生物技术本科专业“酶工程”课程的教学实践与思考

孔维宝， 杨 红， 曾家豫， 牛世全

(西北师范大学 生命科学学院， 兰州 730070)

生物技术本科专业“酶工程”课程的教学实践与思考

孔维宝， 杨 红， 曾家豫， 牛世全

(西北师范大学 生命科学学院， 兰州 730070)

“酶工程”课程是生物技术专业的专业核心课程之一，在专业教学和构建学生的专业知识体系中具有重要作用。总结了在本科生物技术专业开设“酶工程”课程中的教学实践和经验，提出了一些教学改革建议和方法措施，旨在为提高本课程的教学质量和学习效果提供教学参考。

生物技术专业；酶工程；教学实践；教学思考

生物技术、信息科学和材料科学被认为是当今世界的三大前沿科学技术。在21世纪，生物技术的作用将更加突显。美国科学家预言，美国的第二个硅谷将会是正在兴起的生物技术产业。回顾20 世纪，生物科学与生物工程在全球崛起并迅速发展，已经从整体水平发展到细胞水平和分子水平，在基础与应用研究领域取得了举世瞩目的成果。酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重要、研究成果之显著已为世人所公认[1-2]。自20世纪50年代发明固定化酶技术以来，酶工程发展非常迅速，并成为与基因工程、细胞工程和微生物工程并驾齐驱的现代生物技术的重要组成部分。酶工程技术也在生产实践中得到了广泛而深入的应用。《酶工程》作为生物技术与相关专业(如生物科学、生物工程、制药工程和生物化工等)的主干必修课程，其教学质量和教学效果直接关系到学生专业知识水平的提高和专业思想的培养，在专业教学中占有相当重要的地位[3]。笔者将2000年以来在《酶工程》课程理论与实践教学方面积累的一些教学体会和课程建设思考做一总结。

1 合理安排教学内容与教学进度

1.1 注重绪论部分的讲解，激发学生的学习兴趣

讲授好第一章绪论部分的内容是吸引学生学习本课程注意力、激发学生学习兴趣和动力的关键所在。在讲授绪论部分时应从以下三方面着手，尽量培养和激发学生学习的积极性和主动性。一是要让学生了解酶与酶工程的发展历史和研究现状，以及其中的一些重要历史事件(例如酶本质的证实、核酶的发现、固定化酶技术的建立等)；二是要让学生对本课程所讲授的内容框架有个整体的了解；三是要根据生活实际(加酶洗衣粉、面包改良剂、酒类酿造等)、重大科学事件和重要科学人物(如与酶研究有关的诺贝尔奖获得者)对学生进行课程兴趣培养[4]。其中尤以第三点为主，尽量多引用学生感兴趣的现实例子。

1.2 理清课程框架、衔接好各章节的讲授顺序

根据教材编者的专业背景、科研成果和出版年份的不同，不同教材的编排在章节目录上各有优缺点。在实际的课程讲授当中，应根据酶工程学科本身的特点和学生先导基础课程知识的积累，对教材内容做一梳理和编排，做好各章节讲授内容的衔接工作[5]。例如，在完成绪论内容的讲授之后，应根据酶学基础知识、酶的生产、酶的改性和酶的应用等四编进行分块处理，然后将相关的章节再分配到各编中。例如可将微生物发酵产酶、动植物细胞培养产酶和酶的分离纯化章节的内容编排在酶的生产中，酶的分子修饰、酶的固定化和酶的非水相催化编进酶的改性。然后根据酶的生产、改性和应用的先后顺序进行讲授，以便使学生有一个清晰的课程学习思路。另外，还可以根据生物酶工程和化学酶工程两大块进行课程编排。

1.3 注意学科渗透，突出课程重点、难点

酶工程是一门综合性的学科，包括生物化学、微生物学、细胞工程、化工原理、生物分离技术和生物反应器等不同学科的主要内容，在讲授过程中要充分注意学科之间的相互渗透，把握好课程的重点和难点。例如，在酶学基础知识的讲解中应让学生掌握酶的分类原则、酶反应的基本特性、酶促反应动力学、抑制动力学和测定酶活力的基本原理和方法，为后面章节的深入讲解打好理论基础。而对于后面章节中与微生物工程(微生物发酵产酶)、细胞工程(动植物细胞培养产酶)、生物分离工程(酶的分离纯化)和生物反应器工程(酶反应器)课程交叉的内容，应与学生当前并行开设的有关课程的任课教师进行沟通和交流，以便能更好地把握本课程所讲授的重点和难点内容。

1.4 结合学科前沿，做好研究新进展的及时更新

酶工程是一门发展较为迅速的学科，特别是在以“生物催化”为核心技术的工业生物技术不断掀起新高潮的大好形势之下，其新发现、新成果和新进展不断涌现[6]。因此，讲授好本课程还须要结合当前的学科前沿，及时补充更新授课内容，根据各章节知识的相关性讲授一定课时量的前沿进展课外讲座。例如，在讲授完酶学基础知识之后，可以附加有关“核酶、端粒酶”的研究进展；在进行酶的分子修饰改性内容的讲授中可适当补充有关“酶的体外定向进化”方面所取得的新进展内容；在讲授酶的非水相催化时，可适当补充讲解“酶在离子液体中的催化特性”；此外还可以补充讲述有关“组合生物催化技术”的新观点。通过这种补充讲授，可以大大拓宽学生的知识面、激发学生对新知识的求知欲望、加深对学科的理解。

2 改进教学方法，丰富教学手段

2.1 明确教学要求，注重学生综合素质的培养

一般酶工程课程在大学三年级第一学期开设。这个阶段学生已基本掌握了大学的学习方法，对生物技术专业也有了一个较为全面的认识，再加上酶工程课程的综合交叉性特点，所以在讲授过程中应明确教学要求，注重培养和提高学生的综合能力和素质。例如，在教授的同时应设有适量的自学内容章节、课外阅读相关教材、查阅有关酶与酶工程的中外文文献、撰写一般的文献综述报告、进行工厂见习等内容。作者在教学中根据课程内容的特点，在对基础知识和重点章节进行讲授的同时，将“酶的应用”一章作为学生小组自组织、集体自学、集体撰写文献综述报告、展示讲解幻灯片的综合考核内容。这样，一方面提高了学生学习的兴趣和主动性，另一方面为学生提供了一个团队协作、查阅文献和展示自己的舞台。

2.2 讲授注重理论与实践相结合

酶工程是一门工程应用类学科，有很强的应用实践性。因此在讲授理论课的过程中应注重与生产实践相结合，多搜集实际生产生活中的实例，提高学生学习的兴趣，培养学生工程化、产业化的专业思想。例如可将当前生物质产品行业中将酶(如蛋白酶、淀粉酶、青霉素酰化酶等)应用于酒类生产、食品生产、医药生产和大宗生物基产品生产的产业化实例实时地贯穿于整个课堂讲授中。此外，还应积极收集有关工程化生产和应用酶的图片和视频材料作为辅助教学材料，以提高学生对酶工程学科和产业的认识[7]。

2.3 采用多媒体教学手段，提高课堂教学质量

与以往任何一种先进媒体的应用相比，多媒体技术的引入，使传统的教育方式发生了更深刻的改革，教学质量和教学效率也有了显著提高，其中最关键的因素是多媒体信息对教育有着巨大的促进作用。通过在本课程教学中利用多媒体教学手段，引用适当的图片、视频和动画等辅助教学材料，可有以下三方面的收效：一是可以将抽象的内容和复杂的过程直观化、动态化，便于学生理解。例如采用视频和动画材料可以使学生较为容易的理解酶促反应过程，酶生物合成中转录、反转录和翻译的复杂过程。二是可以通过动画视频辅助教学材料，加深学生对重要技术原理的理解。例如通过动画演示教学可以加深学生对凝胶过滤层析、离子交换层析、亲和层析和凝胶电泳技术等重要的酶分离纯化技术基本原理的理解。三是通过多媒体教学可以活跃课堂气氛，提高学生接受新知识、新内容的主动性和积极性。但是，需要注意的是在多媒体教学中应避免大篇幅、高密度引用教材文字，内容讲授和幻灯片放映过快等，防止学生产生视力和心理厌倦，不能及时做好课堂笔记等问题[8]。

2.4 注重考核方式的多样化

在以往的教学中，往往以期中与期末考试成绩或直接以期末考试成绩作为学生对本课程学习程度的考核依据，由此造成了一刀切的弊端，不能从全方位来考查学生对知识的认知情况。为了能更准确全面地反映学生对本课程知识的学习和理解情况、注重学习过程、减轻学生因考试而产生过重的心理负担、提高学习的积极性，作者采用了多样化的考核方式，收到了较好的效果。例如在实际教学中采用了“平时表现(10%)+重点章节作业(20%)+文献翻译与分析(20%)+课堂讲座(10%)+期末考试(40%)”的全方位考核方式。

3 加强实践教学，提高学生综合技能

3.1 不断改进实验教学内容

酶工程是一门实践性很强的学科，因此开设好实验课对于帮助学生理解理论知识、提高动手操作能力、培养实验技能、开展创新性综合实验设计和研究都具有非常重要的促进和推动作用。在实践性教学中应根据本学科的交叉性特点，在开设好本课程实验教学课程的同时，应积极配合生物化学课程中有关酶学基础、分子生物学中有关酶基因的提取和表达、高年级阶段开设的生物技术与工程综合实验(生物工程中的上、中和下游技术综合设计实验)的有关实验教学，不断改进实验课程教学方法、尽力完善实验教学内容，使酶工程的理论与实践教学有机结合。

3.2 注重参观和生产实习

根据酶工程所具有的实践性、应用性和综合化等特点，在上好理论课和实验课的同时应注重培养学生的工程化、产业化专业思想[9]。学校应积极创造良好的校企联合环境，为理工科专业学生的有关课程参观见习、专业实习建立平台，使学生能在毕业之后尽早适应企业生产的要求。例如在讲授完酶的分离纯化、酶反应器和酶的应用等有关章节后，应积极组织学生进行参观实习，能较为深入地认识和了解大生产线上的相关设备和操作技能，为学生今后的就业和上岗做好准备。

4 几点建议与思考

4.1 精选教材

教材是教学资源的重要组成部分，是教学内容的主要载体。酶工程的主要内容包括酶学基础知识、酶的生产、酶的分离纯化、酶的分子修饰、酶的固定化、酶的非水相催化、酶分子工程、酶反应器、特殊酶(模拟酶、抗体酶、印迹酶、杂合酶和核酶等)以及酶的应用等主要内容。这些主要内容都应该包含在所选用的教材中。教师一方面要根据酶工程学科的内容框架钻研教材，熟悉和掌握相关知识章节，另一方面应精选教材。在选择教材时要从以下几方面着手：一看作者，二看级别，三看出版社，四看出版日期和版次。从目前国内出版的教材情况分析，由郭勇主编、高等教育出版社出版的“生物技术和生物工程专业规划教材”《酶工程原理与技术》，袁勤生主编、华东理工大学出版社出版的“国家十五重点图书”《酶与酶工程》，陈守文主编、科学出版社出版的《酶工程》，吴敬主编、科学出版社出版的《酶工程》等教材均非常适合本科层次生物技术与生物工程专业学生作为《酶工程》教材[10]。

4.2 强化创新性综合设计实验内容

《酶工程》一般在大学三年级开设。此时学生都具有一般的生物技术与生物工程专业的基础知识和实验技能，另外由于同时开设有分子生物学、微生物学、基因工程和微生物工程等理论课程和实验课程，因此在开设好本课程实验教学的基础上结合其他相关课程，开设大综合、研究型、专业型实验，对于强化创新性综合设计实验内容、提高学生在学习专业课程中的主观能动性和创造性都具有非常重要的意义[11]。根据生物工程操作单元中的上中下游流程，可开设综合有基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和生物分离工程的大综合实验，例如通过对某一酶基因的克隆与表达，构建工程菌(上游)；然后进行发酵产酶的过程控制与条件优化(中游)，再进行酶的提取、分离和纯化(下游)，最后进行酶学性质的研究和初步的应用实验。通过开设这种综合大实验，一方面可提高学生的知识水平和实验设计能力，另一方面可使学生对专业有一个系统、整体的认识。

4.3 发挥精品课程的带动作用

精品课程的建设旨在全面提高教育教学质量，尤其是课程教学质量。精品课程的建设是一个系统的工作，也是一个高技术性和较高学术水平的工作。通过建设一门核心必修课的精品课程，可以带动一个学科群的发展和一个教学科研团队的壮大[12]。例如根据学科的交叉和融合特点，可以在建设《生物化学》、《微生物学》精品课程的基础上，带动《酶工程》、《微生物工程》和《生物分离工程》等有关课程的发展。在达到教学资源共享、教师队伍优势组合和学科对话的同时也不断完善教学设施和条件，提高教学质量。

[1]施巧琴. 酶工程[M]. 北京：科学出版社，2005.

[2]郭 勇. 酶工程研究进展与发展前景[J]. 华南理工大学学报：自然科学版, 2002, 30(11): 132-135.

[3]金黎明, 权春善, 刘宝全, 等. 酶工程课程教学改革探索[J]. 微生物学通报, 2012, 39(1): 121-124.

[4]李亚静, 汪 洋, 孔维宝, 等. 酶学研究中的诺贝尔奖获得者及其贡献[J]. 生物学通报, 2014, 49(9): 54-58.

[5]郭 勇. 酶工程原理与技术[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[6]孙志浩. 生物催化工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[7]魏胜华, 汤 斌, 陶玉贵, 等. 案例教学法在《酶工程》教学中的应用[J]. 生物学杂志, 2011, 28(5): 103-105.

[8]张庭廷, 施 媚. “酶工程”教学与课程建设的探讨[J]. 生物学杂志, 2009, 26(3): 91-92.

[9]程仕伟, 缪 静. 产业化案例辅助“酶工程”理论教学的探讨[J]. 微生物学通报, 2011, 38(6): 942-945.

[10]陈守文. 酶工程[M]. 北京：科学出版社，2008.

[11]刘杰凤, 周 天, 韩寒冰, 等. 大工程观理念下的生物技术综合实验教学改革与探索[J]. 高等理科教育, 2010(3): 70-74.

[12]薛胜平, 闫洪波, 张瑞平, 等. 蛋白质与酶工程精品课程的建设[J]. 微生物学通报, 2011, 38(10): 1579-1583.

Practice and thinking of enzyme engineering course teaching for biotechnology undergraduate major

KONG Wei-bao, YANG Hong, ZENG Jia-yu, NIU Shi-quan

(College of Life Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China)

Enzyme engineering course is one of the professional core courses in biotechnology major, and it plays an important role in professional teaching and constructing the students′ professional knowledge system. This paper introduces the teaching practice and experience in professional courses of enzyme engineering for biotechnology undergraduate major. Some ideas and suggestions are put forward to improving the teaching quality and learning effectiveness.

biotechnology major; enzyme engineering; teaching practice; thoughts on teaching

2014-11-13；

2014-11-28

西北师范大学重点教学研究项目资助(2013010B)

孔维宝，博士，副教授，研究方向为应用微生物与酶工程，E-mail: kwbao@163.com；

牛世全，硕士，教授，研究方向为微生物学，E-mail: sqniu@nwnu.edu.cn。

G420; Q814

C

2095-1736(2015)05-101-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.05.101