生物分离工程研究生实验课程教学模式改革

周 治， 朱本伟， 王浩绮， 姚 忠

（南京工业大学a.科学研究部自然科学处；b.生物与制药工程学院，南京211816）

0 引 言

生物分离工程是指从微生物、动植物细胞及其生物化学产物中提取有用物质的技术，是生物工程中不可缺少的也是极为重要的过程环节［1］，它利用化工过程的各种单元操作将有用的目标产物从复杂的反应体系中分离出来，可以有效解决目前生物工程工艺中存在的技术瓶颈，成为化工、医药、生物、环境等领域的研究热点。同时，生物分离工程也是为生物工程类等相关工科研究生开设的专业核心课程，该课程兼有工程“技术”与“科学”的双重特点，是一门理论与实践密切结合的课程，在生物工程专业的课程设置中处于桥梁和纽带地位，对专业人才的培养发挥着重要的作用［2］。

1 生物分离工程实验教学中存在的问题

在国家大力推行新工科教育的大背景下，如何培养研究生的创新能力和科研素养成为工科专业教学要求的重要目标［3］。然而，在当前生物分离工程的实验教学实践中仍存在一些问题，极大地限制了研究生创新能力的培养，从而难以达到新工科背景下的教学目标。

（1）实验过程耗时长，学生难以掌握实验进度。由于受到实验场地、资金以及课时限定等条件的制约，只能以传统实验课的模式即以分散的单元操作来完成该类课程的实验教学，过程耗时长，学生难以掌握实验进度。例如，在进行“链霉菌发酵液中提取多抗菌素”的实验教学时，由于发酵体系中组分过于复杂，目标产物含量极低（质量分数约为0.13%～0.22%），需要采用多种生物分离技术手段来进行，如将发酵液离心去除菌体后先后进行浸提、旋蒸、硅胶柱分离、凝胶色谱分离、高效液相色谱等一系列单元操作，理论上整个实验流程约为1周，但由于学生课程安排等原因，完成该实验流程实际上需要2～3周的时间，由于耗时太长在教学实践中无法实现，在这种模式下，学生不仅很难掌握一个完整的分离工艺过程操作，而且对于核心环节的分离过程控制也缺乏有效的实践，造成学生的基本实践技能不扎实，往往是学了后面的忘了前面的，在后续操作中不知所措和畏难观望，无法解决实验中遇到的各种问题，由此使得学生缺乏对生物分离技术应用探究的主动性。

（2）缺乏必要的实验手段。由于教学场地及教学设备购置资金等不足，实验中缺乏高效液相色谱、气相色谱、超临界流体萃取装置等大型分离设备，造成了生物分离工程实验教学中一些涉及精细分离的实验部分无法进行，而这些实验部分是当前生物分离实践中应用较为普遍的单元操作。例如超临界流体萃取技术是近代化工和生物分离中出现的高新技术，它将传统的蒸馏和有机溶剂萃取结合一体，利用超临界CO2优良的溶解力，将基质与萃取物有效分离、提取和纯化。临界流体萃取技术使用超临界CO2对物料进行萃取，其中的萃取剂CO2是安全、无毒、廉价的液体，超临界CO2具有类似气体的扩散系数、液体的溶解力，表面张力为零，能迅速渗透进固体物质之中，提取其精华，具有高效、不易氧化、纯天然、无化学污染等特点。因此，超临界CO2流体萃取技术应用范围十分广阔，在医药工业中，可用于大多数中草药有效成份的提取，热敏性生物制品药物的精制，及脂质类混合物的分离，而在食品工业中，可用于啤酒花及色素的提取等，在香料工业中，广泛应用于天然及合成香料的精制以及化学工业中混合物的分离等。但是超临界CO2流体萃取装置的价格约为80～100万元，且设备体积庞大，需要专门的场地来放置，教学场地及资金不足造成了实验中无法让学生亲自操作在实践生产中应用广泛的设备，无法将所学的理论知识运用到实践操作中，造成了学生认知与实践的脱节，十分不利于学生应用型创新能力的培养。

（3）教学模式有待改进。传统实验教学仅仅采用教师讲授演示、学生被动学习操作等方式，整个教学过程较为枯燥，学生参与的积极性和主动性差，甚至出现有的学生全程旁观的现象，达不到教学效果。分析其原因主要有两点：①学生对本课程的兴趣不高，仅仅是出于完成学分的目的来学习本门课程，在学习过程中对于这种复杂的实验操作参与性较低；②对于本门课程的重要性以及在生产实践中的应用认识不足，据调查发现有相当一部分学生在学习本门课程的时候认为现在很多设备都是专门用于某些生产部门而且都是自动化控制，不需要了解其中的分离原理，只需要根据说明书来进行操作即可。此外，目前生物分离工程相关课程的案例式教学研究较少，且教学评价体系不完整，缺乏具有代表性的案例，阻碍了学生对本课程实践知识的认知以及应用型创新能力的培养。

2 生物分离工程实验教学的改革内容

为了迎合国家在生物工程领域的重大战略需求、响应相关部门大力开展新工科教育的号召，实现培养研究生的创新能力和科研素养成为了工科专业教学要求等重要目标，我校生物分离工程教学团队依托国家级精品课程“生物分离原理及技术”等教学资源和国家生化工程研究中心等科研教学平台，同时结合10余年从事生物分离工程实验的教学实践，在总结多年教学经验的基础上，根据企业需求和专业设置特点，以改善认知、提高能力、引导应用和鼓励探索为手段培养学生的创新能力和科研素质，并针对上述生物分离工程教学实践中存在的问题，采用虚拟仿真技术、利用公共平台优势、建设案例式教学课程等措施对生物分离工程实验的教学方式和考核标准进行调整和修改，取得了一定的效果。

2.1 开设虚拟实验，改善学生对课程知识的认知

生物分离工程实验主要涉及将生物活性物质从反应体系中提取和纯化出来的各种单元操作，例如萃取、吸附与离子交换、膜分离等。这些单元操作过程复杂，涉及的知识点多，学生缺乏直观的认知体验对这些复杂的单元操作难以理解，因而造成学习兴趣不高和教学效果低下等问题［4］。此外，由于受到实验场地及课时限定等条件的制约，只能以分散的单元操作或简单的认识实习来完成该类课程的实验教学。在这种模式下，学生不仅很难掌握一个完整的单元操作过程，而且对于核心环节的过程也缺乏有效的实践，难以形成“实践—理论—实践”的认知回路，造成学生的动手能力不扎实、缺乏对实验课程探究的主动性［5］。针对上述问题，借助虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的可

视化、直观性等特点，利用“互联网＋”技术将虚拟仿真单元操作融入真实的生物分离实验过程中，最大程度地还原真实的生物分离过程，本教学团队开发了L-苹果酸、L-丙氨酸等生物发酵产品的分离仿真软件，通过计算机模拟让学生直观地体验整个分离流程，同时对过程中所涉及的单元操作进行详细剖析和说明（见图1）。这一教改实践不仅消除了学生对于大型实验设备操作的陌生感、恐惧感，也使其对分离过程中的单元操作有了更为直观的认识，取得了良好的教学效果。

图1 生物分离工程实验课程中的虚拟仿真实验教学-高效液相色谱

通过对近5年的虚拟仿真实验教学效果进行问卷调查，结果显示虚拟仿真实验对于提高学生学习兴趣、加深学生对知识的理解、增强学生的学习效果等方面具有重要的促进作用（见图2），约9成的学生认为开设虚拟实验对于本课程的学习是十分必要的。

图2 近5年虚拟实验开设的教学效果评价情况

2.2 利用公共科研平台，提高学生的动手操作能力和实践创新能力

生物分离工程实验是一门应用性很强的课程，通过学习这门课程，学生能够系统掌握生物活性物质的提取、分离、纯化和加工的整个流程，针对特定的分离目标物质结合所学的多种生物分离技术来设计合理的提取和纯化工艺，进而培养学生“学以致用”的创新能力和创新素养，以迎合新工科教育背景下经济与社会发展对复合型创新人才的需求［6］。为了实现这一培养目标，利用学校的公共科研平台开展生物分离工程实验中的综合型实验课程，以弥补实验教学中大型贵重设备短缺、型号不齐全等缺陷。本校有国家生化工程技术研究中心和国家特种分离膜工程技术研究中心这两个国家级科研平台，平台拥有非常齐全的仪器设备如高效液相色谱、气相色谱仪、超临界流体萃取装置、超滤及纳滤膜分离装置等生物分离过程常用的仪器设备［7］。此外，在选取综合型实验内容时，注重选取应用领域广泛、包含单元操作丰富的内容，利用公共平台的设备优势让学生在教师指导下进行亲自实践操作，以提高实验教学的效果。例如，在进行超临界流体萃取实验的教学中，利用生化工程中心的大型超临界CO2流体萃取装置让学生针对仪器设备的适用范围自主选取待萃取物料（如中药材、蜂胶等），并以小组为单位，让学生自主查阅相关文献并制定实验方案，在征得指导教师审核同意后开展实验操作；并在学生亲自操作之前由教师指导熟悉该装置的构成部件、运行原理，随机选取1组的物料进行操作演示，让学生参与到从装料、萃取、分离直到产物收集的整个流程中，使得学生对整个萃取单元操作有更加直观深入的认识和了解，达到了理想的教学效果。

2.3 与科研与实践创新计划相结合，鼓励研究生开展探索型实验

研究生是科研创新的主力军，科研与实践创新计划是新工科教育背景下实践教学的重要组成部分，也是提高研究生教学质量和培养学生创新思维和创新能力的重要举措［8］。我校生物工程学科积极响应江苏省教育厅《关于实施江苏省研究生科研与实践创新计划》等文件的号召，结合自身专业特点，开展并实施了江苏省研究生科研与实践创新计划以及学校研究生科技论坛等项目，旨在提高研究生的科技创新能力。同时，在课程教学中将自主探索型实验与此类项目进行有机结合，让研究生结合所选课题学生进入相关教授实验室并参与相关的科研项目中。与此同时，积极开展研究生科技论坛等学术沙龙活动，邀请生物分离相关领域的专家来校做学术报告，与学生面对面交流自己的科研体会和心得，反响热烈。积极与专家进行互动，取得了良好的课外教学效果。如表1所示，近3年有4项研究生自主创新课题入选了江苏省研究生科技创新计划项目，其中2017和2018年度入选的项目结题情况均为优秀。在培养学生的创新思维和创新能力等科研素质、全方位锻炼学生的综合能力方面，也取得了良好的教学效果。

表1 近3年生物分离工程实验课程自主创新实验入选省研究生科技创新计划情况

2.4 采用案例式教学模式，引导学生将课程知识应用于生产实践

案例式教学最早起源于20世纪的美国哈佛商学院，是指在教学中通过引入案例并引导学生进行问题分析，锻炼学生运用所学知识解决实际问题的综合能力［9］。目前，生物分离工程教改工作中案例式或类似的教学方法已有实验教学方面的报道，但在课堂教学中的应用较少［10-11］。主要原因是案例教学易通过实际操作实施，在课堂教学中则较难模拟实际操作。教学团队在从事生物分离工程的本科教学中通过引入多个本学科已成功实现的案例，引导学生将课程知识应用到生产实践中去。例如，尝试将企业委托的技术项目“利那洛肽的纯化制备技术”作为实验课程的案例，首先引导学生查阅相关文献，找一些与目标物结构与性质类似的分离文献，采用分组讨论并拟定不同分离工艺的初步实验方案，在此基础上进行实验验证，并结合课程中所讲授的离子交换与色谱分离方法等知识对纯化工艺进行进一步的优化。最终，研究生通过反复实验验证获得了一种利那洛肽的高效分离方法，即采用离子交换与高效液相色谱相结合的方法，以阴离子交换柱为固定相，以Tris-HCl缓冲液为流动相A，以含有一定浓度NaCl的Tris-HCl为流动相B，采用梯度洗脱方法对利那洛肽粗品进行处理，然后进一步使用高效液相色谱对上述洗脱液进行脱盐处理，以C18柱为分离介质，以乙酸水溶液为流动相A，以乙腈为流动相B进行梯度洗脱，最终获得了纯度为99.8%的利那洛肽纯品，获成功申请发明专利1项（专利名称：一种利那洛肽的纯化方法，CN107266535）［12］。在此案例中，需要围绕生物分离工程的核心分离方法离子交换与色谱分离，对分离过程进行优化组合和设计，其中的关键环节是离子交换介质，引导学生以课程讲授知识与文献资料相结合的方式设计可行的实验方案，选择合适的分离介质，提高了学生参与生产实践的积极性，取得了良好的教学效果。

3 结 语

生物分离工程实验是一门理论与实践密切结合的课程，对创新型专业人才的培养发挥着重要的作用，尤其在新工科教育背景下，通过教学模式改革等手段来培养和提升学生的创新能力和科研素养以满足经济与社会发展的需要成为工科专业教学要求的重要目标。教学团队在分析了过去几年生物分离工程实验教学中存在的一些问题的基础上，对本门课程的教学模式进行了一些有益的探索，取得了一定的教学效果，希望在以后的教学实践中不断总结经验与教训，遵循学生的认知规律，加强对学生动手能力和创新能力的定向培养，突出应用型创新型人才需求，强化技能培养和提倡工匠精神，为新工科教育背景下的实践教学改革和探索提供一些思路和启示。