强化“生物分离工程”实践教学的方法与途径*

刘建国，曲剑波，葛保胜，王小强

(中国石油大学(华东)化学化工学院，山东 青岛 266580)

“生物分离工程”是生物化学工程的重要组成部分，是指从发酵液、动植物细胞培养液或酶反应液中提取相关生物产品的过程[1]。该过程涉及生物、化学、化工等学科的知识，且部分单元操作可看做是化工分离工程在生物领域中的应用。而《生物分离工程》课程则是我国高校为相关专业(如生物化工、生物工程、食品工程等)开设的一门基础课，该课程所包含的技术不仅能够为相关领域的科学研究(如蛋白质的结构与功能分析等)提供物质基础，也是生物化工过程和现代生物技术实现产业化操作的关键环节。

1 “生物分离工程”的课程特色及教学中存在的问题

1.1 “生物分离工程”的课程特色

《生物分离工程》的内容包括绪论、原料(或发酵液)的预处理、细胞分离及破碎、不溶物或细胞碎片的去除(过滤、离心)、产品的分离(沉淀、萃取、吸附)、产品的纯化(层析、电泳、膜分离)以及产品的精制或成品化(结晶、干燥)[2]。每个环节的每种技术又包括基本原理、设备、操作过程的影响参数、适用范围等基础理论，甚至部分技术还包括设备的选型、生产能力的计算等应用知识。在学习《生物分离工程》之前，要求学生先掌握一定的生物化学、化工原理、物理化学、微生物学、酶与蛋白质工程等课程的基础知识。

由上面的描述可以看出，《生物分离工程》涉及的知识面广、知识点多，且多学科交叉[3]。从内容上来说，每个环节相对较为独立，但是从最终产品的制备而言，整个课程的综合性又很强。除此之外，生物分离技术还是生物物质实现商品化的必经之路，也是现代生物技术实现产业化的关键。因此，《生物分离工程》的教学内容与企业的实际生产过程联系紧密，具有较强的应用性和实践性特点[4]。

1.2 “生物分离工程”教学中存在的问题

目前，大部分高校在《生物分离工程》教学中存在的主要问题是“重理论，轻应用”[5]。这种做法可能会导致几方面的后果：

首先，课程的整体难度下降，挑战度降低。由于理论部分属于课程的基础知识，相关内容在教材中都有详细的介绍，加之各高校近年来推行的课程网络化建设，学生很容易获得教师的课件，这在一定程度上削弱了学生从课堂获取知识的期待，导致学生在课堂上不认真听讲，教学效果大打折扣。另外，随着授课次数的增加，部分基础较好的学生对课程的学习兴趣也会随之减弱[6]。

其次，学生容易对课程内容形成固化思维，缺少对知识的灵活运用能力。在课程的绪论部分，会向学生介绍动植物来源和微生物来源的蛋白质分离的一般过程，即原料的预处理、细胞破碎、不溶物的去除、产品的分离、产品的纯化和产品的精制。而后面每章的内容也是按照这个过程顺序依次展开，这很容易让学生形成思维定式，认为只要涉及蛋白质的分离都要经过每个环节。笔者曾在课程后期提出过 “古菌来源极端嗜热酶”的分离问题，交由学生讨论分离的方法和过程。结果发现，绝大部分同学的答案都是按照微生物来源蛋白质的一般分离过程进行设计，很少有同学使用最直接最简单的“细胞破碎+离心+热沉淀”的方法。

再次，学生解决企业实际问题的能力较差[7]。如前所述，《生物分离工程》的教学内容与企业生产过程紧密联系，具有较强的实践性。然而，生物企业在实际生产过程中遇到的问题大多集中在知识的应用领域，如酶产品经分离纯化后，纯度符合要求，但收率和活性偏低。解决此类实际问题，更多的是需要学生掌握一定的实践经验，如盐析沉淀的时间对酶活的影响等。笔者也曾根据自己与企业的合作课题，让学生解决“出口胶原蛋白盐含量较高”的问题。起初，学生认为这不是“生物分离工程”范围内的事情，后经教师说明，承认这属于产品精制或成品化问题。但是大部分同学最终给出的答案是采用透析技术，而不是膜技术。这是因为在学生的头脑中缺少技术工程化利用的概念，即透析技术无法应用于产业化生产过程。

最后，学生的设计(或创新)能力不足。由于生物产品的种类繁多，且同种产品的来源也不唯一。因此，任何生物产品都需要利用其自身性质和杂质性质的区别来确定分离采用的技术。此外，生物产品的分离很难一步完成，通常需要多种技术的集成化才能实现[8]。在此情况下，学生需要通过本课程的学习，掌握根据分离体系的组成来设计特定产品的分离工艺，并使其具有较高的生产率和较低的生产成本。但是，学生的这种设计(或创新)能力需要在实践教学中慢慢培养。

综上所述，《生物分离工程》的应用性特点，要求在授课过程中加强实践教学，以培养学生对知识的灵活运用能力、解决企业实际问题的能力和设计(或创新)能力等。笔者根据自己多年讲授《生物分离工程》课程的经验，就加强课程的实践教学提出了几种可行的方法。

2 强化“生物分离工程”实践教学的方法与途径

2.1 利用教学案例，提高学生对知识的运用能力

在《生物分离工程》的课堂教学中，案例式教学已被证明能够有效锻炼学生对知识的运用能力[9-10]。因此，在本课程的教学过程中，笔者根据生物产品的种类和来源不同，设置了三个案例：带有组氨酸标签的重组碳酸酐酶的分离提取、微生物胞外多糖威兰胶的分离提取和植物来源绿原酸的分离提取。通过三种不同生物产品的案例分析，加强学生对课程知识的理解，提高学生对知识的灵活运用能力。此外，通过案例式教学法，笔者还将部分分离技术的最新科研进展介绍给学生。例如，在“层析”和“膜分离”的章节中，通过案例分别向学生介绍“整体柱”和“参数扫描超滤技术”的研究进展及相关应用，以扩展学生的知识面。

2.2 利用仿真软件强化实验环节，培养学生的动手能力和工程化意识

实验是培养学生动手能力的重要环节。目前，大部分高校都设有《生物分离工程》的实验课程，但不同学校开设的实验数目不同，且大多为小试规模的验证性实验，这对提高学生就业后的实操能力帮助有限。为了加强实验环节的教学效果，笔者所在单位购买了发酵工程和生物分离工程的相关仿真软件。通过虚拟仿真实验，将分离操作还原为真实生产过程，这不仅提高了学生的学习兴趣，还同时培养了学生的工程化意识，为后续的企业现场实习奠定了基础。

2.3 利用企业现场课堂，提高学生的工程化能力

为了将学校课堂教学和企业现场教学结合起来，笔者所在的教学团队利用学校周边已有的大型生物企业(如青岛明月海藻集团有限公司和青岛琅琊台集团股份有限公司等)，积极拓展学生实习基地。通过企业工程师的现场讲解和实地参观工业化的分离设备，加深学生对课堂教学内容的理解，切实领会生物分离技术的操作要点，提高学生的工程化能力。

2.4 利用企业横向课题参加竞赛，提高学生解决实际问题的能力

笔者所在的教学团队根据企业横向课题或企业真实技术需求，积极设计应用场景，引导学生分析问题和运用所学知识解决问题。同时，以这些课题作为题目，组织感兴趣且具有一定基础的学生，参加学校级别的大学生创新创业项目和省级的大学生“挑战杯”、“创青春”等创新创业大赛。通过赛事训练，进一步提高学生解决实际问题的能力，同时培养学生的竞争意识。

2.5 利用赛事案例的再加工，提高学生的创新能力

笔者通过查询每年举办的国家级和省级赛事，收集了部分与生物活性成分提取相关的案例，并组织学生分析和讨论案例的优缺点，鼓励学生针对案例存在的问题实施改进和再创新，以提高学生的创新能力。

3 强化“生物分离工程”实践教学的意义

3.1 强化“生物分离工程”的实践教学，符合“金课”建设的要求

如前所述，《生物分离工程》教学中存在的“重理论，轻应用”的做法，会降低本课程的挑战度，使学生通过课程考试变得容易，但能力(或效果)有限，即“上课能听懂，下课不会用”，这种现象也是我国高等教育普遍存在的问题。为此，教育部在《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》中，提出“合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量”的要求[11]。对于《生物分离工程》而言，强化实践教学，就是要求学生从记忆、理解等低阶认知升高至分析、综合、运用等的高阶认知，从而提高课程的难度和挑战度，这既符合国家对“金课”的建设要求，也符合新时代背景下生物企业对“应用型人才”的需求。

3.2 强化“生物分离工程”的实践教学，符合“专创融合”的要求

专业教育与创新创业教育的融合(即专创融合)是未来教育发展的主要趋势，也是我国深化高等教育改革、加快创新型国家建设的重要途径[12]。而《生物分离工程》的教学内容与企业实际生产过程紧密联系，具有较强的应用性和实践性特点。因此，通过上述强化实践教学的方法，可以将专业知识的传授与学生双创精神的培养结合起来，同时提高学生的工程化素质，锻炼学生运用知识解决实际问题的能力，为构建适应我国社会经济发展所需的“创新型人才”培养模式提供探索。

4 结 语

综上所述，强化《生物分离工程》的实践教学，不仅能够提高学生的学习兴趣、锻炼学生分析问题、解决问题的能力，还能培养学生的工程化意识、竞争意识和创新意识，为保证学生更好地适应社会需求奠定基础，因此意义重大。此外，强化《生物分离工程》实践教学的方法还有很多种，如提高课程的教学目标和要求、增加过程考核的形式和比重等。在本文中，笔者只是根据自己多年的授课经验，介绍了几种行之有效的强化《生物分离工程》实践教学的方法，供其他高校教授本课程的教师借鉴和参考。