基于產學研創融合的《生物工程綜合實驗》全鏈條教學改革與實踐

王玉玨 王偉宸 宋哲 丁亞駿 戴桂馥

摘 要：為增強學生對生物工程技術體系構架的全面理解和認識，基于產學研創融合理念，以教學團隊科技轉化成果為基礎開設《生物工程綜合實驗》課程，實現生物工程的全鏈條實戰訓練。通過開展半開放性實驗，采用課上—課下相結合以及多模塊交叉并行等教學模式，強化學生主體地位，激發學生科研興趣。課程改革完善了生物工程實驗教學體系，凸顯了學科特色與優勢。

關鍵詞：生物工程;綜合實驗;教學改革;全鏈條工藝過程

生物工程是以分子生物學、微生物學、生物化學和化工原理的理論和技術為基礎，通過操縱遺傳物質，定向地改造生物或其功能，并通過合適的生物反應器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規模培養，以生產大量有用代謝產物或發揮它們獨特生理功能的一種新興產業技術[1]。我國生物工程行業規模不斷擴大，人才需求量極大。為了更好地適應新形勢下的機遇和挑戰，此行業對生物工程專業學生的培養目標提出了更高的要求。因此，如何才能夠培養出高素質創新性應用型生物工程人才，是值得我們深入思考并亟待解決的教育問題[2]。

一、生物工程綜合實驗教學改革背景

生物工程作為一個應用型學科，其專業課程實驗教學是培養工程化人才的重要途徑。近年來，國家對高校投入不斷加大，實驗室的硬件設施顯著改善，各高校結合自身的辦學優勢與特色，實驗（實踐）類課程均有所增加[3]。鄭州大學生物工程專業始建于2008年，大部分專業基礎課和專業課都開設了相應的實驗課程，同時在第三學年下學期還開設了《生物工程綜合實驗》課程。與國內生物工程專業學科排名靠前的院校相比，我?！渡锕こ叹C合實驗課程》課時明顯不足，且仍以驗證性或演示性的實驗為主，在系統性、整體性、開放性和創新性方面尚有提升空間。因此，我們從教學內容、教學模式和考評方式等方面對《生物工程綜合實驗》課程進行深入改革。

二、基于產學研融合理念設置生物工程綜合實驗全鏈條教學內容

乳酸是目前世界上公認的三大有機酸之一。隨著白色污染日益嚴重，可生物降解的聚乳酸產品作為有可能取代傳統塑料的新型聚合材料也越來越受到人們的關注。為推動生物可降解塑料的快速普及，降低聚乳酸的生產成本，選育乳酸高產株，提高乳酸的光學純度和產量已成為當今有機酸工業研究的重點[4]。早在2005年，本教學團隊已與金丹乳酸科技有限公司合作開展聯合攻關。目前，該企業由原來年產DL-乳酸2～3萬噸增至年產L-乳酸十余萬噸。隨后，在河南省重大公益科研招標項目的支持下，科研團隊開發了玉米秸稈生產L-乳酸的全套技術（相關專利技術已轉化），為本課程“產學研”融合實踐教學提供了基礎。

典型的生物工程工藝過程涉及種子制備—培養基配制—滅菌—生物反應器培養（參數檢測）—發酵液預處理—產物分離提取—產品質量檢測等諸多單元操作，生產周期長[5]?；诋a學研創融合的教學理念，結合本教學團隊在L-乳酸菌種和技術上的優勢與特色，本課程選取發酵周期短、易于獲取的初級代謝產物L-乳酸作為研究對象。以L-乳酸生產菌株芽孢桿菌W1作為出發菌株，以L-乳酸的生產為主線，結合菌種改造、培養基優化、生產放大、分離純化和產物測定等生產工藝，設置“芽孢桿菌W1理性選育與基因工程改造方案設計”“芽孢桿菌W1發酵產L-乳酸培養基配方優化”“利用小型臺式原位玻璃發酵罐制備L-乳酸研究”“鈣鹽法提取L-乳酸研究”和“發酵產物檢測分析”等五個環環相扣的實驗教學模塊。通過科研與實驗教學相結合，使學生在學習與探索中獲得初步提純的乳酸產品，實現生物工程工藝過程全鏈條教學。

三、生物工程綜合實驗教學內容改革

針對原有課程存在的：（1）未實現工藝過程的全覆蓋，各實驗單元相對獨立，不利于學生形成系統、完整的技術體系;（2）內容的先進性、創新性、開放度不足，難以適應生物工程領域的高速發展，不能契合經濟發展對人才培養的需求等問題，教學團隊對課程內容進行了一系列改革。原有課程與改革后課程實驗內容對比見下表。

首先，為提高學生的創新實踐能力，培養科研興趣，強化微生物學、分子生物學、基因工程等基礎理論知識，增加“芽孢桿菌W1理性選育與基因工程改造方案設計”的菌種選育環節。其中，理性選育環節采用紫外線誘變結合透明圈篩選高產菌株;基因工程改造方案設計環節要求學生通過文獻調研，課程結束后一周內提交方案。方案審核通過后允許學生進入任課教師課題組延展為畢業設計，研究成果可進一步應用于后續教學內容改革，實現教學科研深入交叉融合。

其次，為了充分調動學生的主觀能動性，激發其科研興趣，提升自主設計與科研能力，將模塊二的單輪次正交試驗改為利用專業軟件的立體式培養基優化實驗，改革后的實驗模塊將涉及Plackett-Burman（PB）設計、最陡爬坡設計、響應面設計三種優化方法，且PB優化結果是最陡爬坡實驗設計的基礎，爬坡優化的結果又是響應面優化的基礎，環環相扣。結合半開放式的教學模式改革，培養學生的思考能力，提高學生的參與度，使學生切身體會到科學實驗的魅力。

再次，為了強化學生的工程思維和對生物工程工藝過程的完整認識，改變原發酵與提取精制的分段式教學，并將原本的發酵罐演示實驗改為學生操作實驗，發酵結束后的發酵液將直接作為模塊四的原料進行L-乳酸的分離純化。貫通搖瓶制種→培養基配制→生物反應器實消→接種→自控發酵→在線離線自控檢測→發酵液預處理→乳酸鈣結晶→乳酸解析→工藝評估與質量檢測的工藝全過程，使操作單元聯系更緊密，較為真實地還原工業生產環節。

最后，鑒于大型分析儀器已在工業生產中廣泛使用，為開拓學生視野，提升其與企業生產實踐接軌的能力，改變原來缺少大型專業設備使用經歷的教學，增加高效液相色譜-質譜聯用（HPLC-MS）等設備的教學與使用，用于模塊四中純化后L-乳酸產品的質量檢測。

此外，教材是學生學習知識的重要窗口，然而該課程往年主要通過演示示范的形式講授，缺乏系統規范的紙質教材，所采用實驗教案內容也較為陳舊，不利于學生對綜合實驗整體的把握及理解。教學團隊依據自身科研經歷，結合本課程特色及研究前沿，編寫了與學科內容相適應的實驗教材（指南），便于學生了解實驗總體流程及關鍵點，實現教材育人的目的。

四、生物工程綜合實驗教學模式改革與實踐

針對原有以教師為主導的“演示與驗證”教學模式中存在的學生參與度低、主觀能動性差，以及創新意識得不到有效培養等問題[6]，從以下五個方面進行改革。

（一）交叉式實驗安排有效利用零散時間

該課程安排在大三下學期結束前，規定學時為8天，課時有限，而生物工程各模塊實驗連續性強，培養基配制、滅菌和微生物生長等過程耗時較長。盡管已經選擇了生長周期短、產品易得的芽孢桿菌作為研究材料，但在增加教學內容的情況下從模塊一到模塊四的順序開展仍需至少112學時（見上表）。為了在有限時間內使學生完成從原料到產品的整個工藝過程實訓，我們利用微生物生長及發酵的間隙使多個實驗模塊交叉并行，充分合理利用時間。例如，模塊二“芽孢桿菌W1發酵產L-乳酸培養基配方優化”涉及了PB設計、最陡爬坡實驗和響應面設計共3種培養基配方優化方法，實驗總耗時長達64學時，貫穿綜合實驗始末。同樣，模塊五作為技術支撐也始終貫穿整個實驗。然而除了培養基設計與配制和發酵樣品檢測操作外，大多時間都在等待菌體生長或發酵產物合成，故在模塊二操作間隙可交叉安排開展菌株選育、發酵罐空消等實驗，使實驗內容更加緊湊。

（二）課上—課下結合半開放式教學

將模塊二的配方優化環節設置為開放性實驗，學生需提前安裝并學習應用軟件Minitab17，在初始培養基的基礎上自行設計優化方案，完成PB設計—最陡爬坡設計—響應面設計，并與老師討論后再開展實驗。課上—課下結合的半開放式教學模式提高了學生的參與度和主觀能動性，培養了其科研興趣及分析和解決問題的能力，有效提升學生的科研水平。另外，為有效實現科研反哺教學，提高教學內容的創新性，將模塊一設置成創新延展性實驗，要求學生查閱文獻設計“基因工程育種”方案，構建利用木質纖維素水解糖（己糖和戊糖）生產L-乳酸的工程菌。教師審核后遴選創新性開放設計中表現優異的學生加入科研團隊，利用先進的科研平臺進一步開展探索性實驗，并納入學校畢業設計管理中，經費由授課教師團隊負責支持。

（三）合理設置分組

生物工程綜合實驗內容多課時短，故常設置實驗小組，以組為單元開展實驗。往年，40人的教學班被分為3個大組，因每組學生過多經常出現“一人操作，多人圍觀”的現象。為此，我們調整分組，控制每組學生數。以2018級為例，生物工程專業分為兩個教學班，平均每班26位同學，課前組織學生自由結合分為4組，平均每組6～7人，與以往每組13人相比，使每個學生都有充分的鍛煉和展示機會。其次，受時間限制，課程存在多個實驗模塊交叉并行的情況，各小組教學組長需充分發揮組織協調能力，合理安排各組員的實驗任務，使各實驗模塊均能有條不紊進行，培養學生的團結協作能力，達到所有學生都能獨當一面的目的。

（四）團隊教學

與原有的1～2名教師集中授課不同，本課程由科研經歷豐富的教授領銜，采用科研團隊（6～7人）集體授課的形式，師生比例大幅提高，切實提高教學質量，改善教學效果。經過數年積累，本課程已形成了一支教學和科研實力比較雄厚的師資團隊，其中大部分教師是來自科研團隊的骨干教師，他們同時擔任生物工程專業的理論課教學，能夠將理論與實踐有機融合，使學生在鞏固基礎知識的同時提高動手能力。

（五）多元化考評方式

原有實驗考核主要依據實驗報告，忽視教學過程中對學生的創新實踐能力、團隊協作精神等方面的考核?，F有考評方式增加對學生的實驗設計能力、實驗故障率以及作為團隊負責人的協作能力等方面的考核，使考評制度更加客觀、公正。加大實驗過程考核的比重，并將平時成績細化為“團隊協作能力”“實驗參與度（原始記錄）”及“創新能力（自行設計方案）”三個部分，報告成績則包括“報告撰寫”“展示答辯”和“感想與建議”三個部分。其中原始記錄務求真實清晰;自行設計方案力求詳盡可行;報告撰寫需遵從科研論文的寫作規范，做到布局合理、圖表清晰、結果可信及分析討論合理;實驗結果的展示答辯環節需做到語言凝練，邏輯清晰;課程的感想與建議則考察了學生是否真正融入整個教學過程，是否真正理解各實驗環節的設計，在課程進行中是否具有質疑與思考的習慣。

五、生物工程綜合實驗教學改革實施效果

此教學改革方案已在2017級和2018級生物工程專業本科生中實行，課堂上學生積極參與，實驗完成情況比較好;實驗報告撰寫規范，內容翔實，結果分析可靠;方案設計新穎可行。課程結束后，部分有能力、有想法的學生加入教學團隊課題組，開展大學生創新實驗或畢業設計，成為科研的生力軍。此外，同學們在發表感想與建議環節對半開放式的教學模式予以充分肯定，對課程安排也提出了許多寶貴意見，為以后教學內容及方式的改進提供參考。

結語

改革后的生物工程綜合實驗課程將團隊的科研成果與企業生產相結合，在有限的課時內，實現生物工程上中下游全鏈條實驗場景的系統性訓練，使學生親歷原料到產品的全過程，深入理解生物工程工藝，構建產學研相融合的實踐教學體系。將傳授理論知識為主的傳統教育模式轉變為理論知識與實踐能力相結合的人才培養模式，促進產學研的協同作用，使學生理解產業化思路，努力為社會培養更多的高素質復合型人才。

參考文獻：

[1]楊東升，羅先群，李小麗.生物工程實驗教學改革探討[J].廣州化工，2020（24）：193-195.

[2]王啟要，萬俊芬，白云鵬，李友元，張曉彥，葉蕊芳，莊英萍.基于工程教育專業認證理念的生物工程綜合實驗教學模式探索[J].化工高等教育，2020（6）：4.

[3]廖國建，何穎，謝建平.以達托霉素產生菌菌株改造為主線的微生物工程綜合實驗的探索和實踐[J].微生物學通報，2018（3）：4.

[4]Wang，Y.，Cao，W.，Luo，J.，Wan，Y.Exploring the potential of lactic acid production from lignocellulosic hydrolysates with various ratios of hexose versus pentose by Bacillus coagulans IPE22[J].Bioresource Technology，2018：342-349.

[5]劉紫英，冷桂華，呂美云，周秀玲，袁斌.生物工程綜合實驗的“珠鏈式”教學模式改革與創新[J].微生物學通報，2015（010）：2026-2032.

[6]趙晴瀟，鄭勝，魏群，張秀廷.“以學生為中心”構建生物工程綜合實驗[M].科技資訊，2020（30）：84-86.

基金項目：2021年鄭州大學教育教學改革研究與實踐項目——《生物工程綜合實驗》課程基于產學研創融合的應用場景全鏈條教學改革與實踐（編號：2021ZZUJGLX006）

作者簡介：王玉玨（1991— ），女，漢族，河南人，博士，講師，主要從事微生物發酵研究。