生物工藝學課程體系改革實踐

張建國　陳曉明

摘要生物工藝學課程是生物工程專業學生的主干必修課程，是一門理論性和實踐性非常強的課程。以提高學生創新能力、實踐動手能力，提高學生綜合素質為目標，對生物工藝課程體系進行了改革。優化了理論、實踐教學內容、教學方式以及各個教學環節的銜接，構建了合理的生物工藝學課程體系，取得了良好的效果。

關鍵詞生物工藝學課程體系改革

生物工藝學是一門研究將生物技術實驗室成果轉化的重要學科，也是多數高校生物工程專業的必修課程之一。主要目標就是培養學生理論指導實踐能力、實踐歸納總結能力、適應社會發展能力。對于生物工藝學課程本教研室立足現狀根據實際情況針對課程體系、理論體系、實踐體系改革和探索。作者著重就多年來生物工藝學課程體系改革與教學體會和大家探討。

1課程開設背景

生物工藝學課程是生物工程專業三年級學生學習的必修課程，已經學習了生物化學、微生物學、基因工程以及正在學習生物反應工程、生化分離工程、生物工程設備、發酵工廠設計概論等相關課程的背景下展開生物工藝學課程學習。而這些課程與生物工藝學的各個章節都有重復，有沒有必要開設生物工藝學課程及如何進行生物工藝學教學活動是需要期待解決的問題。2006年通過教研組討論決定減少生物工藝學學時數，由64學時減少至32學時。2006年至2008年試行三年后，通過對學生調查和用人單位調查，證明減少學時后，學生實踐、設計、解決問題能力有所下滑而且出現了對就業的迷茫的現象。2009年教研組對生物工藝學課程體系建設進行討論，一致認為不但有必要開設生物工藝學而且課時需要增加，并且增加了生物工藝學實踐環節的種類和數量。現在理論課時為64學時，實驗學時為32學時、課程實習16學時、發酵過程分析實驗48學時，在三年級兩個學期分別對半完成除發酵過程分析外的生物工藝學課程體系學習。

2理論課程講授內容重復性矛盾的解決方案

課程主要教材選用俞俊棠等編寫的新編生物工藝學教材，同時結合各個章節補充或指定相關參書籍進行教學或供學生參考，有助于充分利用學生所學相關課程內容，將理論知識和應用實踐相結合，從而達到良好的學習效果。堅持“學以致用”，堅持“融會貫通”為指導思想進行理論教學活動。

2.1架起相關課程的橋梁

生物化學、微生物學、基因工程、生物反應工程、生化分離工程、生物工程設備、發酵工廠設計概論等相關課程都是相對獨立的，而生物工藝學中的工藝設計、優化等章節內容和技術方法和相關課程緊密相關，在這些課程中間可以起到穿針引線搭橋的作用。學生在單獨學習相關課程時容易形成思維定勢，大多數學生在學習過程中并沒有把所學的相關課程深入到工藝開發中來，由于各課程的重點和學生的經歷也是不可能將相關課程知識進行深入理解。因此，如何引導學生將各個知識單元利用生物工藝學原理將之聯系起來就是生物工藝學的工作之重點。

2.2優化章節側重點

要讓學生充分理解生物工藝學的定義、目的和意義，緒論部分非常關鍵。生物工藝學既有工程要素又有技術要素，不管是現代發酵技術還是傳統發酵技術其本質都是一樣的，各個章節是生物工藝的工程組合部分，各個工程部分需要技術來完成。各個工程組成部分的應用概況、原理及設計、目標以及到達工程目標目前的技術手段、技術原理、技術要素及邊界條件是各個章節講述的重點，所舉的例子圍繞工程目標、技術手段進行展開。在各個章節講述完成后學生能夠辨別和判斷各個工藝的優缺點，工藝的使用邊條件，具有分析工藝的節點能力和初步具有解決節點問題的方法。

2.3不斷完善教學內容

教學內容也要根據形勢要求進行不斷完善。（1）不斷走企業充分了解企業需求，了解新進大學生在企業里缺少什么；（2）查閱文獻資料，了解產業動態和新方法、新工藝；（3）多了解學生對章節的掌握程度。主要根據這三種形式不斷補充和完善教學內容，積極向學生推薦參考用書。例如在講解菌種選育過程中，給學生指定了施巧琴、吳松剛等編寫的《工業微生物育種學》。

通過教學實踐，學生覺得每堂課都很新鮮，也沒有發現學生由于學過相關知識而感到厭學和不滿情緒。實踐教學本質就是引導學生如何將學到的知識加以生物工藝方面的應用，讓學生思路更開闊更靈活地大膽應用相關知識。

3實踐教學環節

3.1生物工藝學實驗

生物工藝學實驗就是讓學生掌握最基本的操作方法、理解操作方法的原理。針對課程特點和學生實驗技能開設了菌種的選育、培養條件的優化、原料的預處理、反應器溶氧傳遞系數的測定、菌體生長動力學的測定等實驗內容。前三個實驗在三年級第一學期完成，后三個實驗在第二學期完成，這樣一方面和教學進度相吻合，便于及時理解。

3.2生物工藝學課程實習

課程實習第一階段在三年級第一學期期中進入工廠進行認知實習，主要了解工廠布局、工藝流程、設備構造。雖然在課堂上學生通過幻燈片或老師的形象比喻進行認識學習，但是在學生腦海中這些知識還是很抽象的。同學們通過參觀實習無不感嘆工廠的工藝設計與老師講得非常相似。工廠的實習活動讓學生感覺到將來能干什么，大大增強了學生學習的興趣和主動性，實踐證明這個環節非常有必要。

第二學期，理論知識基本學習完畢、基本操作技能得到訓練，然后進入第二個課程實習環節。這個環節利用實驗室50L發酵罐、30L發酵罐進行進行分批發酵實驗。分批發酵是最基本的發酵方法，該環節的實踐訓練項目是繼生物工藝學實驗課程中培養條件優化實驗項目進行的，利用該實驗項目的優化條件進行發酵放大實踐活動。通過分批發酵的訓練一方面，掌握種子擴大培養、培養基的配置、滅菌、接種、發酵、取樣分析的基本操作；另一方面，觀察了解發酵過程中溶氧、pH、菌體形態、發酵液顏色、黏度、泡沫以及底物、產物的變化等規律；再一方面，通過幾個小組的實驗數據進行歸納，總結出正常發酵條件下發酵的變化狀態、變化規律以及變量和產物形成的關系，培養學生的歸納總結能力。

3.3發酵過程分析實驗

生物工藝生產過程經濟最大化是目標，菌種是保障，工藝優化控制是關鍵。工藝優化控制對最大發揮優良菌種的潛能和下游提取都有著非常大的影響，對發酵成本有著重要的影響。培養基原料、種子質量、滅菌質量、溫度、pH、攪拌轉速、溶氧、培養基配方、罐壓、補料的時機、培養條件的轉換及轉換時機等等很多因素都會影響發酵結果。讓學生在實踐中盡可能地體會工藝控制的重要性和技術要點是本實驗的目的。本實驗開設采用大實驗的形式，根據發酵過程控制參數進行分組。例如實驗項目為%^-聚賴氨酸的補料分批發酵，pH、溶氧、溫度在線監測。其中一組根據溶氧變化進行反饋補糖，同時離線測定發酵液中殘糖濃度、殘氮濃度、菌絲球的形態、菌體濃度的變化等等指標，考察不同補料情況對進行pH調控發酵中產物%^-聚賴氨酸的影響。然后各組將發酵過程數據予以共享共同分析，找出影響發酵的節點，提出解決的方案，最后討論形成報告。

通過實踐環節由簡到繁地開展，讓學生逐步掌握和理解工藝各個環節和控制節點及其解決方法。一方面，在實踐環節中學生才能切身體驗到發酵過程各個工藝環節的關系，各個指標在發酵過程中控制方法；第二方面，學生通過實踐環節反復應用理論知識加深了對理論的理解；第三方面，通過實踐環節有效訓練了學生提出問題和解決問題的能力，歸納問題的能力，大大提高了學生的創新能力。

4加強知識消化

知識的消化如同食物的消化，過飽過多產生厭食，同樣知識一次講授過多，學生會產生厭學，為了考試學生只有死記硬背，出了考場知識又還給了老師。為了在技術上解決這個問題將生物工藝學課程體系中相關理論、實踐環節教學任務肢解，分為兩個學期完成，大大提高學生的理解和接受能力。這種安排教學任務也可以用“茅塞頓開”一成語進行解釋，隨著時間的推移、經驗的積累，學生逐步地學會自覺消化知識。

通過幾年來的生物工藝學課程體系建立探索，逐步形成了較為完善的生物工藝學課程體系框架，提高了學生的理論水平、實踐能力、發現問題、解決問題以及創新能力，充分體現了以“學生為本”的精神和實事求是的精神。

5期待進一步解決的問題

（1）服務教學的同時兼顧教師的科研任務。眾所周知，各個高校一線教師都有科研的任務，可是任課教師科研項目不一定與教學內容吻合，即使吻合，教學計劃與科研計劃并不一定同步。一些教改文獻中提出與教師科研聯系起來，那只是一種權宜之計不是長久之計。如何服務教學的同時兼顧教師科研是需要進一步探索問題，能夠讓任課教師更多精力放在教學上。

（2）課程開設時間的調整。大三學生在學習生物工藝學的同時還要學習其他課程，而課程實習第二環節和發酵過程分析實驗課程需要進行發酵工程訓練，整個訓練過程需要連續幾天時間，勢必影響其他課程的教學。若開設在大學三年級第二學期和大四第一學時間上可以較好滿足教學需求，但是也存在大四學生找工作、考研等壓力，雖然學生出勤容易解決但是學生“身在曹營心在漢”問題就不易解決。總之那種效果更好需要進一步實踐證明。

（3）教學水平提高。教學水平提高是一個相對過程，關于提高教學效率、提高教學質量的探索是永無止境的，要不斷加強和學生聯系，進一步和企業、科研院校等相關單位聯系，為提高教學質量提供平臺。

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