生物工程专业生物反应工程课程群构建的探索

周磊,邓丹丹,王亚月,裴冬丽

(商丘师范学院 生物与食品学院,河南 商丘 476000)

生物工程主要是利用生物催化剂大规模制造人类所需产品的技术过程,广泛应用于化工、农业、能源、环境等多个领域,涉及生物学、化学、电子电工、计算机等多门学科[1].目前,我国正处于工业科技高速发展阶段,实现了由传统农业大国向现代化工业制造国家的转变.我校生物工程专业迎合国家政策要求,积极参与课程教学改革,打破课程界限,围绕新型人才培养目标进行了多门课程优化整合.为了强化《生物反应工程》课程在生物工程专业群课程中的地位,结合我校人才培养目标定位,结合豫东地方发展特色,对生物反应工程课程群进行了构建,为本科生在微生物制品、食品发酵、生物质降解与利用领域相关工程的研究开发、技术创新、企业管理等方面的培养提供新思路.

1 生物反应工程课程群构建思路

1.1 课程群构建的必要性

生物工程专业主要目标是以培养德智体美劳全面发展,具备生物学与工程学基本知识,能在生物工程领域从事相关工艺设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的高级工程技术人才.结合地方产业发展特色,本专业主要培养应用型人才,特别注重培养学生的实践能力.然而,生物工程专业在课程教学与专业实习实践过程仍存在部分脱节现象,因此,必须对专业课程理论教学和生产实践进行整合构建,从而满足与培养目标的符合度.

课程群建设属于整体教学系统,不是单独几门课程的相互拼凑,而是在课程上有着密切联系、相承共同属性的课程集群[2].《生物反应工程》课程综合性和应用性比较强,与生产实践联系紧密并指导实践过程.作为生物工程专业上游课程,《生物反应工程》与《发酵工程》《酶工程》《生物分离工程》等课程将生物工程课程综合成为指导性、实践性、设计性训练课程,各课程之间相互联系、相互渗透,形成特色的群课程体系.从生物产出过程中来看,所有产品都需要经过微生物代谢反应过程才能形成产品,在整个生产中,微生物进行的酶促反应、微生物代谢、反应器和操作都起着关键性作用.所以,为提高产品质量、满足产业在社会中需求,在《生物反应工程》课程教学过程中必须加强大学生思想政治教育,提高专业能力素养,强化实践教学,达成专业人才培养目标[3].

1.2 课程群构建的内容整合

生物反应工程是以生物学、化学工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科,它将传递过程原理、设备工程学、过程动力学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合,进行生物反应过程的分析与开发以及生物反应器的设计、操作和控制等.课程主要介绍生物反应工程的基本概念,从酶促反应动力学、微生物反应动力学、微生物反应器操作、动植物细胞培养、生物反应器等几个方面,系统讲述生物反应工程的基本原理与方法,并对生物反应工程领域最新进展进行讲解.此外,《生物反应工程》与《生物工程设备》课程同属于生物工程专业中的上游课程,该课程是实现生物技术如何转变为社会生产力,从理论到实际应用的重要环节,要求学生掌握生物工厂中所涉及的一些设备结构、种类及原理等,了解反应基础计算及设备维修与维护,懂得如何应用所学知识去解决工厂生产过程中的具体问题,改造创新生产设备、提升生产效率、实现生产最优化,从而扩大社会和经济效益[4].而作为生物工程专业的核心课程《发酵工程》着重讲述生物产品生产过程的基本知识,突出生物学、微生物学、生物化学等学科在发酵过程中的相关原理.课程主要通过实际案例讲述发酵过程中遇到的基本问题、设备控制、产品分离提纯等关键技术,同时辅助其它课程介绍的工艺和方法,以点促面帮助学生理解工厂工程上的问题.

《生物反应工程》课程群的构建使得专业内课程间关系联系紧密,整个课程体系安排和生产工艺过程统筹兼顾.根据人才培养方案,在第一、二学期主要安排本科生对专业集群课程,如《高等数学》《有机化学》《无机化学与分析化学》《物理化学》《化工制图》等课程的学习,让学生从基础掌握基本数学计算和作图分析能力,为以后专业课程中涉及计算和设备认知学习打下基础.《生物仪器分析》安排在第三学期,让学生对生物工程专业仪器设备进行了解,再进行后续专业知识的深入学习.第四学期主要涉及工程专业的三大课程,即《发酵工程》《酶工程》《细胞工程》,而《基因工程》课程则安排在第六学期,是在《分子生物学》与《生物信息学》课程基础上进行学习.

《生物反应工程》课程开设在第五学期,内容以生物反应动力学、生物反应器设计与应用为主,同时辅以《生物工艺学》和《生物工程设备》课程开设,同时将《发酵工程》及《酶工程》课程中相关反应动力学融入其中章节.其主要区别在于：《生物反应工程》中主要涉及反应动力学理论基础,与《发酵工程》和《酶工程》课程交叉内容比较少,并且在生物反应器章节中重点介绍反应器的设计、优化以及放大和传递等共性问题.在进行课程群构建时,《生物工程设备》课程侧重从设备功能结构层面介绍,而《生物反应工程》则在反应器中物质传递、能量换算、操作方式及理论模型角度进行探讨[5].《生物工程下游技术》讲述工厂生产下游原理及相关技术,因此安排在第六学期开设.此外,为了达成人才培养方案目标,满足学生毕业要求,在专业限选课程设置中分别制定了微生物制品和食品发酵两个方向,学生可以根据自身爱好和特长在第三学期自由选择.此外,在本科课程安排中融入了《食药用菌生产工艺学》《生物精炼》等专业特色课程,进一步加强学生对生物工程学科的认知和理解.

1.3 课程群构建的升华与应用

从《生物反应工程》课程群构建基础到生物工程专业整体课程设置体系上来看,在培养应用型工程技术人才过程中,相关课程实验教学及实习实践环节成为课程群构建不可或缺的一部分,对学生提高工程实践理念、发现和解决工厂问题、理论联系实际、提高综合素质起到关键作用[6].涉及专业理论课程都设有相关实验课,通过课堂学习进一步结合实验,对其基本原理、操作方法融会贯通,同时锻炼动手能力,收获实验成功的喜悦感,增强对专业的认知、自信和理解.集中实践教学是另一个重要环节,从专业角度出发,所有开设的实习环节均与未来学生发展和就业相衔接.集中实践教学一共28个学分,保障了学生掌握生物工程专业中工艺技术、工程设计、生产管理等工程性实践要求.通过在企业的认知实习,对企业生产工艺、车间布置、反应器设计等有了初步了解,有利于将课本所学知识与实际生产结合起来,学习与实践结合起来,加深对专业课程中重难点的理解[7].

毕业设计是本科生毕业前最后一个实践教学环节,是学生对大学所学知识和技能掌握程度的体现.培养学生团结合作能力以及对生物工程领域相关的生产设计和管理认知能力,对于提高从事相关技术的高素质人才培养具有重要意义[8].整个设计过程由指导教师和6-8位学生共同完成,学生负责整个设计选题、思路、内容和答辩等环节,导师负责全程进行指导和提出建议.设计选题可以多元化,生产规模可大可小,生物产品种类可多种多样.设计选题是整个环节的关键,其中涉及生产工艺、设备选型、原料衡算、水电人员消耗、产值利润等参数,整个设计涉及《发酵工程》《生物反应工程》《生物工程设备》《生物工厂设计概论》等相关专业课程知识理论.答辩环节需要导师进行精心组织,以小组为单位,每组派一名学生对整体设计进行讲解,时间为20分钟,然后由其他导师对设计进行提问,小组同学可以相互帮助补充和回答.答辩结束后,学生要提交毕业设计报告和相应材料,最终由导师综合评定选出优秀小组及个人.从学生角度来看,毕业设计也是一次对生物工程认知能力的提升,经过毕业设计的锻炼,在以后工程设计及就业环节更能得心应手,从容应对.

2 结 语

通过对生物反应工程课程群构建的探索,提出了课程群构建的必要性.内容整合以及整体课程群构建得到升华与应用,基本解决了生物工程专业课程教学内容重复,发展不相适应等矛盾,丰富了课堂教学内容,强化了重难点知识的把握,教学效果显著提高.近年来,我校生物工程专业本着以学生为中心理念进行专业课程教学改革,构建了课程群体系以满足学生学习要求,培养专业兴趣,提升创新和实践能力.在全体教师和管理人员共同努力下取得了一定的成绩,进行了系统的综合分析,为以后课程群建设提供了参考.