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酶工程教学改革的探索(共3744字)酶工程教学改革的探索 【摘要】根据“新工科”的发展纲要，对酶工程课程的改革进行探索。以培养学生工程应用能力为重点，进行课程内容设置和教学方法改革，并对其效果进行分析。【关键词】“新工科”；酶工程；改革1引言近年来，针对我国制造业升级换代，以及国际科技竞争的新形势，教育部于2017年提出了“新工科”建设的工程教育改革、发展新方向，并先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等改革纲要1。生物工程是生命科学中工程应用性最强的专业之一，也是与医学、化工、微电子学等领域深入交叉的学科2-3。因此，如何在现有课程体系下推进“新工科”的教育改革，进一步提升学生的创新能力和工程素养，已经成为新时期专业教师的重要课题。酶工程是生物工程课程体系中重要的理论和实践课程，是引导学生将生物化学、微生物学、分子生物学等学科的基础理论知识转化为工程实践的重要环节4-5。然而，目前生物工程专业的大多数本科生在毕业后对酶分子的结构设计、生产工艺和产业应用缺乏系统的认识。在走上工作岗位后经常暴露出创新能力不足，无法根据实际的市场和生产需求进行工艺改良设计的问题。为此，改革酶工程的教学模式，使之满足“新工科”建设的人才培养目标是提升教学质量的关键。本文总结了笔者在酶工程课程“新工科”改革中的探索经验，探讨了教学方法革新对于培养学生创新能力和工程思维的效果。2课程内容的设置与优化酶工程是生物化学、分子生物学、微生物等基础学科在工程领域中的实际应用，它关注和解决生物化工、生物制药、环境保护、医学诊断、食品加工等领域的工程技术难题。以上研究任务决定了其教学内容的安排。目前，酶工程本科教学内容主要包括：酶学基础、酶的发酵生产和分离纯化、生物酶工程、化学酶工程、酶传感器等章节。上述教学内容安排已无法体现酶工程的最新研究进展，例如：纳米酶、核酶和抗体酶的应用。此外，已有内容更偏重于理论学习，对酶的产业应用关注较少，因此很难有效培养学生的工程创新能力，无法满足“新工科”的建设目标。针对上述问题，笔者将酶工程的最新进展和工程应用案例作为教学内容改革的重点，根据各章节的教学特点和逻辑关系，将授课内容重新划分成七个模块：酶学基础、酶的分子设计、酶的生产与制备、核酶、纳米酶、抗体酶和酶的工程应用。其中，酶学基础模块在回顾生物化学知识的基础上，重点关注酶的作用机制和影响酶活性的主要因素；酶的分子设计模块包括生物酶工程和化学酶工程两部分，生物酶工程重点介绍酶的进化筛选，而化学酶工程则主要介绍酶的化学修饰与固定化；酶的生产与制备模块重点介绍酶的发酵与分离纯化工艺；核酶模块在回顾分子生物学相关知识的基础上，着重讲解核酶尤其是DNA核酶的构建方法；纳米酶模块重点介绍纳米粒子的催化效应和调控方法；抗体酶模块阐述抗体酶的筛选和修饰方法；酶的工程应用模块则是在上述章节的基础上结合案例介绍酶在工业生产和医疗中的应用，例如：酶在食品加工中的应用、酶在废水和垃圾处理中的应用、酶生物传感器和抗体酶在疾病诊断和治疗中的应用等。通过上述授课内容的革新帮助学生较为全面、系统地掌握酶的分子设计、生产制备以及下游工程应用技术。3教学方法改革的探索3.1多种教学方法的使用酶工程的教学内容相对比较零散，并且和发酵工程、基因工程、分离工程等生物工程专业课程具有一定的知识重叠。这就要求在课堂教学中必须把握好各章节和知识点的逻辑主线，正确统筹已修课程和并修课程的关系，并合理使用不同教学方法，从而突出酶工程教学内容的重点和特色。对于酶学基础模块的教学，由于学生已在生物化学课程中进行了前期学习，因此主要以课堂提问的形式帮助学生回顾已学知识点。对于酶的分子设计和酶的生产与制备部分的教学，由于学生同时在进行基因工程、发酵工程和分离工程的学习，因此在教师介绍难点知识的基础上，采用互动教学方法，与学生讨论不同技术在酶工程应用中的独特性和挑战性，比如：在介绍酶的定向进化时，可结合基因工程关于聚合酶链式反应（PCR）的原理讲解如何在酶的结构设计中合理使用不同的PCR衍生技术和筛选方法，从而获得性能优异的酶制剂。对于核酶、纳米酶和抗体酶模块的教学，由于学生之前尚未系统接触过相关概念，此外又涉及到酶工程的最新研究进展，因此先由教师讲授所涉及的基本知识，然后要求学生课下阅读最新的研究论文，并以书面作业形式进行总结和汇报。对于酶的工程应用模块的教学，先由教师对酶在不同工程领域的应用进行全面综述，然后再根据应用领域将学生划分为若干学习小组，每个小组课下独立调研一个酶工程的应用实例（包括：应用的理论基础、国内外产业布局、市场分析和发展趋势评估等），最后由学生制作幻灯片在课堂上进行讲解和讨论。通过上述教学方法的综合运用可有效提高学生的自主学习能力和工程思维模式，并促使其对酶的产业应用产生较深入的认识。3.2经典研究案例与授课内容的结合酶工程是生物工程发展的重要方向，其中已有一些经典的工程应用案例。在教学实践中通过分析这些案例，将其从研发到应用的技术路线引入课堂，从而揭示基本科学原理走向工程开发的一般规律。该教学设计可有效促进学生理解知识从产生到应用的过程。例如：在讲解酶的定向进化时，将2018年诺贝尔化学奖得主FrancesH.Arnold教授的研究生涯引入课堂教学，通过该案例帮助学生理解定向进化技术对酶分子设计和改造的科学意义和产业价值；又如：在讲解酶的生物传感器部分时，以葡萄糖氧化酶作为对象，介绍其从发现、性能改良到家用血糖仪大规模上市的发展历程，并和学生探讨该技术成功应用的经验和教训，分析现有血糖仪的优势和不足，并对下一代基于纳米酶的血糖仪研发和市场应用进行展望。3.3加强实践教学酶工程作为应用性较强的课程，其实践教学同样具有重要的作用。然而，一般高校都缺少酶工程产业中所需的大型发酵罐、生产流水线等工业设备。此外，酶分子的结构设计和筛选也具有长期性和不确定性。为了解决上述问题，笔者在酶工程课堂学习之外，引入了工厂参观和实习环节。通过教师带领学生进入相关企业，使学生有机会接触产业应用中的大型工业设备，以及研发、生产工艺流程的管理，从而增强了他们对酶工程应用的感性认知。此外，针对部分学习能力较强的学生，鼓励其参与大学生创新实践和工厂实习，进一步提升他们的工程创新能力，明确其未来的职业发展规划。3.4课程考核的改革为了体现“新工科”改革的发展目标，结合本课程应用性较强的实际，进一步针对已有的课程考核方式进行改革。笔者采用了复合型考核方式，将平时成绩设置为最终成绩的50%，期末笔试成绩设置为50%。平时成绩包括学生考勤、课堂答问和讨论、工厂调研报告和酶工程应用实例的课堂讲解。在此基础上，对期末笔试的试卷进行了优化，其中书本知识在试卷中的占比减小到40%，剩余的部分由工程设计题目组成。为此，笔者设计了一系列面向工程应用的综合性试题。例如：基于定向进化和筛选原理，设计一种耐高温蛋白酶的技术改造路线。上述考核方式的强调了工程应用的重要性，引导学生明确了学习重点。4结语自2017年教育部提出“新工科”改革发展目标以来，笔者对酶工程的教学改革进行了初步的探索。通过对本文提出的改革举措进行评估可以发现，教学内容和教学方法的革新对激发学生的学习兴趣、形成良好的工程创新能力具有积极作用。部分学生在学习本课程后进入了相关企业开展实习，并结合实习经历申请到了大学生创新计划项目，取得了较好的科研成果。但是，需要指出的是，“新工科”教育改革尚处于起步阶段，其中很多问题亟需进一步探索，如：教师的转型、企业与高校联合培养模式的建立、实践教学手段的丰富等。因此，希望本文能起到抛砖引玉的作用，为同行在生命科学相关专业的“新工科”改革提供借鉴。参考文献1王璐瑶,陈劲,曲冠楠.构建面向“一带一路”的新工科人才培养生态系统J.高校教育管理,2019,13(3):61-69.2梅乐和,岑沛霖.现代酶工程M.北京:化学工业出版社,2011.3孙万里.酶工程课程教学改革与实践的思考J.现代农业研究,2019(3):85-86.第 6 页 共 6 页