但又有所不同。疏水色譜固定相表面偶聯弱疏水性基團，疏水作用較弱，洗脫時主要采用降低離子強度、調節pH或者加入表面活性劑等方法降低疏水作用，可直接應用于鹽析后蛋白分離純化；而反相色譜固定相表面完全被非極性基團覆蓋，表現強烈的疏水性，洗脫時主要采用降低流動相極性的梯度洗脫法，但應用于生物活性物質分離時存在使目的蛋白變性的危險。在講授各自章節時將相關的知識點橫向聯系，比較其異同，通過知識網絡的構建使得各知識點不再孤立分散，可以使學生總攬全局，加深學生對生物分離過程的理解，并提高學生的知識遷移能力。

4 重視考試的導向作用

考試的目的是為了鑒定教師的教學水平和學生的知識掌握情況，考試大綱和試題對于師生教學過程具有重要的導向作用。由此可見，考試僅僅是學習過程的一個階段，考試中反饋出的信息有助于下一步更好的教和學的過程。考試結束決不意味著該門課程學習的結束，這一點對于當前大學教學而言尤其重要。因此，筆者在生物分離工程的教學實踐中，積極拓展多種考試方式，采取了隨機小考、課后小論文考察和期末考試相結合的方式。在課堂上隨機小考，提問學生并引導學生總結提煉構建相關知識網絡，知識點的消化吸收主要在課堂上完成；由于課堂時間有限，一門課程的學習不僅僅是課堂的45分鐘，在課后集中選取一些具體的生物產品分離課題，安排學生主動去查閱相關知識，充分利用學校的圖書館資源，在課余時間完成知識面的拓展；期末考試試題的命制要靈活，重視知識點的比較、聯系和總結，如前文所述，讓學生列舉pH控制、表面活性劑或者過程強化在生物分離中的應用。通過這三種考核方式，以課堂教學為基礎，以課余時間為拓展，以期末考試為導向，學生的主動學習能力大大提高，不僅學習了知識，更重要的是提高了素質，這也是教育的根本目的所在。

5 結束語

綜上所述，由于生物分離工程內容較多，構建知識網絡可以將各知識點聯系比較，可以抓住本質化繁為簡，將所學知識串成一條線，突出各因素在分離操作中的作用，將不同單元操作相互比較并聯系起來，并以考試為導向，引導學生主動學習，培養學生的學習興趣，充分發揮學生的主觀能動性，有助于加深學生對知識點的理解和認識，從而真正做到學有所用。通過這一教學實踐，鄭州大學生物工程系2008級生物工程班學生的生物分離工程理論課程平均成績為79.4分，其中90分以上的占25.7％，不及格學生占1.4％。在鄭州大學組織的網上教評中，筆者的評教成績均在90分以上，為優秀等級。下一步應繼續完善，探求更加符合當代教學特點的生物分離工程教學模式。

參考文獻

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