生物工程專業發酵工程課程群構建的探索

張弘弛

(山西大同大學 生命科學學院，山西 大同 037009)

隨著大同市戰略轉型發展，大同地區食品開發和藥品生產企業迎來了飛速發展的時期，在山西北部甚至是華北地區形成了規模集中的醫藥園區和食品園區，特別是醫藥第一和第二園區生產規模居國內前列。

山西大同大學作為晉北地區唯一一所全日制多科性大學，以培養高水平應用型人才為中心，為地方各行業培養了大批優秀人才，受到用人單位和社會的普遍好評。而生物工程專業從設置之初，就致力于服務大同地區經濟發展，目前凝練出微生物制藥與天然藥物制備、釀造與釀酒的兩個培養方向，因其與地方發展的緊密貼切度以及在實踐教學中的創新，在2014年生物工程專業被確立為學校的特色專業。2015年以來，隨著學校創新性教學改革，生物工程專業毫無例外地參與到教學改革中，打破原有的課程界限，圍繞應用型人才培養的目標，將多門專業課程進行整合，形成了獨具特色的發酵工程課程群。

1 發酵工程課程群構建的必要性

生物工程專業的培養目標是通過掌握生物學基礎知識和生物技術及其產業化的原理、工藝過程和工程設計，能在發酵工程和食品工程領域從事工藝設計和生產管理的工程技術人才。該專業的定位為應用型人才，社會對高校人才培養要求是從崗位能力的需求出發，注重生產實踐能力的提高。

但是，一直以來，生物工程專業在教學環節上還存在理論教學和專業生產實踐相脫節等現象，因此，對其理論和實踐應用教學內容進行整合，構建發酵工程課程群是生物工程專業自身建設的內在需要。發酵工程課程是綜合性和應用性很強的專業課程，與生產實踐具有緊密的聯系，發酵產業具有一定的地區性，目前我們的教學內容還遠不適應大同地區發酵產品資源開發與深加工的需要，工藝理論和專業實踐都不足以與大同地區產業相對接，以應用為目的構建發酵工程課程群，是為地方經濟建設培養生物工程技術人才的客觀要求和外在動力。

生物工程專業課程體系以發酵工程為核心課程，以生物反應工程和生物工程設備為上游課程，以生物分離工程、酶工程和生物工程工廠設計為下游課程，按照理論知識“必需、夠用”、專業實踐與“實際生產線對接”的原則，將一些具體的技術理論整合到發酵工程應用課程中，將單一的發酵工程課程拓展為綜合性、設計性、生產性專業綜合訓練實踐課，這些課程相互聯系、滲透和整合形成一個有機統一的整體，環環相扣、螺旋上升，是構建發酵工程課程群特色的必然選擇。

2 發酵工程課程群的構建思路

課程群是指若干門彼此獨立，但內容上密切相關、相承和滲透，具有某一共同屬性的一組課程集群[1]。在生物產品發酵生產過程中，主要包括兩個階段，發酵過程和生物分離提取。發酵工程包括細胞反應機理、代謝調控、生物工程設備、工藝以及檢測、工廠設計等。而這些知識主要源自“生物反應工程”、“酶工程”、“生物工程設備”、“生物分離工程”、“生物工程工廠設計”這些專業課程，將這些課程進行整合，再結合“發酵工程實驗”、“生物工程大實驗”、“生產見習”、“畢業實習和畢業設計”等實踐教學環節，形成發酵工程課程群，使生物工程產業化環節(發酵)將更系統、更具有應用性。

3 生物工程課程群內容的有機整合

3.1 課程群的內容梳理

課程群建設是一個教學系統工程，不是簡單的將幾門課程直接拼湊[2]。在實際教學中，所有專業課程都會出現教學內容重疊的現象，因而，如何有機銜接合整合課程群的教學內容，是課程群建設的核心所在。我們基于生產實際的需要，將發酵工程課程群的知識進行了生產實際化，形成一個應用性強的教學體系。突出課程群中每門課程的側重點，避免課程內容的交叉重復。

“發酵工程”是生物工程專業的主干課程和學位課程，該課程突出有關發酵過程的化學、生物學、生物化學和微生物學的原理，以生產產品的典型流程講述生物產品生產的一般規律(即基礎知識和原理部分)，依照工藝流程對模塊知識點進行“打包”，教學方法采用單元操作與發酵案例結合法，包括6個項目：生產菌種選育；培養基的制備和滅菌；無菌空氣制備和種子擴大培養；發酵設備和發酵過程控制；染菌的防治；產品的分離提純。在課堂教學內容上強調工業微生物菌種選育和發酵過程中各類參數的控制等一些共性技術的部分，同時輔之有代表性的產品的發酵工藝和方法的介紹，通過點面結合促進學生理解[3]。將發酵過程動力學以及反應器操作模式與模型的內容整合到“生物反應工程”中講解，將“設備選型和設備設計”整合到“生物工程設備”講解。

“生物反應工程”主要介紹生物反應過程中帶有共性的工程技術問題，是發酵工程課程群中其他課程的理論基礎。本課程的基本理論分為三個部分：生物反應過程動力學、生物反應器和生物反應過程的放大三部分內容。通過本課程的學習，要求學生掌握生物反應過程重點是酶促反應及微生物反應動力學基本規律，掌握生物反應器的基本理論和設計的基本方法，了解本領域國內外的研究進展，能夠通過運用所學的理論知識進行生物反應過程的工程分析與開發，以及生物反應器的設計、擴大、操作和優化控制。

“酶工程”是建立在微生物學、生物化學、分子生物學、生物技術原理、發酵工程原理等專業基礎課和相關專業課基礎上的一門重要的專業應用性課程。主要研究酶的生產、改性與應用的技術過程。

“生物分離工程”要求學生準確理解并掌握生物活性物質分離過程的特點和基本規律。通過本門課程的學習，要求學生準確理解并掌握生物活性物質分離過程的特點和基本規律，掌握生物分離中一些重要分離技術的原理和方法，了解新型生物分離技術。要求學生掌握并運用相關公式進行一些生物分離過程的計算，加深對生物分離過程基本原理的理解。在系統地掌握生物分離技術的操作技能的基礎上，使學生在實際工作中能夠正確地選擇和運用各種生物分離技術，培養學生綜合分析和解決問題的能力。

“生物工程設備”課程的目的是使學生掌握生物工廠主要設備的種類、結構、原理、特點，掌握主要設備的設計計算及選型，初步了解設備的安裝與維護。

“生物工程工廠設計”是生物工程專業一門綜合性、實踐性很強的專業必修課，它是在學生基本完成大學全部課程，扎實掌握基礎理論、工程技能及專業理論、專業知識的基礎上開設的。本課程既有一定基礎理論，又有較強的工程實際應用。學生在課程學習過程中一方面學習工程設計的有關基礎知識，以及發酵工廠工藝、設備等實際情況，另一方面讓學生根據所學進行簡單的發酵工廠設計，以解決企業的產品技術經濟問題。

3.2 課程群的內容整合

發酵工程課程群內各課程內容聯系緊密，因此在安排教學計劃時需要統籌兼顧。“發酵工程”和“酶工程”安排在第五學期，輔以同學期從第三周開始的發酵工程實驗和酶工程實驗，在第六學期的最后一個教學周安排生產實習。由于將“發酵工程”的設備選型和設備設計內容調整到了生物工程設備課程中，所以將“生物工程設備”安排為先修，于第四學期開設。基于“生物反應工程”第一部分主要以生物反應過程動力學為主，將發酵工程以及酶工程等課程中相關的反應動力學內容融合到相應章節中。反應動力學與發酵工程以及酶工程課程交叉較少，同時又是其他課程的理論基礎；第二部分和第三部分以生物反應器為中心，重點介紹不同操作方式下反應器的設計方法和優化，同時討論反應器內傳遞及放大問題。該部分內容與發酵工程和酶工程中發酵操作方式、生物工程設備中的反應器結構等內容交叉較多。在優化課程內容時，將“生物反應工程”安排在第五學期與其他群內相關課程同時開設，重點從反應器的操作方式與理論模型、反應器內物質的傳遞、混合特性的角度來講授；而提前開設的“生物工程設備”課程主要從各種設備的結構功能層面來講授。“生物分離工程”主要內容是生物制品的下游技術和原理，因而設置在第七學期開設，最后于第七學期中期開設設計性課程“生物工程工廠設計”。

4 生物工程課程群的升華

在應用型人才培養過程中，實驗教學是不可缺少的重要組成部分，對學生綜合素質的提高，理論聯系實際、工程實踐、解決實際問題和創新能力的培養起著非常重要的作用。課程群設置了“發酵工程實驗”(32課時)和以綜合性大實驗的體系開設的“生物工程綜合大實驗”(48學時)。按照從專業方向角度設置的實驗體系達到與就業的過渡銜接，我們把“生物工程綜合大實驗”內容主要分為微生物制藥發酵部分、酶制劑發酵及分離提取部分、天然藥物提取分離部分。

生物工程歷屆畢業生多數在大同、北京和上海等地的發酵制藥企業和生物制品企業就業，為了達到與企業的對接，我們在教授微生物制藥發酵部分時，以教學實習基地—國藥威奇達制藥有限公司的產品青霉素作為綜合實驗的主要內容(16學時)。包括：保藏的菌種的傳代和活化，生產菌株的誘變育種，篩選活性較高的菌株實施實驗室規模制備種子，最后進行發酵罐發酵。同時在發酵過程中，按照設計方案，對發酵過程進行工藝調控。發酵結束后，測定發酵液中青霉素效價，最后進行青霉素的提取與分離。

在應用型人才培養過程中，教學見習、實習是另一個重要環節，通過在相關企業的見習，學生對相關企業的工藝有了初步的了解，以及對工廠車間的設計與布置，有了較全面的了解，這樣有利于學生將書本知識與實際情況緊密結合起來，加深對所學課程知識的理解，使學習和實踐相結合[4]。

5 生物工程課程群的應用

畢業設計是本科生畢業前最后一個教學環節，體現培養目標的要求，培養學生綜合應用所學的知識和技能分析解決實際問題的獨立工作能力，提高學生的綜合素質，對保證培養具備生物技術與工程領域從事設計和生產管理方面的知識和能力的高素質人才有著十分重要的意義。

我校畢業設計環節分為兩類，一是考研同學和導師制從事科研的學生完成科研性實驗的畢業論文；二是與相關企業達成就業意向的同學的生物制品的相關設計。生物制品的相關設計是銜接發酵工程課程群教學內容與就業的最有效手段之一。例如，學生如果在國藥威奇達制藥廠就業，指導教師就會安排學生做青霉素發酵工藝以及設備選型的設計，如在華潤雪花啤酒廠就業，指導教師就會安排學生做糖化和糊化工藝以及設備選型的設計。設計內容除了車間年產量，還包括工藝和設備部分，計算完成產量所需要的所有原料的衡算(培養基、補料等各種原料的成分和用量)、水、電、蒸汽消耗量等，還包括設備選型和設計(發車間用到的每一個設備的詳細結構參數和數量)。整個設計過程會綜合性地涉及到發酵工程課程群的發酵工程、生物反應工程、生物工程設備、生物工程工廠設計等理論知識。

生物工程課程群的構建是建設生物工程專業的關鍵環節，通過課程群的構建，使相關課程進行整合，避免重復性授課過程，完成對教學內容的整合，實現課程建設的“群落化”，保證教

師的教學效果。在此基礎上結合地區經濟建設需求，設置好專業培養方向，進行教學內容的更新，使其更符合企業的需求，培養出更適應社會發展的應用型技術人才。

[1]耿 珺.《化學教學論》課程群建設的探索與思考[J].江蘇教育學院學報:自然科學版,2012,28(4): 1-4.

[2]趙宏宇.生物工程專業發酵課程群建設探索[J].微生物學通報,2016,43(4):793-797.

[3]趙宏宇.地方院校“生物工藝學”課程教學方法的探索[J].實驗技術與管理,2014,31(12):185-187.

[4]程水明.基于CDIO的“微生物學課程群”教學改革與實踐[J].廣州化工,2014,42(1):134-136.