高校酶工程教学的课程设计及教学方法应用

刘新育 林晖 王风芹

摘 要 酶工程是是生物工程的一个重要组成部分。为使学生掌握酶工程基本原理、提高酶工程实践操作能力，本文对课程设计、教学内容和教学方法进行了初步总结。课程设计理念为突出前沿性、强调应用性、体现工程特色。教学方法方面重视绪论教学、案例教学和启发式教学，收到了良好的教学效果。

关键词 酶工程 课程设计 教学方法

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.063

Abstract Enzyme engineering is an important part of bioengineering. In order to enable students to master its basic principles and improve their practical operation ability， this paper gives a preliminary summary on curriculum design， teaching content and teaching methods. The concept of curriculum design is to highlight its frontier， emphasize its application， and reflect its engineering characteristics. Teaching methods pay attention to the introduction teaching， case teaching and heuristic teaching， and have received good teaching results.

Keywords enzyme engineering； curriculum design； teaching methods

酶工程是生物催化的核心組成部分，在研究内容和手段上与结构生物学、基因工程、蛋白质工程、发酵工程、代谢工程、合成生物学等学科相互交融，成为现代生物技术的支柱和核心之一。酶工程作为生物制造工业体系的核心受到学术界和工业界的密切关注。我国是一个用酶大国，2016年中国的酶制剂年复合增长率为9.60%，但我国同时又是一个产酶小国，2014年中国酶制剂市场消费规模仅占全球的9.4%，未来发展空间广阔。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》指出，发展高效工业生物催化转化技术体系，提升绿色生物工艺应用水平。基因工程酶的应用和酶的新应用领域开发等酶工程技术可以促进绿色生物工艺在农业、化工、食品、医药、轻纺、冶金、能源等领域全面进入和示范应用，显著降低物耗能耗和污染物排放。[1]为服务于河南发酵产业的发展，河南农业大学于上世纪90年代为微生物发酵专业开设了“酶制剂工艺学”，为了适应酶的分子改造和酶工程应用技术的快速发展，本课程授课内容也在不断的更新，近年来将课程名称更名为“酶工程”。目前“酶工程”是面向生物工程专业开设的一门理论性和实践性并重的核心课程，学习目标是要求学生掌握酶工程基本原理，提高酶工程实践操作能力。作者经过十多年的课堂探索，对本课程的课程设计和教学方法进行了初步总结。

1 课程设计

通过参加全国性的酶工程学术会议、深入酶生产企业和用酶企业进行充分调研、与企业技术人员和销售人员座谈，以及查阅文献等多种渠道，调查了解酶的研究、生产和应用中存在的问题，在此基础上，紧密围绕酶及酶工程研究、开发和应用过程中必需的基础理论、实验技术和操作技能，确定“酶工程”教学大纲和教学内容，并最终形成了相应的模块体系。本课程包括理论教学与实验教学两部分，内容互相渗透，该模式突出了酶工程理论知识的前沿性，又强调了技术手段在实践中的应用，对学生“知识、技能、素质”的全面发展起到积极的作用。

（1）突出前沿性：酶工程是新一代工业生物技术的核心，而酶产品在产业化过程中，存在众多亟待解决的难题。随着高通量测序和定向进化技术、结构生物学和计算生物学的发展，必须通过定向进化技术、半理性设计和理性设计等手段等技术手段进行酶的基因操作和分子改造，已是酶工程发展的必经之路。新技术、新工具的研究和开发已成为酶工程发展的前沿课题，在此基础上定制高端酶制剂、酶分子机器及细胞工厂，开发新产品，实现生物质资源向高附加值生物基材料、化学品、生物能源等工业产品的转化，已成为酶工程发展的必然趋势。[2]因此作为本科高校的教室应该紧密跟踪学科发展的前沿，并及时将该领域的最新进展更新到教学内容中。

（2）强调应用性：酶工程是一门与生产实践密切联系的应用学科，所涉及的产品和领域与人们的日常生活息息相关。酶工程是酶学研究成果与产业化之间的桥梁，也是生物产业化成功的重要领域之一。目前酶工程产业化最成功的领域是食品用酶和饲料用酶，医药中间体生产用酶在近几年也成蓬勃发展之势。因此在教学过程中对我国用量最大和用途最广的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶和植酸酶等重要酶种类做重点讲述，另外对于医药中间体生产和医疗诊断等领域使用的附加值较高的酶产品也进行详细讲解，特别关注新品种酶开发、产量提高、用酶新领域的拓宽等教学内容，向学生充分展现酶及酶工程在人类生活和生产中的具体应用和前景。

（3）体现工程特色：酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术，因此本课程的先修课程包括生物化学、微生物学、微生物工程、基因工程，授课内容方面与生物化学、微生物工程、基因工程等很多学科相互交叉渗透，授课时应避免不必要的重复。因此，教材的选择突出工程特色，选择《酶制剂工艺学》作为主要教材，以及《生物催化剂与酶工程》、《工业生物转化过程》和《工业酶：制备和应用》的国外教材中译本作为辅助教材。针对工业催化应用中对酶的要求讲述酶的基础知识、工业酶生产菌种及其遗传改良和微生物发酵产酶等内容，结合量酶工程产业化实例重点介绍酶的工业提取与精制、酶与细胞固定化、酶有机相催化、酶的化学修饰及酶工程反应器等具有工程特色的内容。实验内容包括酶的分段盐析及透析、酶工业纯化效果评价、酶的固定化和固定化酶应用等酶工程基本技术。

2 教学方法与手段

（1）重视绪论教学：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。[3]同时通过酶生产企业、应用领域和市场前景的介绍，激发了学生对该学科的学习兴趣，渗透专业思想教育。通过绪论教学，着重强调酶工程是一门与生物化学、微生物学、发酵工程和基因工程等其它学科领域有密切联系的课程，学习这门课不仅可以将过去学习的零散知识系统化，又可使理论知识得以与生产实践密切结合。

（2）案例教学：案例可以是具体的科研课题或者是生产实践中出现的具体问题，使教学内容跟上学科的时代发展。[4]作为一种互动式的教学，教师提出问题（如：如何利用酶工程手段提高酶在應用过程中的热稳定性、如何通过技术手段多环节降低用酶成本），适时启发并引导学生运用基础理论分析并解决实际问题，培养了学生分析问题和解决问题的能力，将传授知识从单向的灌输转为双向的交流，使学生变由被动听讲转为主动参与，深化理解知识点，有利于提高教学效果，促进学生各项综合能力的培养。同时，这种方法对教师本身也具有促进作用，教师不仅要熟读教材，而且要查阅最新文献，追踪该领域的发展动态，同时结合科研和生产实际，举出新的实例。因此，案例教学法可以更好的实现“以科研促进教学，以教学带动科研”的双赢效果。[5]

（3）启发式教学：采用启发式教学，调动学生的学习主动性和积极性，实现教师主导作用与学生积极性相结合。例如酶和细胞固定化部分，让学生设想能不能以固定化细胞的方式代替现有的游离细胞方式来生产维生素C？是否可以采用固定化酶或者游离酶催化形式？列出酶催化甾体羟基化反应式后，让学生推测利用该反应进行细胞催化时如何控制生产条件才能提高底物的转化效率，采用固定化细胞进行甾体羟基化催化是否具有可行性？进而引入理论知识的讲解。

（4）多媒体演示：讲授酶的大规模发酵、纯化以及酶反应器部分内容时，将作者在酶工程企业现场拍摄的照片或视频以及互联网上精选的多媒体资料，向学生展示相关生产设备的实物图片和结构图。由于作者本人有在企业使用这些设备的经验，因此可以较为详细的讲授其流程、原理和操作技术，收到了良好的教学效果。

3 课程的改进方向

通过课堂设计和教学方法方面的探索和应用，收到了良好的教学效果。在以后的课堂教学和实验教学中，需要以核心课程评估体系为依据，进一步加大实验材料和设备的投入力度，进一步优化教学内容，开设更贴近生产实践的工程类试验，更具实用性。同时继续加大教学方法的改进力度，充分利用各种手段特别是现代教育技术增强教学效果。创造机会让学生参与酶工程企业进行参观实习。让学生更多的参与实验的方案设计，多进行综合性、研究性的实验，[6]激发学生的学习热情和积极性，培养学生的问题意识，提高学生的实践能力和分析、解决问题的能力。

参考文献

[1] 国务院.“十三五”国家战略性新兴产业发展规划. 2016年.

[2] 魏东芝.定制酶分子机器/细胞工厂，引领生物制造产业未来[C].中国酶工程学术研讨会，2017.

[3] 孔维宝，杨红，曾家豫，牛世全.生物技术本科专业“酶工程”课程的教学实践与思考[J].生物学杂志，2015.32（05）：101-103，100.

[4] 吴士筠，魏艳芬，乐薇.生物工程专业酶工程技术实验教学模式改革探索与实践[J].科教导刊（上旬刊），2014（03）：122-123.

[5] 周海岩，王亚军，牛坤，贾东旭，王远山，郑裕国.“酶工程”课程教学改革的探索与实践[J].高校生物学教学研究（电子版），2016.6（03）：40-43.

[6] 周香艳，张宁，王翠玲，王旺田，吴兵，司怀军.酶工程课程教学改革与实践[J].生物学杂志：1-4