生物工程下游技術綜合性實驗

胡志明， 李金龍， 惠宏襄

(南方醫科大學生物技術學院，廣東廣州510515)

0 引言

生物工程下游技術是指從工程菌或工程細胞的大規模培養一直到產品的分離、純化、質量檢測所需的一系列單元操作技術［1］。生物技術只有實現產業化才能造福于人類，而生物工程下游技術是生物技術實現產業化的關鍵之一，因此，它是生物技術專業的重要專業必修課。生物工程下游技術課程分為理論和實驗兩個部分，上好實驗課是這門課的一個重要環節。目前，很多生物工程下游技術課程所設計的實驗大多是一種單一的驗證性實驗，缺乏探索性和創造性，不容易激發學生的學習興趣［2，3］。開展綜合性實驗，是提高生物工程下游技術教學效果、培養學生綜合性實踐能力的一個重要途徑。綜合性實驗是學生在掌握一定的基礎理論知識和基本操作技能的基礎上，運用本課程多個知識點或多門課程多個知識點，或者涉及多項實驗內容，對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性實驗［4-6］。它主要培養學生資料查閱、實驗設計、實驗操作、數據處理、綜合分析等方面的能力［7-9］。本文對生物工程下游技術綜合性實驗的設計及成功實施的要素進行探索。

1 開展生綜合性實驗的必要性

1.1 生物工程下游技術課程特點要求

生物工程下游技術包含微生物、發酵、分離純化及產物分析檢驗等技術環節，涉及的技術比較多，如離心、沉淀、膜過濾、層析、干燥、結晶等。理論部分講授時一般按單元操作進行介紹，側重于各種方法涉及的主要原理。學生學習時，由于缺乏感性認識，一般會覺得比較抽象。同時，各部分的知識有一定的獨立性，邏輯聯系似乎并不緊密，如果教學實驗仍采取按單元操作進行，則不利于學生對教學內容的整體掌握以及對下游技術的靈活運用。通過生物工程下游技術綜合性實驗，有利于學生對該課程綜合知識領會與掌握。

1.2 培養創新型人才的要求

綜合性實驗具有探索性與綜合性的特點，著重培養學生運用已有知識發現問題、提出問題，進而解決問題的能力［10，11］。所謂探索性就是學生需要自己做實驗設計，提出實驗方案，實驗也沒有固定的實驗操作步驟，實驗結果具有不確定性［3］;綜合性就是將生物工程下游技術所涉及到的主要技術環節的主要內容體現出來，以一個生物制品為主線，利用多種原理和技術方法完成實驗過程，將原有各自獨立的相關實驗項目有機整合。通過生物工程下游技術綜合性實驗，有助于學生的創新能力［3］。

2 綜合性實驗的設計

2.1 生物工程下游技術綜合性實驗的內容設計

根據生物工程下游技術教學內容將綜合實驗內容設計成三大模塊，每個模塊又包含一些具體的技術單元，通過完成三大模塊的實驗，使學生熟悉掌握相關的系列單元操作技術。模塊一:基因工程菌的大規模培養及高密度發酵技術。通過這部分實驗，使學生掌握工程菌大規模培養及高密度發酵技術的原理及方法。模塊二:蛋白質的初步分離與復性技術。通過這部分實驗，學生學習蛋白質的分離與復性常用方法的操作與使用，掌握蛋白質初步分離與復性技術的原理與方法。模塊三:親和層析、凝膠過濾及離子交換層析技術。通過這部分實驗，學生學習凝膠過濾及離子交換層析技術操作方法和工作步驟，掌握凝膠過濾及離子交換層析技術的工作原理與蛋白質精細分離技術。

綜合實驗以一個新的蛋白質的制備過程為主線，從工程菌大規模培養開始，完成目標蛋白的表達、分離、純化、復性及鑒定整個實驗過程。整個實驗充分體現探索性及綜合性的特點，作者以教研室承擔的國家863重點課題“蛋白質錨定技術用于表淺膀胱癌術后復發的防治”所涉及的融合蛋白質中的鏈親和素標記的 GM-CSF、IL-2、IL-15、TNFα 和 CD40L 雙功能蛋白質分子為目標蛋白開展實驗研究。由于給學生制備的蛋白質是研究所在課題研究中構建的新的融合蛋白質，具體的制備過程沒有現成的模式，具備探索性。目標蛋白質的分離需要先經過初步分離，然后進行精細分離。在粗分離中，一般選擇鹽析、等電點沉淀、離心、膜過濾等高通量的方法;在精細分離中，則采用離子交換、分子篩等高選擇性方法，整個實驗又具備很好的綜合性。同時，通過實驗中預設的習題，引導學生發散思維，考慮多種不同的分離方法。

2.2 生物工程下游技術綜合性實驗的方法設計

(1)分組實驗。綜合性實驗分為若干小組，每組4～5人?？紤]到生物制品制備過程中很多技術需要連續操作，因此將整個實驗安排在較集中的時間完成。在實驗過程中，每個小組成員自由分工，相互協助，并做好詳細的實驗記錄。實驗完成后，每個實驗小組需提交一份實驗報告。每個小組成了承擔具體任務的學習與研究的集體。

(2)學生自主設計實驗方案。在實驗實施前，要求學生根據實驗內容需要先查閱相關文獻，做好實驗設計。根據待分離的目標產物的性質，設計出不同的分離步驟，不同的分離方法，主要是針對樣品和雜質的性質差異進行分離，如分子大小、電荷、形狀、溶解性等。對于分離體系和目標產物的背景越了解，越可能根據不同的分離原理和分離方法設計合理的分離過程。每個實驗小組可以將各自的方案與老師討論。

(3)綜合性實驗考核。通過評閱學生提交的綜合實驗報告來評價實驗的效果。要求學生的實驗報告以論文的格式完成，包括以下內容:前言:回答為什么要做該研究?可簡要介紹制備的目標蛋白特性、功能、國內外研究的現狀等;材料與方法:回答實驗所用的菌株、試劑以及來源所需的實驗器材實驗的操作過程;實驗結果:回答做得怎樣?根據實驗過程將每一步的結果相關數據、圖片展示出來，并作必要的說明，得出相關的結論。討論:根據實驗結果進行討論，實驗結果有哪些意義?所用的研究方法有哪些優點?有哪些不足?下一步需要研究解決的問題。考核不是單純看實驗結果的好壞，而是要考核學生的實驗能力和學風，包括實驗設計方法的正確性、實驗結果的分析和實驗報告的書寫水平，及學習態度等多方面內容。

3 綜合性實驗的成功要素

3.1 要求教師具備較強的專業素質和教授技能

(1)更新觀念，提高能力，掌控綜合實驗過程。做好生物工程下游技術綜合性實驗教學，教師必須更新觀念，認識到教師不僅僅要傳授知識給學生，而且應當著力提高學生的綜合素質和創新能力。生物工程下游技術綜合性實驗教學，需要教師具備較高的理論和實踐能力，能夠很好地組織學生完成實驗過程。綜合性實驗涉及的內容豐富、步驟較多，實驗中往往出現一些不符合預期的結果，如何引導學生思考、解決這些問題，這就對教師的知識面、處理問題的能力、應變能力等提出了更高的要求。

(2)收集信息，改進綜合實驗教學。做好生物工程下游技術綜合性實驗，要求教師注意收集學生的反饋信息，不斷改進教學。在實驗期間及實驗完成之后，教師都應該廣泛、深入收集學生的反饋信息。經過綜合性實驗，學生會對教學過程產生自己的理解和看法，這對改進教學具有重要的參考價值。教師通過課程結束后的調查問卷、教學中的指導實驗、批改實驗報告和課后討論等方式收集學生的反饋信息，經過分析研究，吸收其合理因素，借以調整、改進綜合性實驗教學［12-13］。

3.2 要求學生具備主觀能動性，科學協作精神

在綜合性實驗項目的開展中，要求學生充分發揮主觀能動性。綜合性實驗要求經過課前布置以后，就應以學生為主，在教師的監督和指導下，由學生自主完成，他們可以在一定程度上自己統籌安排實驗操作，并能正確分析實驗現象，完成實驗報告［13，14］。在綜合性實驗項目中，要求學生如實描述自己制備的產品特征、計算收率，能夠分析影響自己產品數量和質量的原因，培養學生實事求是的科學作風。在綜合性實驗的實施過程中，是以小組為單位完成整個實驗，要求學生們對實驗內容有一個整體上的把握的同時，各組同學合理分工、相互協作完成全部實驗操作，這要求學生具備科學協作精神。通過一系列前后相關的實驗操作，完成整個綜合性實驗。

3.3 要求具備開放的教學實驗室及足夠的實驗設施

綜合性實驗有部分實驗內容需要在課時外完成，因此，如何解決教學實驗室在時間和場所的開放成為關鍵［15］。我們對教學實驗室實行了開放式管理。一是通過建立門禁預約制度，學生根據實驗內容提前預約實驗室老師，憑借門禁卡進入實驗室。二是建立實驗室使用登記制度，學生對所進入的實驗室做好使用情況記錄。三是實行研究生助教管理制度。綜合性實驗的課時外內容在研究生助教的管理下完成。教學實驗室的開放為綜合性實驗的開設創造了有利條件。綜合性實驗是采取多個小組同時實驗，因此，要求實驗室具備足夠的實驗設施。近年來，我們學院實驗教學中心加大了建設力度，又購置了多臺色譜儀、離心機等設備，保證了綜合性實驗的圓滿完成。

4 生物工程下游技術綜合性實驗的教學效果

生物工程下游技術綜合性實驗教學，取得了良好的效果。同學們普遍反映，通過綜合性實驗，不僅增強了動手能力，而且對專業知識有更加系統的了解;不但掌握了具體的實驗技術，更領會到一般的生物分離方法，真正學到“活的”知識。綜合性實驗，提高了學生的綜合素質和創新能力。2008年，一個實驗小組以綜合實驗為主體的研究課題參加第二屆廣東大學生科技學術節之第六屆“挑戰杯”廣東大學生創業計劃競賽獲金獎，參加第六屆中國大學生創業計劃競賽獲銅獎。

5 結語

通過我們的實踐體會，認識到生物工程下游技術綜合性實驗具有重要的教學改革價值，符合在實驗教學中提高綜合性實驗比例的大趨勢;對培養學生的自主學習能力、獨立觀察和發現問題、分析問題及解決問題的能力，以及實踐能力、協作精神、創造能力和創新意識有著不可替代的作用。開展生物工程下游技術綜合性實驗，對教師的專業素質和教授技能提出了更高的要求，也需要教學資源的合理和良好配置。高等院校是培養專業技術人才的搖籃，應該鼓勵和支持教師多開展創新性綜合實驗，把創新能力和創新人才的培養真正落到實處。

［1］ 劉國詮.生物工程下游技術［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［2］ 張 健，劉 浩.《生物工程下游技術》課程的教學改革——教學實踐與教學理論的結合［J］.教育教學論壇，2012，30:91-92.

［3］ 張麗靖，靳 挺.生物工程專業綜合性實驗的實踐探索［J］.實驗科學與技術，2010，8(4):111-113.

［4］ 范一文，吳曉英.生物制藥專業綜合性實驗教學改革［J］.化工高等教育，2011(4):62-64.

［5］ 何 平，史清翠，巫光宏，等.生物化學教學與考核方法的改進［J］.科技創新導報，2010(16):153.

［6］ 吳新開，朱承志.綜合性實驗的綜合原則［J］.實驗室研究與探索，2007，26(6):89-91.

［7］ 陳曉光，任伯緒.綜合性實驗項目的設計與實施［J］.西北醫學教育，2012，20(4):685-687.

［8］ 何 浪，王 丹.綜合性實驗教學改革的探索與實踐［J］.重慶醫學，2010，39(8):1011-1013.

［9］ 馮 潔.創新型人才培養中實驗教學的問題與對策［J］.實驗室研究與探索，2008，27(4):102-105.

［10］ 夏 帆，余知和.改革微生物學實驗教學培養學生創新能力［J］.微生物學通報，2007(5):1024-1026.

［11］ 官禮和，魯 皓.實驗教學改革與創新人才培養［J］.實驗室研究與探索，2011(7):265-267.

［12］ 楊金山.改革實驗工作模式促進應用型創新人才培養［J］.實驗室研究與探索，2010，29(2):78-81.

［13］ 陳 馳.強化對大學生改革創新精神的培養［J］.繼續教育研究，2010(6):172-173.

［14］ 周俊宜，駱曉楓.開放性實驗教學與學生科研創新能力的培養［J］.中國高等醫學教育，2006(11):3-4.

［15］ 韓云海，海 嶺.開放性實驗教學模式的分析與實踐［J］.實驗室研究與探索，2008，27(9):163.