摘 要:通过分析我国高校生物工程专业的设置目标、培养计划和办学现状,辨析了生物工艺学和生物技术、生物工程、生物化工、生化工程、发酵工程等相关专业、课程的区别和联系,倡导了生物工艺学的专业主干课程地位。结合十年教学的切身体会和校级重点课程的建设机遇,尝试了以一条线索、两个因素、三传一反、四处数学趣味、五个典型案例为核心的教学实践活动,获得较好效果。探索了生物工艺学合理的教学内容、关键的知识节点及其枢纽作用,提出了把理论、实践、趣味融为一体的教学新模式。
关键词:生物工程专业主干课程生物工艺学课程建设教学改革研究
中图分类号:G642．0文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)07(a)-0147-02
1 生物工程专业与生物工艺学课程
为了应对日益严重的粮食、健康、资源、能源、环境等危机与困境,世界各国普遍发展生物技术寻求出路,培养新型相关专业人才任重而道远。上世纪末期,许多高等(专科)学校争先恐后创办生物技术、生物工程等热门专业,与传统的生物科学专业并立,强调了对生物的改造、加工、开发及利用。随着新千年国际有识之士一致认同生物技术的学科带头作用,以及生物工程专业毕业生在工业、农业、轻工、国防、食品、医药、化工等领域崭露头角,生物类专业又将掀起第二轮踊跃报考的浪潮。
2005年,全国生物工程、生物技术专业教学改革研讨会在上海召开,会议散发了生物工程专业培养计划讨论稿[1],为生物工程专业办学提供了参考借鉴的思路。作者结合个人的理解,构筑了生物工程专业4年培养计划的金字塔(见图1),作为我们讨论专业建设、交流课程改革研究成果的基础背景。从图1可见,生物工程专业专业课是按“3+X”组成设置的,其中生物工艺学为必修的3门专业主干课之一,位于专业生产实习之后、毕业实习和毕业设计之前,左右着生物工程专业的教学方向。生物工艺学是关于以生物细胞、酶为作用剂、催化剂,采用工程设备,将廉价的可再生基质大规模转化为高附加值产品的技术科学,熔现代生物技术理论和生物生产实际于一炉,内容符合生物工程专业培养目标的教学要求,占据着生物工程专业主干课的地位。
目前国内外生物技术研究不断深入拓展,交叉边缘学科风起云涌,给生物工艺学提供了丰富的教学内容和素材。然而,现今专业培养计划倡导宽口径、厚基础理念,专业课需要精简、整合,对重要的专业主干课也提出了学时限制,要求任课教师顺应时代发展要求,给学生奉献精彩的专业理论和实践套餐。北京化工大学建有生物工艺学国家精品课程,华东理工大学建设发酵工程国家精品课程,他们以国家重点实验室为依托,分别在生物分离技术、抗生素工艺、生物反应器设计凸显学科优势,为生物工程专业课教学树立了标杆。由于各高校学术氛围、办学特色上的差异,生物工程专业培养操作上出现多样性和灵活性,生物工艺学的教学内容、学时安排、教学方法、实践(习)环节因校而异[2-5],归因于专业设置、专业课建设发展初级阶段的基本国情。在专业改革与探索过程中,如何科学把握生物工艺学的教学枢纽和脉搏,成为多数业内同仁关注的焦点。
武汉工程大学从1999年开始生物工程专业办学与招生,2001、2002、2003年生物工程专业招生形势火爆,每年新生突破5个本科行政班,外加1～2个专科班。2004年起,我校维持2个班的招生规模,迄今已有9届毕业生,为国家输送了1000多名带有化工、制药办学特色的生物工程专业理工复合型技术人才。学校对生物工程专业主干课的设置与教学质量非常重视,主管教务的校长亲自过问生物工艺学的教学,生物工艺学进入2004年武汉工程大学重点课程立项建设。作者总结近10年生物工艺学的教学体会,试图就教学内容与途径谈一点个人认识,以达到抛砖引玉的教学交流。
2 生物工艺学是广义Biotechnology的一个分支
为什么把生物工艺学定位于生物工程专业主干课？如何理解生物工艺学与相关专业及其课程的区别和联系？这些问题关系到生物工艺学作为专业课的地位,涉及课程的教学内容范围,深度和广度的把握。
上文已经定义描述,生物工艺学是关于以生物细胞、酶为作用剂、催化剂,采用工程设备,将廉价的可再生基质大规模转化为高附加值产品的技术科学,它是广义生物技术Biotechnology的一个分支。生物技术应用领域如此广泛,在不同学科、行业交叉发展成边缘科学,出现了Biotechnology的不同译名和内涵,导致概念混淆、界定混乱、交流困难。我们在多年的教学中,参考了Biotechnology发展以来的有关专著、文献,比较相关术语的使用场合,结合个人的理解,辨析如下。
广义上,凡是涉及生物研发的技术都属于生物技术Biotechnology[6]。现代生物技术的核心是DNA重组技术,主要组成包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程等。目前大专院校设置的所谓生物技术专业,教育主管部门定性为理科,侧重广义生物技术的上游,体现为实验室的前期开发。把生物技术的理论成果转化为实际生产力的工程科学就是生物工程,是生物技术大规模产业化的工学部分。生物工艺学是生物工厂具体实际的操作工艺,包括发酵生产、细胞培养、下游提取,其区别于传统农艺的字眼是工艺。上述现代生物技术、生物工程、生物工艺学的英文名都是Biotechnology,表明它们起源相同,发展目标一致指向生物产品。大学培养计划中确定生物技术、生物工程是专业,生物工艺学是生物工程专业的一门课程。我国原来的发酵工程专业升格为生物工程专业后,部分院校仍然开设发酵工程专业课,其教学内容相当于生物工艺学中的发酵工艺学[2,7]。
我国化工院校、科研所、行业领域,把生物技术应用于化学工程形成的交叉学科、专业称作生物化工,既有本科专业,也有研究生专业。如果化学工程为生物技术产业化即生物工程服务,就称作生化工程,例如1940年前后开发机械搅拌发酵罐、大规模研发生产青霉素,被誉为生化工程产生的标志性事件。从英文名上看,生物化工、生化工程都写作Biochemical Engineering,二者混用在所难免。在2011年武汉工程大学硕士生招生章程中,生物化工专业名称改成生物工程专业,反映出上述近义术语有从混用到统一的趋势。换言之,从21世纪生物技术的引领效应和招生专业名称的转换现状分析预测,生物工程的名头有可能会取代生物化工。
3 生物工艺学教学理论枢纽
作为生物工程3门必修的专业主干课程之一,生物工艺学包括发酵生产、细胞培养、下游提取等环节,有成熟的抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂、酒精饮料等发酵工艺支撑,教学内容相当丰富,但对生物技术理论和工程素质要求较高,教学难度很大。华东理工大学主编的生物工艺学分为上下两册[6,8],有技术深度和理论广度,共性原理与典型案例并重,在我国相关专业教学、科研中有较大的影响,一直被我校生物工程专业教学采用。针对当今专业培养计划中专业课学时普遍被削减的现实,我校生物工艺学理论学时仅开36学时、2学分,有必要修改教学大纲,适度取舍教材中的内容。
我校生物工艺学教学内容涵盖了教材第一篇共性理论—生物反应过程篇、第四篇典型生物生产过程工艺篇,删除了第二篇生物分离原理和第三篇生化工程原理,把删除的内容留待其它课程教学。至于第一篇共性理论中的微生物学基础知识、基因工程原理等内容已安排给微生物学、基因工程课程,生物工艺学没有必要重复。下面讨论生物工艺学教学理论枢纽,分析生物工艺学知识网络及其教学重点、难点,作为我校生物工艺学校级重点建设课程进行教学改革探索的理论成果,供课程设置行政官员、专家学者、教学同行参考。
3.1 一条线索
生物工艺学教学线索、知识节点与36学时分配见图2。
其中,教学线索贯穿始终,教学内容之间的相互联系一目了然,环环相扣,层层深入,让学生总揽全局,心中有数,提高学习效率与主动性。知识节点彰显教学重点、难点,学时分配合理,使教学过程前后紧凑,有的放矢,学生的学习效率明显提高。
3.2 两个因素
生物作用剂诸如微生物菌种、动植物细胞株、酶制剂的筛选,是在代谢控制发酵理论指导下,经过遗传选育、生产验证,具有特定生产性状的表现载体。根据遗传学基因表达调控理论,生物作用剂的生产性状的表现取决于两个因素:一是基因型,而是环境条件。这种教学理念构筑在基础生物学背景上,具有高屋建瓴的作用,把生物作用剂选育、动植物细胞培养与工业微生物发酵工艺、代谢调控机制、生产综合控制策略等教学章节有机结合起来,使生物工艺学理论原理浑然一体。
3.3 三传一反
大规模实现动植物细胞与工业微生物发酵生产性状完美表达的环境条件,重点归纳为工程学上“三传一反”[9]控制理论,涉及到质量传递、热量传递、动量传递的效率和生物反应器的功能。在生物工艺学的培养及优化、培养与发酵工艺、生物反应器设计、工艺参数检测、计算机综合自动控制等章节教学中,贯彻“三传一反”控制理论,就可以找到工程研究与开发的落脚点、着力点,从而收到事半功倍的教学效果。
3.4 四处数学趣味
工科专业课充满数理化趣味,生物工艺学也不例外。挖掘学习生物工艺学的积极性、主动性、教学的生动性,寻找理工学生知识背景的趣味应用题,使专业课寓情于景,以激发学生的学习热情,开发学生分析问题、解决问题的创新动力。
例如,在培养基优化教学中,可以结合生产实际和科研工作论文,补充介绍利用计算机程序进行正交设计、响应面分析等方法,学生兴趣盎然,对他们课外科研活动与毕业设计、毕业论文课题研究有一定的裨益和启发。在灭菌动力学教学中,运用解微分方程的技巧推导微生物的灭死规律、培养基营养成分高温下破坏的速度公式,估计科学灭菌的时间,选择并理解高温瞬时灭菌、连续灭菌的工艺流程及其原理。
另外,利用双膜理论推导DO传递方程,结合质量守恒、热量守恒定律建立细胞培养、菌体发酵动力学模型,数理化知识的有趣应用,都使我们的生物工艺学专业课教学由难变易、由枯燥变生动。
3.5 五个典型案例
在讲授了生物工艺学的共性原理后,基于生物技术产品类型、培养与发酵方式、代谢控制发酵的技术特点,选取生产上过程工艺相当成熟的案例,重点教学掌握谷氨酸、柠檬酸、青霉素、乙醇、α-淀粉酶等五个发酵生产的工艺流程、调控枢纽、加工技术,结合认识实习、生产实习环节,通过多媒体展示、车间参观、现场答疑、综述报告、课堂互动、绘制工艺流程图等教学手段与形式,把生物工艺学的教学理论与生产实际紧密联系在一起。学生达到了举一反三、融会贯通的学习效果后,一致认为生物工艺学课程在生物工程专业中的主导地位不可抹杀,对另两门专业主干课分离工程、工艺设备的后续教学,以及毕业设计中的工艺选择论证、工艺流程设计等都具有不可忽视的启发作用。
参考文献
[1] 全国生物工程专业培养计划(讨论稿).上海:全国生物工程,生物技术专业教学改革研讨会资料,2005.
[2] 宫衡,陈长华,叶勤,张嗣良.发酵工程教学的改革与实践.化工高等教育,2005(2):36～38.
[3] 肖冬光,陈宁,陈叶福.关于生物工程专业教学计划改革的探讨.中国轻工教育,2007(1):65-66.
[4]苏海佳,谭天伟,王雅琴.探索21世纪“生物工艺学"教学模式的改革.高等理科教育,2008(2):117-119.
[5]阳小成,雷泞菲,李 凛,彭书明.理工大学生物工程专业课程体系建设与教学改革的思考.教育与教学研究,2010,24(5):76～78.
[6]俞俊棠主编.新编生物工艺学.北京:化学工业出版社,2003.
[7]张星元.发酵工程专业课程设置的思考和实践.微生物学通报,1999,26(2):147～149.
[8]储炬主编.现代生物工艺学.北京:化学工业出版社,2008.
[9]张嗣良主编.多尺度微生物过程优化.北京:化学工业出版社,2003.