基于“全產業鏈”理念的《生物工程綜合大實驗》教學改革與實踐

尹業師 陳華海 李百元

【摘要】隨著科學技術的不斷創新發展和全球化趨勢的日益加強，我國經濟供給側結構性改革正在穩步推進，各行各業應用型本科人才需求隨之不斷增加。各高校，尤其是地方應用型本科院校，在加快新工科專業認證和促進卓越工程人才培養的大背景下，需要進一步改革和提高應用型創新人才培養質量。生物工程專業是一個直接對接產業發展的工科類專業，要求培養出能應用所學理論知識和技術方法解決生產實際問題的應用型、技術型人才。本文探討了基于“全產業鏈”理念的《生物工程綜合大實驗》教學改革，包括改革教學內容、教學體系、教學方式和考核方式等，并對其在生物工程專業本科生教學中的實踐經驗進行總結。

【關鍵詞】全產業鏈? 生物工程綜合大實驗? 教學改革? 經驗總結

【基金項目】湖南省普通高等學校教學改革研究項目的資助。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）47-0058-02

為了更好培養具有較強實踐創新能力和工程設計能力、能夠適應我國經濟快速發展需求的高質量應用型工程人才，教育部于2010年6月啟動了“卓越工程師教育培養計劃”。經過近10年的實踐，教育部于2018年10月再次推廣實施“六卓越一拔尖”2.0計劃，全面推進和加強“四新”（新工科、新醫科、新農科、新文科）建設。“卓越工程師教育培養計劃”的三大特點分別是：強化培養學生的工程能力和創新能力;學校按通用標準和行業標準培養工程人才;行業企業深度參與培養過程。其目標很明確，就是要加快推進應用型和技能型人才培養，以應對第四次工業革命需要。

生物產業與人類健康和衣食住行等密切相關，是一項戰略性新興產業，已進入新的發展階段。生物工程是生物產業的重要組成部分，是誕生于 20 世紀 90 年代的一門新興綜合性應用學科，是以分子生物學的理論和技術為基礎，結合工程、電子、機械和計算機等基礎學科而發展起來的交叉應用型學科[1]。生物工程專業以工科為主、以理科為輔、工科理科和管理學結合[2]。其教學目標是培養學生掌握生物學基本原理和基本技能，能在生物學或醫學相關領域從事產品開發、工程設計或生產管理的綜合性、應用型高素質工程技術人才。“工程”專業特點決定了所培養學生除了需要具有生物學背景外，更需要具有良好的工程素質、實踐能力和工程應用能力。

當前，大多數高校在“重理論輕實踐”等傳統教學理念的影響下，對實驗教學的重視程度還有待進一步加強。就理工科學生而言，實驗教學具有非常重要的意義。實驗教學是培養學生創新意識和實踐能力的重要環節之一。實驗教學質量的好壞直接決定了人才培養質量的高低[3-5]。實驗教學不僅有利于學生將所學基本理論應用于實踐，而且還可以提高其實驗技能和有助于鞏固其理論知識;同時，通過設計開設一些綜合性和設計性實驗，有利于培養學生專業興趣和提高學生綜合分析問題和解決問題的能力，將為學生畢業后就業與對接企業需求奠定堅實的基礎。所以，實驗教學在全面推進新工科建設的大背景下將發揮更加重要的作用。然而當前生物工程專業相關實驗教學過程中還存在著驗證性實驗所占比重較大;實用和前沿技術涉及比例較少;實驗項目缺乏頂層設計，很難體現出系統性和連貫性;理論與實踐結合不緊密等問題[6]。因此，為了更好地提高學生創新意識和增強學生參與實驗課的積極性，生物工程實驗教學改革已迫在眉睫。

全產業鏈是中糧集團提出的一種新的企業發展模式，包括產品生產、運輸和銷售甚至銷后的每一個環節。全產業鏈是為了達到同一個目標而有意設計的多環節、多品類、多功能有機結合、整體運作的組織;具有系統性和能往下游延伸、附加值高、上下游資源配置平衡、創新貫穿始終等特點。如今全產業鏈理念已經滲透和潛移默化融合入各行各業。生物工程專業講授的核心內容包括基因工程、蛋白質工程、發酵工程、酶工程和細胞工程五大模塊。這五大模塊之間既可獨成一體，也在產業發展中表現為上下游關系，且各模塊之間存在著交叉重疊，很適合使用“全產業鏈”理念指導開展實驗和實踐教學。

習近平總書記在視察北京大學時發表重要講話，要求各高校扎根中國大地辦大學，辦好中國的世界一流大學。這成為中國高校進一步落實立德樹人根本任務、培育和踐行社會主義核心價值觀和沿著正確方向更快更好發展的標志性新起點。湖南科技學院作為地方本科院校，更應立足實際，結合自身特點，明確辦學目標，辦出特色、辦出水平，培養更多的特色人才。同時，地方本科院校承載著為地方經濟發展培養應用型人才的重任。地方本科院校更應在新的發展形勢下，順應時代潮流，回歸高等教育本質，培養出社會發展需要的高級應用型人才，從而提高其自身核心競爭力，更好地為地方經濟發展服務。

為了達到生物工程專業應用型、復合型人才培養目標，更好地對接產業服務地方。針對當前生物工程專業實驗課程體系存在的一些問題，在“全產業鏈理念”的指導下，學校嘗試在生物工程專業大三學生新開設了《生物工程綜合大實驗》，并對其教學內容進行了精密謀劃和設計。1.優化“生物工程綜合實驗”教學內容：以培養高水平應用型工科人才為目標，以生物工程產品小試和中試為主線，結合最新科研成果產業化轉化，編寫和制定教學改革大綱。根據團隊前期已獲得授權中國發明專利的產業化轉化項目，擬定了3個綜合大實驗：SFB鞭毛蛋白的體外表達純化與免疫增強劑研發;微生物褐藻膠膜表面發酵制備與生物肥料和飼料添加劑研發;S-雌馬酚的發酵制備與護膚品研發。同時根據生物學研究前沿和學生興趣愛好，選擇性地開設了細菌與宿主細胞相互作用實驗，并將生物工程五大模塊融入到各個綜合大實驗中。2.構建開放式實驗教學體系：將科研團隊儀器設備和學院大型共享儀器設備充分應用到教學過程中，讓學生了解最新前沿研究進展和儀器設備，鼓勵學生開展自主設計實驗，培養學生實驗設計、項目申報、活動策劃和科技寫作能力。3.開展校企合作：項目組成員與地方企業有良好的合作關系，通過與當地企業對接，帶領學生到生產企業見習和參觀，加深對“全產業鏈”認識，提高“全產業鏈”創新意識。通過錄制企業流水線生產過程和模式，了解企業實際生產過程中經常碰到的技術難題，引導學生有針對性地加強學習和訓練。4.改革教學方式：將真實生產環節融入到教學，根據企業經常碰到的技術瓶頸，模擬企業需求，集中時間和精力開展技術攻關和產品研發，爭取在2-3周內完成產品研發和小試中試生產全過程。同時，邀請科研團隊成員和企業技術研發骨干參與實驗指導，解決平時老師上課時間精力有限、指導不到位、不充分等問題。 5.改革考核方式：不僅考查平時出勤和實驗操作情況，更注重考核學生的創新思維能力、工程設計能力和解決實際問題能力。模擬企業生產需求和可能碰到的研發問題擬定考試題目，重點提高學生的理論水平及應用已掌握的技術方法解決實際問題能力。

以“SFB鞭毛蛋白的體外表達純化與免疫增強劑研發”為例，對實驗教學內容進行模塊化和程序化設計。同時充分考慮在全產業鏈生產過程中的連貫性。在全產業鏈上游，首先設計引物使用PCR方法從細菌基因組DNA中擴增SFB鞭毛蛋白基因，然后采用基因克隆方法構建可以表達SFB鞭毛蛋白的原核表達載體，采用克隆測序方法篩選含有陽性質粒的宿主菌株。在此過程中將基因工程相關的基因組DNA提取、PCR擴增、凝膠電泳、DNA純化與回收、DNA雙酶切與連接、外源DNA轉化、陽性克隆篩選、質粒提取與測序等技術和方法進行講解與復習。在全產業鏈中游，以1L發酵罐為例，講解發酵罐結構和構件，學習發酵罐運行和操作方法。并對發酵條件優化和發酵工藝改進進行重點講解。同時列舉講解如何解決企業生產過程中經常會碰到的一些問題，并重點強調發酵注意事項（如何防止菌種污染、如何進行種子復壯、如何節省成本和如何提高產量等）。因為產品檢測和質量標準控制是企業生產過程中必不可少的環節之一，因此在課程設計時也補充添加了檢測技術模塊。針對蛋白質表達的檢測，講解了聚丙烯酰胺凝膠電泳、蛋白質免疫印跡和酶聯免疫吸附實驗等。在其它以代謝或轉化產物為產品的實驗中，重點講解高效液相色譜等檢測方法。如使用高效液相色譜法檢測發酵液中S-雌馬酚含量等。在全產業鏈下游，重點講解蛋白質純化方法（如His標簽蛋白柱純化方法和AKATA蛋白純化儀純化方法）和產品開發工藝與產品展現形式（如蛋白緩沖保護液的制備和液態蛋白質產品的研制、蛋白質冷凍干燥和固態蛋白質產品的研制等）。考慮到生物工程專業是一個應用性很強的專業，其研發的產品與生產實際緊密相連。實驗過程中也進行了產品效果檢測與評價的延伸。如采用細胞實驗和動物實驗等檢測研發的SFB鞭毛蛋白產品的免疫調節功能等。

通過近2年的實踐，學生對《生物工程綜合大實驗》實驗課的興趣明顯增強，學生的實際動手能力和實驗技術明顯提升，學生全產業鏈思想意識明顯加強。但在教學改革過程中也碰到了一些問題：如學生人數較多，企業參觀與接待在落實過程中存在一些困難;集中2-3周進行綜合大實驗存在與其它課程或其它學習任務相沖突等矛盾。因此，還有待進一步進行優化和改革。

參考文獻：

[1]張守濤，方惠敏，黃進勇.生物工程專業創新人才培養方案的改革與實踐[J].《教師》，2012（5）：102-104.

[2]潘勛，周海夢.生物工程專業的辦學現狀與建議[J].高等工程教育研究，2003（2）：27-29.

[3]國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組，國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）[M].北京人民出版社，2010.

[4]李永久.談基于建構主義理論的高校實驗教學[J].中國成人教育，2010（17）：140-141.

[5]周文富.地方高校實驗教學模式改革與創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2009（7）：97-102.

[6]沙莉，孫淑靜.立足專業定位，改革生物工程綜合實驗課程[J].高校生物學教學研究（電子版），2017（2）：52-55.