高校酶工程教學的課程設計及教學方法應用

劉新育 林暉 王風芹

摘 要 酶工程是是生物工程的一個重要組成部分。為使學生掌握酶工程基本原理、提高酶工程實踐操作能力，本文對課程設計、教學內容和教學方法進行了初步總結。課程設計理念為突出前沿性、強調應用性、體現工程特色。教學方法方面重視緒論教學、案例教學和啟發(fā)式教學，收到了良好的教學效果。

關鍵詞 酶工程 課程設計 教學方法

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.063

Abstract Enzyme engineering is an important part of bioengineering. In order to enable students to master its basic principles and improve their practical operation ability， this paper gives a preliminary summary on curriculum design， teaching content and teaching methods. The concept of curriculum design is to highlight its frontier， emphasize its application， and reflect its engineering characteristics. Teaching methods pay attention to the introduction teaching， case teaching and heuristic teaching， and have received good teaching results.

Keywords enzyme engineering； curriculum design； teaching methods

酶工程是生物催化的核心組成部分，在研究內容和手段上與結構生物學、基因工程、蛋白質工程、發(fā)酵工程、代謝工程、合成生物學等學科相互交融，成為現代生物技術的支柱和核心之一。酶工程作為生物制造工業(yè)體系的核心受到學術界和工業(yè)界的密切關注。我國是一個用酶大國，2016年中國的酶制劑年復合增長率為9.60%，但我國同時又是一個產酶小國，2014年中國酶制劑市場消費規(guī)模僅占全球的9.4%，未來發(fā)展空間廣闊。《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，發(fā)展高效工業(yè)生物催化轉化技術體系，提升綠色生物工藝應用水平。基因工程酶的應用和酶的新應用領域開發(fā)等酶工程技術可以促進綠色生物工藝在農業(yè)、化工、食品、醫(yī)藥、輕紡、冶金、能源等領域全面進入和示范應用，顯著降低物耗能耗和污染物排放。[1]為服務于河南發(fā)酵產業(yè)的發(fā)展，河南農業(yè)大學于上世紀90年代為微生物發(fā)酵專業(yè)開設了“酶制劑工藝學”，為了適應酶的分子改造和酶工程應用技術的快速發(fā)展，本課程授課內容也在不斷的更新，近年來將課程名稱更名為“酶工程”。目前“酶工程”是面向生物工程專業(yè)開設的一門理論性和實踐性并重的核心課程，學習目標是要求學生掌握酶工程基本原理，提高酶工程實踐操作能力。作者經過十多年的課堂探索，對本課程的課程設計和教學方法進行了初步總結。

1 課程設計

通過參加全國性的酶工程學術會議、深入酶生產企業(yè)和用酶企業(yè)進行充分調研、與企業(yè)技術人員和銷售人員座談，以及查閱文獻等多種渠道，調查了解酶的研究、生產和應用中存在的問題，在此基礎上，緊密圍繞酶及酶工程研究、開發(fā)和應用過程中必需的基礎理論、實驗技術和操作技能，確定“酶工程”教學大綱和教學內容，并最終形成了相應的模塊體系。本課程包括理論教學與實驗教學兩部分，內容互相滲透，該模式突出了酶工程理論知識的前沿性，又強調了技術手段在實踐中的應用，對學生“知識、技能、素質”的全面發(fā)展起到積極的作用。

（1）突出前沿性：酶工程是新一代工業(yè)生物技術的核心，而酶產品在產業(yè)化過程中，存在眾多亟待解決的難題。隨著高通量測序和定向進化技術、結構生物學和計算生物學的發(fā)展，必須通過定向進化技術、半理性設計和理性設計等手段等技術手段進行酶的基因操作和分子改造，已是酶工程發(fā)展的必經之路。新技術、新工具的研究和開發(fā)已成為酶工程發(fā)展的前沿課題，在此基礎上定制高端酶制劑、酶分子機器及細胞工廠，開發(fā)新產品，實現生物質資源向高附加值生物基材料、化學品、生物能源等工業(yè)產品的轉化，已成為酶工程發(fā)展的必然趨勢。[2]因此作為本科高校的教室應該緊密跟蹤學科發(fā)展的前沿，并及時將該領域的最新進展更新到教學內容中。

（2）強調應用性：酶工程是一門與生產實踐密切聯系的應用學科，所涉及的產品和領域與人們的日常生活息息相關。酶工程是酶學研究成果與產業(yè)化之間的橋梁，也是生物產業(yè)化成功的重要領域之一。目前酶工程產業(yè)化最成功的領域是食品用酶和飼料用酶，醫(yī)藥中間體生產用酶在近幾年也成蓬勃發(fā)展之勢。因此在教學過程中對我國用量最大和用途最廣的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶和植酸酶等重要酶種類做重點講述，另外對于醫(yī)藥中間體生產和醫(yī)療診斷等領域使用的附加值較高的酶產品也進行詳細講解，特別關注新品種酶開發(fā)、產量提高、用酶新領域的拓寬等教學內容，向學生充分展現酶及酶工程在人類生活和生產中的具體應用和前景。

（3）體現工程特色：酶工程是酶學與工程科學融合的綜合性科學技術，因此本課程的先修課程包括生物化學、微生物學、微生物工程、基因工程，授課內容方面與生物化學、微生物工程、基因工程等很多學科相互交叉滲透，授課時應避免不必要的重復。因此，教材的選擇突出工程特色，選擇《酶制劑工藝學》作為主要教材，以及《生物催化劑與酶工程》、《工業(yè)生物轉化過程》和《工業(yè)酶：制備和應用》的國外教材中譯本作為輔助教材。針對工業(yè)催化應用中對酶的要求講述酶的基礎知識、工業(yè)酶生產菌種及其遺傳改良和微生物發(fā)酵產酶等內容，結合量酶工程產業(yè)化實例重點介紹酶的工業(yè)提取與精制、酶與細胞固定化、酶有機相催化、酶的化學修飾及酶工程反應器等具有工程特色的內容。實驗內容包括酶的分段鹽析及透析、酶工業(yè)純化效果評價、酶的固定化和固定化酶應用等酶工程基本技術。

2 教學方法與手段

（1）重視緒論教學：講授好第一章緒論部分的內容是吸引學生學習本課程注意力、激發(fā)學生學習興趣和動力的關鍵所在。[3]同時通過酶生產企業(yè)、應用領域和市場前景的介紹，激發(fā)了學生對該學科的學習興趣，滲透專業(yè)思想教育。通過緒論教學，著重強調酶工程是一門與生物化學、微生物學、發(fā)酵工程和基因工程等其它學科領域有密切聯系的課程，學習這門課不僅可以將過去學習的零散知識系統化，又可使理論知識得以與生產實踐密切結合。

（2）案例教學：案例可以是具體的科研課題或者是生產實踐中出現的具體問題，使教學內容跟上學科的時代發(fā)展。[4]作為一種互動式的教學，教師提出問題（如：如何利用酶工程手段提高酶在應用過程中的熱穩(wěn)定性、如何通過技術手段多環(huán)節(jié)降低用酶成本），適時啟發(fā)并引導學生運用基礎理論分析并解決實際問題，培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力，將傳授知識從單向的灌輸轉為雙向的交流，使學生變由被動聽講轉為主動參與，深化理解知識點，有利于提高教學效果，促進學生各項綜合能力的培養(yǎng)。同時，這種方法對教師本身也具有促進作用，教師不僅要熟讀教材，而且要查閱最新文獻，追蹤該領域的發(fā)展動態(tài)，同時結合科研和生產實際，舉出新的實例。因此，案例教學法可以更好的實現“以科研促進教學，以教學帶動科研”的雙贏效果。[5]

（3）啟發(fā)式教學：采用啟發(fā)式教學，調動學生的學習主動性和積極性，實現教師主導作用與學生積極性相結合。例如酶和細胞固定化部分，讓學生設想能不能以固定化細胞的方式代替現有的游離細胞方式來生產維生素C？是否可以采用固定化酶或者游離酶催化形式？列出酶催化甾體羥基化反應式后，讓學生推測利用該反應進行細胞催化時如何控制生產條件才能提高底物的轉化效率，采用固定化細胞進行甾體羥基化催化是否具有可行性？進而引入理論知識的講解。

（4）多媒體演示：講授酶的大規(guī)模發(fā)酵、純化以及酶反應器部分內容時，將作者在酶工程企業(yè)現場拍攝的照片或視頻以及互聯網上精選的多媒體資料，向學生展示相關生產設備的實物圖片和結構圖。由于作者本人有在企業(yè)使用這些設備的經驗，因此可以較為詳細的講授其流程、原理和操作技術，收到了良好的教學效果。

3 課程的改進方向

通過課堂設計和教學方法方面的探索和應用，收到了良好的教學效果。在以后的課堂教學和實驗教學中，需要以核心課程評估體系為依據，進一步加大實驗材料和設備的投入力度，進一步優(yōu)化教學內容，開設更貼近生產實踐的工程類試驗，更具實用性。同時繼續(xù)加大教學方法的改進力度，充分利用各種手段特別是現代教育技術增強教學效果。創(chuàng)造機會讓學生參與酶工程企業(yè)進行參觀實習。讓學生更多的參與實驗的方案設計，多進行綜合性、研究性的實驗，[6]激發(fā)學生的學習熱情和積極性，培養(yǎng)學生的問題意識，提高學生的實踐能力和分析、解決問題的能力。

參考文獻

[1] 國務院.“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃. 2016年.

[2] 魏東芝.定制酶分子機器/細胞工廠，引領生物制造產業(yè)未來[C].中國酶工程學術研討會，2017.

[3] 孔維寶，楊紅，曾家豫，牛世全.生物技術本科專業(yè)“酶工程”課程的教學實踐與思考[J].生物學雜志，2015.32（05）：101-103，100.

[4] 吳士筠，魏艷芬，樂薇.生物工程專業(yè)酶工程技術實驗教學模式改革探索與實踐[J].科教導刊（上旬刊），2014（03）：122-123.

[5] 周海巖，王亞軍，牛坤，賈東旭，王遠山，鄭裕國.“酶工程”課程教學改革的探索與實踐[J].高校生物學教學研究（電子版），2016.6（03）：40-43.

[6] 周香艷，張寧，王翠玲，王旺田，吳兵，司懷軍.酶工程課程教學改革與實踐[J].生物學雜志：1-4