增强学生理论与实践相结合意识的生化工程教学改革

于贞 姜爱丽 常秀莲 林剑 鞠宝 邢荣莲

【摘 要】《生化工程》是生物工程专业最难得课程之一，它理论抽象、逻辑性和综合性强，对数学的要求高，是一门理论与实践紧密结合的课程，授课过程将《生化工程》是为生物技术产业化服务的这一思想贯穿在整个教学过程中，将基本概念与基本原理始终与它们在生产实践的应用结合起来，增强了学生理论联系实践的意识，提高了学生分析问题和解决问题的能力，达到了较好的教学效果。

【关键词】生化工程;产业化;理论联系实践;教学效果

【中图分类号】G642       【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）11-0112-01

《生化工程》是将生物技术的实验室成果转化为现实生产力的学科，它研究和解决的是生物反应过程中带有共性的工程技术问题[1，2]，因而《生物化学工程》是生物工程专业的核心专业基础课，在生物工程专业课教学中占有十分重要的地位，对于提高学生的理论水平起到重要的作用。

随着近几年高校的不断扩召，学生数量猛增，而教学资源相对不足，特别是象高等数学这样的基础课，学生大班上课，再加上数学课的逻辑性强，很多学生对高等数学都很头疼。而《生化工程》课，本身对高等数学的要求比较高，同时其前修课程，恰恰包括了对数学要求很高的《物理化学》、《化工原理》，同时还包括《生物化学》、《微生物学》等课程，因此，《生化工程》是一门综合性强，理论性强和逻辑性强，让学生觉得难度很大的理论基础课程[3]，特别是其中涉及的反应机理和所得的动力学方程，让学生看到了一堆的数学公式，畏难情绪高涨，对这门课有着抵触情绪，学得很是艰难，对理论的把握达不到教学要求，难以在实践过程中加以运用，因而影响了我们的教学效果。

以往的《生化工程》教学过程中注重让学生加深对动力学理论的理解，因而授课过程中强化是理论的数学推导，即便有为了强化理论运用的计算题，学生仍然觉得上《生物化学工程》课太难，因为学生的数学基础较差，碰到与数学关系密切的课本能的抗拒，再加上《生化工程》的前置课程《物理化学》和《化工原理》也是和数学关系密切的课，所以一直以来，《生化工程》的教学效果不尽如人意，教师讲得累，学生学得也辛苦，难以达到学生提高理论水平的要求。因此，如何在教学过程中激发学生的学习兴趣，深入理解《生化工程》的理论知识，并学会将这些理论用来指导生产，强化学生理论与实践相结合的意识，提高学生分析问题解决问题的能力，是教学中面临的重大课题。结合长期的本科教学工作，笔者对《生化工程》的教学内容、教学方法和教学手段进行了逐步的探索，取得了良好的教学效果。

一、在授课过程中强化学生的工程意识，增强学生学好《生化工程》的使命感

《生化工程》是在青霉素工业化生产的过程中，创造性的应用化学工程学的原理与方法解决了青霉素发酵生产过程中产黄青霉需氧和染菌的主要矛盾，使得青霉素的大规模工业化生产成为可能，可以说青霉素工业化生产的历史就是《生化工程》诞生的历史。它解决了好养微生物发酵的关键技术问题即氧的传质，培养基和空气的灭菌技术解决了染菌的难题，引发了其他好养微生物发酵产品比如氨基酸工业的大规模生产，开创了好氧发酵的新纪元，而《生化工程》也是在解决发酵生产过程中遇到的新的具有共性的工程技术的过程中得到不断的发展。所以《生化工程》其实是生物技术产业化的桥梁，是为工业化服务的，这一思想贯穿在整个授课过程中，不断强化学生的工程意识，让学生充分认识到《生化工程》在生物技术产业化过程中能够解决哪些工程技术问题，产生什么样的经济效益，明确《生化工程》在学科体系中的重要性，增强学生学好《生化工程》的使命感。

二、将《生化工程》理论教学与实验、生产相结合，增强学生理论与实践相結合的意识

1.将《生化工程》的基本概念与和实验方案相结合，强化学生对概念的理解。

《生化工程》被认为是生物工程专业最难的课程之一。该课程理论抽象，推理太难，对数学的要求特别高，使学生的学习兴趣不高。

为了使学生加深对《生化工程》理论的理解，在讲解基本概念时，从生产实例入手，通过生产实例的介绍过渡到基本概念的引出，并力求将概念具体化和实践化，也就是将概念转化成在实验室能进行测定的参数，这样概念就是活的，更有利于学生对基本概念的把握。比如在讲述生物工程的基本概念时，先从合成氨和味精生产两个典型的化学反应过程入手，分析两个化学反应过程不同特点，点明产生这种差别的原因是因为催化剂的不同而引起的，再进一步引申出生物工程的基本概念，并根据生物催化剂在生物反应过程的不同用途，让学生根据生活举出具体的产品实例

比如在讲培养基高温短时灭菌的基本原理时，这里涉及到反应的活化能，“活化能”这个概念，其实在《无机化学》、《有机化学》和《物理化学》等课程中均有涉猎，它表示反应分子达到活化分子所需的能量，活化能影响了化学反应速率的快慢，催化剂如酶能降低反应活化能，所以能加快化学反应速率。如何测定一个反应的活化能？怎么就知道芽孢受热死亡的活化能高，营养物质受热分解的活化能低？根据反映活化能和反应速率相互关系的阿伦纽斯定理，设计实验方案，并确定实验过程中要测定哪些数据，如何处理这些数据才能减少误差，最后获得反应的活化能。通过这种方式，将《生化工程》中所涉及到的概念尽可能的转化成为在实验室能够检测的参数，使学生对概念的理解和掌握更加深入。

《生化工程》中涉及到的公式有很多，为了让学生学会从工程角度处理实际问题，我们会首先从反应的机理出发，用数学的方法严密的推导出来，让学生了解的动力学方程的出处，对动力学中各变量和模型参数有清晰的认识。这样可以增强学生的逻辑思维，加深学生对公式的理解，同时为了引导学生学会应用这些公式，我们把重点放到如何根据所得的动力学方程，设计具体的实验方案，以便获得我们所需的模型参数，并在生产过程中如何根据模型参数的物理意义来甄别实验结果的好坏。这样学生对数学模型的理解更为透彻，能更好地将理论运用到生产实践中去。

2.将理论原理与实例分析相结合，提高学生的学习兴趣。

理论原理的讲授一般比较枯燥，为了增强学生的学习兴趣，一般从理论原理产生的生产背景和理论背景出发，阐明当时的学术背景下面临的主要矛盾，人们是如何解决这个主要矛盾从而导致新的理论的突破和产品产量和质量的大幅提高，比如味精的大规模生产和普及。味精最初是用盐酸将小麦蛋白降解，再将谷氨酸提纯，最后用强碱进行中和后生成谷氨酸单钠即味精，然而这种方式生产的味精，对原料的利用率低，生产过程中要用到强酸强碱，对设备和环境的破坏也很严重，因而当时的味精是一种奢侈品，而好养发酵工艺的产生，对味精的生产产生了巨大的影響，不仅因为发酵法对环境友好，条件温和，而且采用深层液体发酵技术，使得产量大幅度增加，使得味精很快就成为普通家庭的生活必需品，提高了人们的生活水平。这样不仅使学生了解了理论原理的发展历史，而且看到了理论突破对生产力的作用，增强了学生分析问题解决问题的信念。由于学生上《生化工程》之前经历过认识实习，学生对生物工程相关企业有了初步了解，所以在授课过程中介绍完将基本原理后，让学生用学过的原理解释生产实习看到的现象，将认识实习中获得的感性认识上升到理性认识。

3.将生物化学工程基本原理与生产工艺的优化相结合，强化学生理论联系实践的意识。

《生化工程》本身就是将生物技术的实验室成果转化为现实生产力的学科，因此生化产品产业化过程中的传质、传热、动量传递及反应过程的优化都离不开《生化工程》的理论指导。因此结合生产过程中遇到的实际问题，是如何利用生化工程的基本原理结合计算机技术加以解决的，引导学生在实际生产和科研过程中如何利用反应动力学的基本原理来优化生产工艺，提高产品产量和质量。比如在青霉素生产过程中如果用BSTR会由于产黄青霉比生长速率低导致发酵周期长达100h，而利用三个CSTR串联来对生产过程进行优化，可以缩短发酵时间32h，大大提高了单位时间产品的产率;同时在发酵过程中，利用微生物生长和青霉素形成均与温度有关的特点，建立起微生物生长速率、青霉素生成速率与温度的反应动力学方程，运用计算机技术得到青霉素生成过程中各个时期的最佳温度，对青霉素的生产过程实行分段控制的先进生产工艺，使青霉素的产量比恒温控制时提高了76.6%[4]，大大提高了单位发酵液中青霉素的效价，让学生深刻体会到《生化工程》的基本理论对生产的指导作用，有利于学生在今后的科研和工作过程中更好地利用《生化工程》的基本原理解决实际问题。

通过以上改革，使学生加深了对《生物化学工程》课程基本概念、基本理论的理解，对基本结论的理解更加深刻，并能够很熟练地根据所学理论设计实验方案，且对所得的数据能够进行正确处理，对于提高同学们的实际操作能力、理论联系实际、分析问题解决问题的能力有着显著的推动作用。随着上述实践教学体系的不断提高和完善，对于生物工程专业的整体教学水平的提高也必将有着重要的意义。

参考文献

[1]戚以政，汪淑雄.生化反应动力学与反应器[M].北京：化学工业出版社，1999.

[2]贾士儒.生物反应工程原理[M].北京：科学出版社，2002.

[3]韩培培，贾士儒，乔长晟.浅谈如何上好生物反应工程课[J].广州化工，2012（3）：148-154.

[4]山根恒夫.生化反应工程（周斌译）[M].西安：西北大学出版社，1992.

作者简介：于贞，女，（1973-），博士，副教授，从事生物工程教学与科研工作。

项目基金：烟台大学2017年教改项目《强化学生理论与实践相结合意识、提高学生素质的生化工程教学改革》资助。