王玉珏 王伟宸 宋哲 丁亚骏 戴桂馥

摘 要：为增强学生对生物工程技术体系构架的全面理解和认识，基于产学研创融合理念，以教学团队科技转化成果为基础开设《生物工程综合实验》课程，实现生物工程的全链条实战训练。通过开展半开放性实验，采用课上—课下相结合以及多模块交叉并行等教学模式，强化学生主体地位，激发学生科研兴趣。课程改革完善了生物工程实验教学体系，凸显了学科特色与优势。

关键词：生物工程;综合实验;教学改革;全链条工艺过程

生物工程是以分子生物学、微生物学、生物化学和化工原理的理论和技术为基础，通过操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，并通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一种新兴产业技术[1]。我国生物工程行业规模不断扩大，人才需求量极大。为了更好地适应新形势下的机遇和挑战，此行业对生物工程专业学生的培养目标提出了更高的要求。因此，如何才能够培养出高素质创新性应用型生物工程人才，是值得我们深入思考并亟待解决的教育问题[2]。

一、生物工程综合实验教学改革背景

生物工程作为一个应用型学科，其专业课程实验教学是培养工程化人才的重要途径。近年来，国家对高校投入不断加大，实验室的硬件设施显著改善，各高校结合自身的办学优势与特色，实验（实践）类课程均有所增加[3]。郑州大学生物工程专业始建于2008年，大部分专业基础课和专业课都开设了相应的实验课程，同时在第三学年下学期还开设了《生物工程综合实验》课程。与国内生物工程专业学科排名靠前的院校相比，我校《生物工程综合实验课程》课时明显不足，且仍以验证性或演示性的实验为主，在系统性、整体性、开放性和创新性方面尚有提升空间。因此，我们从教学内容、教学模式和考评方式等方面对《生物工程综合实验》课程进行深入改革。

二、基于产学研融合理念设置生物工程综合实验全链条教学内容

乳酸是目前世界上公认的三大有机酸之一。随着白色污染日益严重，可生物降解的聚乳酸产品作为有可能取代传统塑料的新型聚合材料也越来越受到人们的关注。为推动生物可降解塑料的快速普及，降低聚乳酸的生产成本，选育乳酸高产株，提高乳酸的光学纯度和产量已成为当今有机酸工业研究的重点[4]。早在2005年，本教学团队已与金丹乳酸科技有限公司合作开展联合攻关。目前，该企业由原来年产DL-乳酸2～3万吨增至年产L-乳酸十余万吨。随后，在河南省重大公益科研招标项目的支持下，科研团队开发了玉米秸秆生产L-乳酸的全套技术（相关专利技术已转化），为本课程“产学研”融合实践教学提供了基础。

典型的生物工程工艺过程涉及种子制备—培养基配制—灭菌—生物反应器培养（参数检测）—发酵液预处理—产物分离提取—产品质量检测等诸多单元操作，生产周期长[5]。基于产学研创融合的教学理念，结合本教学团队在L-乳酸菌种和技术上的优势与特色，本课程选取发酵周期短、易于获取的初级代谢产物L-乳酸作为研究对象。以L-乳酸生产菌株芽孢杆菌W1作为出发菌株，以L-乳酸的生产为主线，结合菌种改造、培养基优化、生产放大、分离纯化和产物测定等生产工艺，设置“芽孢杆菌W1理性选育与基因工程改造方案设计”“芽孢杆菌W1发酵产L-乳酸培养基配方优化”“利用小型台式原位玻璃发酵罐制备L-乳酸研究”“钙盐法提取L-乳酸研究”和“发酵产物检测分析”等五个环环相扣的实验教学模块。通过科研与实验教学相结合，使学生在学习与探索中获得初步提纯的乳酸产品，实现生物工程工艺过程全链条教学。

三、生物工程综合实验教学内容改革

针对原有课程存在的：（1）未实现工艺过程的全覆盖，各实验单元相对独立，不利于学生形成系统、完整的技术体系;（2）内容的先进性、创新性、开放度不足，难以适应生物工程领域的高速发展，不能契合经济发展对人才培养的需求等问题，教学团队对课程内容进行了一系列改革。原有课程与改革后课程实验内容对比见下表。

首先，为提高学生的创新实践能力，培养科研兴趣，强化微生物学、分子生物学、基因工程等基础理论知识，增加“芽孢杆菌W1理性选育与基因工程改造方案设计”的菌种选育环节。其中，理性选育环节采用紫外线诱变结合透明圈筛选高产菌株;基因工程改造方案设计环节要求学生通过文献调研，课程结束后一周内提交方案。方案审核通过后允许学生进入任课教师课题组延展为毕业设计，研究成果可进一步应用于后续教学内容改革，实现教学科研深入交叉融合。

其次，为了充分调动学生的主观能动性，激发其科研兴趣，提升自主设计与科研能力，将模块二的单轮次正交试验改为利用专业软件的立体式培养基优化实验，改革后的实验模块将涉及Plackett-Burman（PB）设计、最陡爬坡设计、响应面设计三种优化方法，且PB优化结果是最陡爬坡实验设计的基础，爬坡优化的结果又是响应面优化的基础，环环相扣。结合半开放式的教学模式改革，培养学生的思考能力，提高学生的参与度，使学生切身体会到科学实验的魅力。

再次，为了强化学生的工程思维和对生物工程工艺过程的完整认识，改变原发酵与提取精制的分段式教学，并将原本的发酵罐演示实验改为学生操作实验，发酵结束后的发酵液将直接作为模块四的原料进行L-乳酸的分离纯化。贯通摇瓶制种→培养基配制→生物反应器实消→接种→自控发酵→在线离线自控检测→发酵液预处理→乳酸钙结晶→乳酸解析→工艺评估与质量检测的工艺全过程，使操作单元联系更紧密，较为真实地还原工业生产环节。

最后，鉴于大型分析仪器已在工业生产中广泛使用，为开拓学生视野，提升其与企业生产实践接轨的能力，改变原来缺少大型专业设备使用经历的教学，增加高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）等设备的教学与使用，用于模塊四中纯化后L-乳酸产品的质量检测。

此外，教材是学生学习知识的重要窗口，然而该课程往年主要通过演示示范的形式讲授，缺乏系统规范的纸质教材，所采用实验教案内容也较为陈旧，不利于学生对综合实验整体的把握及理解。教学团队依据自身科研经历，结合本课程特色及研究前沿，编写了与学科内容相适应的实验教材（指南），便于学生了解实验总体流程及关键点，实现教材育人的目的。

四、生物工程综合实验教学模式改革与实践

针对原有以教师为主导的“演示与验证”教学模式中存在的学生参与度低、主观能动性差，以及创新意识得不到有效培养等问题[6]，从以下五个方面进行改革。

（一）交叉式实验安排有效利用零散时间

该课程安排在大三下学期结束前，规定学时为8天，课时有限，而生物工程各模块实验连续性强，培养基配制、灭菌和微生物生长等过程耗时较长。尽管已经选择了生长周期短、产品易得的芽孢杆菌作为研究材料，但在增加教学内容的情况下从模块一到模块四的顺序开展仍需至少112学时（见上表）。为了在有限时间内使学生完成从原料到产品的整个工艺过程实训，我们利用微生物生长及发酵的间隙使多个实验模块交叉并行，充分合理利用时间。例如，模块二“芽孢杆菌W1发酵产L-乳酸培养基配方优化”涉及了PB设计、最陡爬坡实验和响应面设计共3种培养基配方优化方法，实验总耗时长达64学时，贯穿综合实验始末。同样，模块五作为技术支撑也始终贯穿整个实验。然而除了培养基设计与配制和发酵样品检测操作外，大多时间都在等待菌体生长或发酵产物合成，故在模块二操作间隙可交叉安排开展菌株选育、发酵罐空消等实验，使实验内容更加紧凑。

（二）课上—课下结合半开放式教学

将模块二的配方优化环节设置为开放性实验，学生需提前安装并学习应用软件Minitab17，在初始培养基的基础上自行设计优化方案，完成PB设计—最陡爬坡设计—响应面设计，并与老师讨论后再开展实验。课上—课下结合的半开放式教学模式提高了学生的参与度和主观能动性，培养了其科研兴趣及分析和解决问题的能力，有效提升学生的科研水平。另外，为有效实现科研反哺教学，提高教学内容的创新性，将模块一设置成创新延展性实验，要求学生查阅文献设计“基因工程育种”方案，构建利用木质纤维素水解糖（己糖和戊糖）生产L-乳酸的工程菌。教师审核后遴选创新性开放设计中表现优异的学生加入科研团队，利用先进的科研平台进一步开展探索性实验，并纳入学校毕业设计管理中，经费由授课教师团队负责支持。

（三）合理设置分组

生物工程综合实验内容多课时短，故常设置实验小组，以组为单元开展实验。往年，40人的教学班被分为3个大组，因每组学生过多经常出现“一人操作，多人围观”的现象。为此，我们调整分组，控制每组学生数。以2018级为例，生物工程专业分为两个教学班，平均每班26位同学，课前组织学生自由结合分为4组，平均每组6～7人，与以往每组13人相比，使每个学生都有充分的锻炼和展示机会。其次，受时间限制，课程存在多个实验模块交叉并行的情况，各小组教学组长需充分发挥组织协调能力，合理安排各组员的实验任务，使各实验模块均能有条不紊进行，培养学生的团结协作能力，达到所有学生都能独当一面的目的。

（四）团队教学

与原有的1～2名教师集中授课不同，本课程由科研经历丰富的教授领衔，采用科研团队（6～7人）集体授课的形式，师生比例大幅提高，切实提高教学质量，改善教学效果。经过数年积累，本课程已形成了一支教学和科研实力比较雄厚的师资团队，其中大部分教师是来自科研团队的骨干教师，他们同时担任生物工程专业的理论课教学，能够将理论与实践有机融合，使学生在巩固基础知识的同时提高动手能力。

（五）多元化考评方式

原有实验考核主要依据实验报告，忽视教学过程中对学生的创新实践能力、团队协作精神等方面的考核。现有考评方式增加对学生的实验设计能力、实验故障率以及作为团队负责人的协作能力等方面的考核，使考评制度更加客观、公正。加大实验过程考核的比重，并将平时成绩细化为“团队协作能力”“实验参与度（原始记录）”及“创新能力（自行设计方案）”三个部分，报告成绩则包括“报告撰写”“展示答辩”和“感想与建议”三个部分。其中原始记录务求真实清晰;自行设计方案力求详尽可行;报告撰写需遵从科研论文的写作规范，做到布局合理、图表清晰、结果可信及分析讨论合理;实验结果的展示答辩环节需做到语言凝练，逻辑清晰;课程的感想与建议则考察了学生是否真正融入整个教学过程，是否真正理解各实验环节的设计，在课程进行中是否具有质疑与思考的习惯。

五、生物工程综合实验教学改革实施效果

此教学改革方案已在2017级和2018级生物工程专业本科生中实行，课堂上学生积极参与，实验完成情况比较好;实验报告撰写规范，内容翔实，结果分析可靠;方案设计新颖可行。课程结束后，部分有能力、有想法的学生加入教学团队课题组，开展大学生创新实验或毕业设计，成为科研的生力军。此外，同学们在发表感想与建议环节对半开放式的教学模式予以充分肯定，对课程安排也提出了许多宝贵意见，为以后教学内容及方式的改进提供参考。

结语

改革后的生物工程综合实验课程将团队的科研成果与企业生产相结合，在有限的课时内，实现生物工程上中下游全链条实验场景的系统性训练，使学生亲历原料到产品的全过程，深入理解生物工程工艺，构建产学研相融合的实践教学体系。将传授理论知识为主的传统教育模式转变为理论知识与实践能力相结合的人才培养模式，促进产学研的协同作用，使学生理解产业化思路，努力为社会培养更多的高素质复合型人才。

参考文献：

[1]杨东升，罗先群，李小丽.生物工程实验教学改革探讨[J].广州化工，2020（24）：193-195.

[2]王啟要，万俊芬，白云鹏，李友元，张晓彦，叶蕊芳，庄英萍.基于工程教育专业认证理念的生物工程综合实验教学模式探索[J].化工高等教育，2020（6）：4.

[3]廖国建，何颖，谢建平.以达托霉素产生菌菌株改造为主线的微生物工程综合实验的探索和实践[J].微生物学通报，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]刘紫英，冷桂华，吕美云，周秀玲，袁斌.生物工程综合实验的“珠链式”教学模式改革与创新[J].微生物学通报，2015（010）：2026-2032.

[6]赵晴潇，郑胜，魏群，张秀廷.“以学生为中心”构建生物工程综合实验[M].科技资讯，2020（30）：84-86.

基金项目：2021年郑州大学教育教学改革研究与实践项目——《生物工程综合实验》课程基于产学研创融合的应用场景全链条教学改革与实践（编号：2021ZZUJGLX006）

作者简介：王玉珏（1991— ），女，汉族，河南人，博士，讲师，主要从事微生物发酵研究。