新工科背景下酶工程課程的研究性教學探索

摘?要：作為生物技術的重要組成部分，酶工程注重理論聯系實踐，傳統的教學模式限制教學質量提升和人才培養。在新工科背景下，以培養學生的實踐能力和工程創新能力為目標，構建酶工程研究性教學體系，將科研創新思維和實踐研究融入酶工程教學過程，對酶工程教學內容、教學方法和考核方式等方面進行改革，激發了學生主動學習和探索實踐的熱情，提高了學生的科研素養，取得了理想的教學效果，為培養新工科背景下的高素質創新型人才奠定基礎。

關鍵詞：新工科；酶工程；研究性教學；教學改革

Researchbased?Teaching?and?Learning?of?Enzymes?Engineering

in?the?Context?of?New?Engineering

Chen?Zhen

College?of?Life?Science，Xinyang?Normal?University?HenanXinyang?464000

Abstract：As?an?important?part?of?biotechnology，enzymes?engineering?focus?on?the?integration?of?theory?and?practice.The?traditional?teaching?model?of?enzymes?engineering?is?not?conducive?to?improve?the?quality?of?school?teaching?and?personnel?training.In?order?to?cultivate?students?practice?competence?and?engineering?innovation?ability?under?the?new?engineering?environment，this?paper?explored?the?construction?of?researchbased?teaching?and?learning?system?of?enzymes?engineering.The?new?teaching?system?integrated?the?innovative?thinking?of?scientific?research?and?practical?work?into?the?teaching?of?enzymes?engineering.The?teaching?content，teaching?methods?and?the?assessment?strategies?were?reformed.As?a?result，it?stimulated?students?active?learning?and?aroused?their?interest?in?exploration?and?practice.The?researchbased?teaching?and?learning?of?enzymes?engineering?achieved?good?teaching?effects，which?laid?the?foundation?for?cultivating?highquality?innovative?talents?under?the?new?engineering?environment.

Keywords：New?engineering；Enzyme?engineering；Researchbased

teaching；Education?reform

1?新工科背景下我國酶工程發展面臨的問題與挑戰

2017年，教育部先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，積極推進全國高校新工科建設，加快培養新興領域工程科技人才，改造升級傳統工科專業，助力高等教育強國建設，以應對新一輪科技革命與產業變革。新工科建設是教育強國建設的引領力量，是培養面向未來的卓越工程創新人才，而其核心點就是提高人才培養能力。在新工科背景下，高校教與學的行為需要改變，高校人才培養方案需要改變，高校的評價體系與資源配置方式也要改變。

隨著“生物時代”的到來，酶工程日益體現其重要的價值，為人類生活及工業科技的發展引出了一條更加綠色、更加有效的道路。目前，各國政府、科研單位與企業界已經認識到酶工程研發和應用對于節能、環保、健康與能源可持續發展的戰略意義，紛紛積極投入酶工程研發的攻堅戰中。由于我國酶工程產業起步較晚，因此與部分國家相比，仍然存在一定的差距。尤其是酶工程研發人員的相對匱乏，以及缺乏具有知識產權的核心技術。要實現酶工程跨越式的發展，首先要重視從事酶工程研發人才的培養，誰擁有人才優勢，誰就擁有競爭優勢。而人才來自于教育，尤其是高等教育，高等教育一定要注重酶工程人才的培養。然而高校傳統的酶工程教育以課堂教學為主體，缺失實驗課程教學或內容陳舊且實踐流于形式，難以培養出具有工程能力的創新實踐人才。因此只有通過教學改革，加強學生創新能力培養，實行“人才+項目”的培養模式，教學依托科研項目，通過研究性教學在創新實踐中集聚和培養一流人才，提高人才素質，實現新工科人才培養目標，發揮人才作用，使科學研究真正服務于生產力，那么做強酶工程產業也并非難事。

2?酶工程課程開設基本情況

作為現代生物技術重要組成部分，也是生物工程的重要分支，酶工程已越來越受到重視，它是一門理論性及應用性很強的學科，包括酶學基礎研究和工程應用兩大部分，是從應用的目的出發，研究酶、應用酶的特異性催化功能，并通過工程化將相應原料轉化成有用物質的技術，目前已發展成為一門酶學、微生物學和化學工程有機結合的新技術學科，在工業、農業、醫藥及環保等各方面發揮著重要作用。作為生物技術專業的必修課程，本課程開設于生物技術專業第5學期，每周2學時，共36學時。當前酶工程教學仍然延續傳統工科教學模式，主要由課堂理論知識講解、課后日常作業和期末卷面考核三個部分組成。由于酶工程基礎知識點較多，傳統酶工程教學受制于課時，教師講解一帶而過，學生聽課一知半解，討論互動環節無法有效開展。更為重要的是，學生難以消化課本上的知識點，無法將知識點轉化為實踐，缺乏進一步的創新性拓展與探索，難以培養學生的工程實踐能力并滿足新工科建設的要求。如何有效解決課時少與教學內容繁雜的矛盾，提高學生對課程知識體系的駕馭能力和綜合應用能力，激發學生學習興趣及創新性研究的潛能，成為擺在酶工程授課教師面前的最大難題。這些問題為構建酶工程課程研究性教學體系提供了良好契機。為激發學生學習興趣，著重加深理論如何應用于實踐的學習，滿足學生獨立探索的需求，培養學生的自主實驗與研究能力，注重學科前沿知識探索和實踐工程應用，筆者對2018級生物技術共40名學生開展酶工程研究性教學。

3?酶工程研究性教學模式

3.1?教學內容

酶工程是指利用酶、微生物細胞、動植物細胞或其細胞器所具有的生物催化功能，借助于工程手段將相應的原料最大化轉化為有用物質并應用于社會生活的一門科學技術。因此酶工程教學主要包括基礎酶學和實踐酶學兩部分，酶工程傳統教學內容主要包括基礎酶學、酶的生產、酶的分離純化、酶的固定化、酶的分子修飾、酶的定向進化及酶的應用等章節。基于新工科背景和酶工程傳統教學內容，從酶工程的科研特色切入，結合筆者的研究方向和科研課題，選取“γ谷氨酰甲胺合成酶的生產、改造及應用”這一主題作為構建研究性教學體系的核心內容（見下表）。

不同于傳統教學的課堂教學模式，研究性教學設計為“討論—實踐—結題”模式。由于第一章緒論部分主要介紹酶的基礎知識及酶與生活的關系，知識點較多且分散，且大部分知識點在生物化學課程中已講解過，因此本章節內容設計為討論學習，讓學生自由討論酶與生活的關系和酶對社會的貢獻，加深對酶制劑的理解以及對酶工程學習的興趣。實踐酶學部分主要對酶的生產、分離純化、固定化、修飾、定向進化和應用進行講解，更加注重實踐能力的培養，因此這部分內容均設計為課題實踐和專題匯報兩種形式，將酶的生產和酶的分離純化合并為課題實踐一“γ谷氨酰甲胺合成酶的異源表達與純化”，將酶的分子修飾設計為課題實踐二“γ谷氨酰甲胺合成酶的分子動力學模擬及改造”，將酶的應用設計為課題實踐三“利用γ谷氨酰甲胺合成酶催化合成L茶氨酸”，鼓勵學生圍繞γ谷氨酰甲胺合成酶這一特定主題，通過文獻調研及綜述，對γ谷氨酰甲胺合成酶的生產、改造及應用自主開展相關探索性研究，從文獻調研、實驗方案設計、實驗操作、數據處理和結果分析總結等多個過程，來提升學生的創新思維和動手實踐能力。此外，將酶的固定化和酶的定向進化設計為專題講座，讓學生對酶的固定化技術和酶的定向進化技術進行文獻調研和匯報。最后，將傳統教學的期末考試設計為學生成果展示和匯報，優化考核方式。

3.2?教學方法

3.2.1?自由討論模式

教師引導學生對酶與生活的關系這一主題進行自由討論，學生暢所欲言，分享自己的觀點，教師答疑解惑，在討論的過程中培養學生發現問題的能力，并加深學生對酶制劑的理解以及激發學生對酶工程學習的興趣。

3.2.2?課題實踐教學模式

依托筆者所獲批的國家級和省級科研課題及實驗室平臺，讓學生加入“茶氨酸的酶法轉化”研究性課題中，開展相關研究性教學實踐，將40名學生分成5組，每組8人，跟隨酶工程課堂教學進度，先后完成“γ谷氨酰甲胺合成酶的異源表達與分離純化”“γ谷氨酰甲胺合成酶的分子動力學模擬及改造”及“利用γ谷氨酰甲胺合成酶催化合成茶氨酸”三個研究性課題，并以研究總結報告的形式對成果進行展示，鍛煉學生的實驗設計和動手能力，加深學生對酶的發酵生產與分離純化、酶的修飾和改造及酶反應過程的設計等知識的印象，在實際研究中掌握所學的理論知識，并通過總結實驗過程中的經驗和失敗教訓，提高學生團隊合作意識和創新實踐能力。

3.2.3?專題匯報模式

根據教學大綱要求，設計2個研究性主題：“酶的固定化技術研究進展”和“酶分子定向進化的最新研究進展及應用”，將學生分成10組，每組4人，以團隊合作方式自主學習調研相關的文獻，并對文獻進行總結綜述，最后通過PPT分享各自調研的成果，并提出自己的見解，最后由教師評價總結，以此拓展學生的科學視野，提高學生自主學習能力、問題總結能力及表達能力。

3.3?考核方式

以往傳統教學的課程總評成績主要包括平時成績（30%）和期末考試成績（70%）兩部分。改革后更加注重對學生創新思維和動手實踐能力的評價，重視教學過程性、導向性和實效性，將傳統教學的期末考試改革為學生成果展示與匯報，成果展示可以海報或者結題報告等方式進行，匯報主要以PPT形式進行，最終成績采用多樣化的考核方式（平時表現、專題報告、成果展示），將學生組內外互評（50%）與教師評價（50%）相結合，更加偏重對學生實驗設計能力、動手能力、結果總結分析能力和表達能力的考查。

4?酶工程教學改革成效

酶工程研究性教學的開展，提高了學生對酶工程學習的興趣，加深了學生對酶工程知識框架和具體細節的認知，學生成績和滿意度較往年均得到較大提高，說明酶工程研究性教學可提高學生對知識的掌握程度，提高教學效果，并得到學生的充分認可。而且，在酶工程研究性教學期間，部分學生借助實踐課題和專題講座的訓練及完成，取得了不錯的科研成果，完成大學生科研基金項目2項，申請國家發明專利2項，發表綜述及研究性論文各1篇，大大提高了學生的科研興趣及能力。此外，由于學生在酶工程課程教學中的研究訓練，較早進入了實驗室，并明確了自己的本科論文研究方向，較早順利完成畢業論文，且畢業論文質量較高，得到本科畢業論文導師的普遍好評，學生的考研方向也更加明確，學生考研積極性和成功率較往年均有所提高。總之，酶工程研究性教學的開展，提高了學生對酶工程的學習興趣和效果，并培養了學生的實踐能力和科研精神，創新創業項目、學術競賽、論文發表數、參畢業論文質量和考研錄取率均得到提升。

5?結語與展望

在新工科建設的背景下，作為應用型學科，酶工程更注重學生創新實踐能力的培養，以期培養具有國際競爭力的新時代人才，并為社會的綠色可持續發展做出貢獻。筆者以培養學生的實踐能力和工程創新能力為目標，嘗試對酶工程進行教學改革，構建了酶工程研究性教學體系，并取得了較好的教學效果，除了完成既定的學習目標，還提高了學生的科研素養，為培養創新型科研人才奠定基礎。研究性教學對教師的學識和科研能力等方面提出更高的要求，除了要求教師具有淵博的學識，還要具備較強的科研基礎和能力，且有一定的科研項目支撐。此外，研究性教學的開展應該得到學校的大力支持，配置多種用于學生探究性實驗的配套儀器裝置并提供相應經費，滿足教師及學生科研項目實施的需求。今后，還可進一步將研究性教學擴展到企業中去，以尋求校企合作，不斷深化產學研合作和產教融合，也可通過研究性教學平臺，鼓勵學生參加國內外各項學術比賽，以賽促學，以賽促教，提升人才培養質量。總之，本課程的改革思路和舉措可為生物技術及相關課程的建設及改革提供參考。

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基金項目：國家自然科學基金（編號：22208276）；河南省高等學校重點科研項目計劃（編號：23A416003）

作者簡介：陳震（1990—?），男，江西撫州人，博士，信陽師范學院生命科學學院講師，主要從事微生物發酵與酶工程研究。