生物工程专业发酵工程课程群构建的探索

张弘弛

(山西大同大学 生命科学学院，山西 大同 037009)

随着大同市战略转型发展，大同地区食品开发和药品生产企业迎来了飞速发展的时期，在山西北部甚至是华北地区形成了规模集中的医药园区和食品园区，特别是医药第一和第二园区生产规模居国内前列。

山西大同大学作为晋北地区唯一一所全日制多科性大学，以培养高水平应用型人才为中心，为地方各行业培养了大批优秀人才，受到用人单位和社会的普遍好评。而生物工程专业从设置之初，就致力于服务大同地区经济发展，目前凝练出微生物制药与天然药物制备、酿造与酿酒的两个培养方向，因其与地方发展的紧密贴切度以及在实践教学中的创新，在2014年生物工程专业被确立为学校的特色专业。2015年以来，随着学校创新性教学改革，生物工程专业毫无例外地参与到教学改革中，打破原有的课程界限，围绕应用型人才培养的目标，将多门专业课程进行整合，形成了独具特色的发酵工程课程群。

1 发酵工程课程群构建的必要性

生物工程专业的培养目标是通过掌握生物学基础知识和生物技术及其产业化的原理、工艺过程和工程设计，能在发酵工程和食品工程领域从事工艺设计和生产管理的工程技术人才。该专业的定位为应用型人才，社会对高校人才培养要求是从岗位能力的需求出发，注重生产实践能力的提高。

但是，一直以来，生物工程专业在教学环节上还存在理论教学和专业生产实践相脱节等现象，因此，对其理论和实践应用教学内容进行整合，构建发酵工程课程群是生物工程专业自身建设的内在需要。发酵工程课程是综合性和应用性很强的专业课程，与生产实践具有紧密的联系，发酵产业具有一定的地区性，目前我们的教学内容还远不适应大同地区发酵产品资源开发与深加工的需要，工艺理论和专业实践都不足以与大同地区产业相对接，以应用为目的构建发酵工程课程群，是为地方经济建设培养生物工程技术人才的客观要求和外在动力。

生物工程专业课程体系以发酵工程为核心课程，以生物反应工程和生物工程设备为上游课程，以生物分离工程、酶工程和生物工程工厂设计为下游课程，按照理论知识“必需、够用”、专业实践与“实际生产线对接”的原则，将一些具体的技术理论整合到发酵工程应用课程中，将单一的发酵工程课程拓展为综合性、设计性、生产性专业综合训练实践课，这些课程相互联系、渗透和整合形成一个有机统一的整体，环环相扣、螺旋上升，是构建发酵工程课程群特色的必然选择。

2 发酵工程课程群的构建思路

课程群是指若干门彼此独立，但内容上密切相关、相承和渗透，具有某一共同属性的一组课程集群[1]。在生物产品发酵生产过程中，主要包括两个阶段，发酵过程和生物分离提取。发酵工程包括细胞反应机理、代谢调控、生物工程设备、工艺以及检测、工厂设计等。而这些知识主要源自“生物反应工程”、“酶工程”、“生物工程设备”、“生物分离工程”、“生物工程工厂设计”这些专业课程，将这些课程进行整合，再结合“发酵工程实验”、“生物工程大实验”、“生产见习”、“毕业实习和毕业设计”等实践教学环节，形成发酵工程课程群，使生物工程产业化环节(发酵)将更系统、更具有应用性。

3 生物工程课程群内容的有机整合

3.1 课程群的内容梳理

课程群建设是一个教学系统工程，不是简单的将几门课程直接拼凑[2]。在实际教学中，所有专业课程都会出现教学内容重叠的现象，因而，如何有机衔接合整合课程群的教学内容，是课程群建设的核心所在。我们基于生产实际的需要，将发酵工程课程群的知识进行了生产实际化，形成一个应用性强的教学体系。突出课程群中每门课程的侧重点，避免课程内容的交叉重复。

“发酵工程”是生物工程专业的主干课程和学位课程，该课程突出有关发酵过程的化学、生物学、生物化学和微生物学的原理，以生产产品的典型流程讲述生物产品生产的一般规律(即基础知识和原理部分)，依照工艺流程对模块知识点进行“打包”，教学方法采用单元操作与发酵案例结合法，包括6个项目：生产菌种选育；培养基的制备和灭菌；无菌空气制备和种子扩大培养；发酵设备和发酵过程控制；染菌的防治；产品的分离提纯。在课堂教学内容上强调工业微生物菌种选育和发酵过程中各类参数的控制等一些共性技术的部分，同时辅之有代表性的产品的发酵工艺和方法的介绍，通过点面结合促进学生理解[3]。将发酵过程动力学以及反应器操作模式与模型的内容整合到“生物反应工程”中讲解，将“设备选型和设备设计”整合到“生物工程设备”讲解。

“生物反应工程”主要介绍生物反应过程中带有共性的工程技术问题，是发酵工程课程群中其他课程的理论基础。本课程的基本理论分为三个部分：生物反应过程动力学、生物反应器和生物反应过程的放大三部分内容。通过本课程的学习，要求学生掌握生物反应过程重点是酶促反应及微生物反应动力学基本规律，掌握生物反应器的基本理论和设计的基本方法，了解本领域国内外的研究进展，能够通过运用所学的理论知识进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、扩大、操作和优化控制。

“酶工程”是建立在微生物学、生物化学、分子生物学、生物技术原理、发酵工程原理等专业基础课和相关专业课基础上的一门重要的专业应用性课程。主要研究酶的生产、改性与应用的技术过程。

“生物分离工程”要求学生准确理解并掌握生物活性物质分离过程的特点和基本规律。通过本门课程的学习，要求学生准确理解并掌握生物活性物质分离过程的特点和基本规律，掌握生物分离中一些重要分离技术的原理和方法，了解新型生物分离技术。要求学生掌握并运用相关公式进行一些生物分离过程的计算，加深对生物分离过程基本原理的理解。在系统地掌握生物分离技术的操作技能的基础上，使学生在实际工作中能够正确地选择和运用各种生物分离技术，培养学生综合分析和解决问题的能力。

“生物工程设备”课程的目的是使学生掌握生物工厂主要设备的种类、结构、原理、特点，掌握主要设备的设计计算及选型，初步了解设备的安装与维护。

“生物工程工厂设计”是生物工程专业一门综合性、实践性很强的专业必修课，它是在学生基本完成大学全部课程，扎实掌握基础理论、工程技能及专业理论、专业知识的基础上开设的。本课程既有一定基础理论，又有较强的工程实际应用。学生在课程学习过程中一方面学习工程设计的有关基础知识，以及发酵工厂工艺、设备等实际情况，另一方面让学生根据所学进行简单的发酵工厂设计，以解决企业的产品技术经济问题。

3.2 课程群的内容整合

发酵工程课程群内各课程内容联系紧密，因此在安排教学计划时需要统筹兼顾。“发酵工程”和“酶工程”安排在第五学期，辅以同学期从第三周开始的发酵工程实验和酶工程实验，在第六学期的最后一个教学周安排生产实习。由于将“发酵工程”的设备选型和设备设计内容调整到了生物工程设备课程中，所以将“生物工程设备”安排为先修，于第四学期开设。基于“生物反应工程”第一部分主要以生物反应过程动力学为主，将发酵工程以及酶工程等课程中相关的反应动力学内容融合到相应章节中。反应动力学与发酵工程以及酶工程课程交叉较少，同时又是其他课程的理论基础；第二部分和第三部分以生物反应器为中心，重点介绍不同操作方式下反应器的设计方法和优化，同时讨论反应器内传递及放大问题。该部分内容与发酵工程和酶工程中发酵操作方式、生物工程设备中的反应器结构等内容交叉较多。在优化课程内容时，将“生物反应工程”安排在第五学期与其他群内相关课程同时开设，重点从反应器的操作方式与理论模型、反应器内物质的传递、混合特性的角度来讲授；而提前开设的“生物工程设备”课程主要从各种设备的结构功能层面来讲授。“生物分离工程”主要内容是生物制品的下游技术和原理，因而设置在第七学期开设，最后于第七学期中期开设设计性课程“生物工程工厂设计”。

4 生物工程课程群的升华

在应用型人才培养过程中，实验教学是不可缺少的重要组成部分，对学生综合素质的提高，理论联系实际、工程实践、解决实际问题和创新能力的培养起着非常重要的作用。课程群设置了“发酵工程实验”(32课时)和以综合性大实验的体系开设的“生物工程综合大实验”(48学时)。按照从专业方向角度设置的实验体系达到与就业的过渡衔接，我们把“生物工程综合大实验”内容主要分为微生物制药发酵部分、酶制剂发酵及分离提取部分、天然药物提取分离部分。

生物工程历届毕业生多数在大同、北京和上海等地的发酵制药企业和生物制品企业就业，为了达到与企业的对接，我们在教授微生物制药发酵部分时，以教学实习基地—国药威奇达制药有限公司的产品青霉素作为综合实验的主要内容(16学时)。包括：保藏的菌种的传代和活化，生产菌株的诱变育种，筛选活性较高的菌株实施实验室规模制备种子，最后进行发酵罐发酵。同时在发酵过程中，按照设计方案，对发酵过程进行工艺调控。发酵结束后，测定发酵液中青霉素效价，最后进行青霉素的提取与分离。

在应用型人才培养过程中，教学见习、实习是另一个重要环节，通过在相关企业的见习，学生对相关企业的工艺有了初步的了解，以及对工厂车间的设计与布置，有了较全面的了解，这样有利于学生将书本知识与实际情况紧密结合起来，加深对所学课程知识的理解，使学习和实践相结合[4]。

5 生物工程课程群的应用

毕业设计是本科生毕业前最后一个教学环节，体现培养目标的要求，培养学生综合应用所学的知识和技能分析解决实际问题的独立工作能力，提高学生的综合素质，对保证培养具备生物技术与工程领域从事设计和生产管理方面的知识和能力的高素质人才有着十分重要的意义。

我校毕业设计环节分为两类，一是考研同学和导师制从事科研的学生完成科研性实验的毕业论文；二是与相关企业达成就业意向的同学的生物制品的相关设计。生物制品的相关设计是衔接发酵工程课程群教学内容与就业的最有效手段之一。例如，学生如果在国药威奇达制药厂就业，指导教师就会安排学生做青霉素发酵工艺以及设备选型的设计，如在华润雪花啤酒厂就业，指导教师就会安排学生做糖化和糊化工艺以及设备选型的设计。设计内容除了车间年产量，还包括工艺和设备部分，计算完成产量所需要的所有原料的衡算(培养基、补料等各种原料的成分和用量)、水、电、蒸汽消耗量等，还包括设备选型和设计(发车间用到的每一个设备的详细结构参数和数量)。整个设计过程会综合性地涉及到发酵工程课程群的发酵工程、生物反应工程、生物工程设备、生物工程工厂设计等理论知识。

生物工程课程群的构建是建设生物工程专业的关键环节，通过课程群的构建，使相关课程进行整合，避免重复性授课过程，完成对教学内容的整合，实现课程建设的“群落化”，保证教

师的教学效果。在此基础上结合地区经济建设需求，设置好专业培养方向，进行教学内容的更新，使其更符合企业的需求，培养出更适应社会发展的应用型技术人才。

[1]耿 珺.《化学教学论》课程群建设的探索与思考[J].江苏教育学院学报:自然科学版,2012,28(4): 1-4.

[2]赵宏宇.生物工程专业发酵课程群建设探索[J].微生物学通报,2016,43(4):793-797.

[3]赵宏宇.地方院校“生物工艺学”课程教学方法的探索[J].实验技术与管理,2014,31(12):185-187.

[4]程水明.基于CDIO的“微生物学课程群”教学改革与实践[J].广州化工,2014,42(1):134-136.