新工科背景下酶工程课程的研究性教学探索

摘 要：作为生物技术的重要组成部分，酶工程注重理论联系实践，传统的教学模式限制教学质量提升和人才培养。在新工科背景下，以培养学生的实践能力和工程创新能力为目标，构建酶工程研究性教学体系，将科研创新思维和实践研究融入酶工程教学过程，对酶工程教学内容、教学方法和考核方式等方面进行改革，激发了学生主动学习和探索实践的热情，提高了学生的科研素养，取得了理想的教学效果，为培养新工科背景下的高素质创新型人才奠定基础。

关键词：新工科；酶工程；研究性教学；教学改革

Researchbased Teaching and Learning of Enzymes Engineering

in the Context of New Engineering

Chen Zhen

College of Life Science，Xinyang Normal University HenanXinyang 464000

Abstract：As an important part of biotechnology，enzymes engineering focus on the integration of theory and practice.The traditional teaching model of enzymes engineering is not conducive to improve the quality of school teaching and personnel training.In order to cultivate students practice competence and engineering innovation ability under the new engineering environment，this paper explored the construction of researchbased teaching and learning system of enzymes engineering.The new teaching system integrated the innovative thinking of scientific research and practical work into the teaching of enzymes engineering.The teaching content，teaching methods and the assessment strategies were reformed.As a result，it stimulated students active learning and aroused their interest in exploration and practice.The researchbased teaching and learning of enzymes engineering achieved good teaching effects，which laid the foundation for cultivating highquality innovative talents under the new engineering environment.

Keywords：New engineering；Enzyme engineering；Researchbased

teaching；Education reform

1 新工科背景下我國酶工程发展面临的问题与挑战

2017年，教育部先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，积极推进全国高校新工科建设，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，助力高等教育强国建设，以应对新一轮科技革命与产业变革。新工科建设是教育强国建设的引领力量，是培养面向未来的卓越工程创新人才，而其核心点就是提高人才培养能力。在新工科背景下，高校教与学的行为需要改变，高校人才培养方案需要改变，高校的评价体系与资源配置方式也要改变。

随着“生物时代”的到来，酶工程日益体现其重要的价值，为人类生活及工业科技的发展引出了一条更加绿色、更加有效的道路。目前，各国政府、科研单位与企业界已经认识到酶工程研发和应用对于节能、环保、健康与能源可持续发展的战略意义，纷纷积极投入酶工程研发的攻坚战中。由于我国酶工程产业起步较晚，因此与部分国家相比，仍然存在一定的差距。尤其是酶工程研发人员的相对匮乏，以及缺乏具有知识产权的核心技术。要实现酶工程跨越式的发展，首先要重视从事酶工程研发人才的培养，谁拥有人才优势，谁就拥有竞争优势。而人才来自于教育，尤其是高等教育，高等教育一定要注重酶工程人才的培养。然而高校传统的酶工程教育以课堂教学为主体，缺失实验课程教学或内容陈旧且实践流于形式，难以培养出具有工程能力的创新实践人才。因此只有通过教学改革，加强学生创新能力培养，实行“人才+项目”的培养模式，教学依托科研项目，通过研究性教学在创新实践中集聚和培养一流人才，提高人才素质，实现新工科人才培养目標，发挥人才作用，使科学研究真正服务于生产力，那么做强酶工程产业也并非难事。

2 酶工程课程开设基本情况

作为现代生物技术重要组成部分，也是生物工程的重要分支，酶工程已越来越受到重视，它是一门理论性及应用性很强的学科，包括酶学基础研究和工程应用两大部分，是从应用的目的出发，研究酶、应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将相应原料转化成有用物质的技术，目前已发展成为一门酶学、微生物学和化学工程有机结合的新技术学科，在工业、农业、医药及环保等各方面发挥着重要作用。作为生物技术专业的必修课程，本课程开设于生物技术专业第5学期，每周2学时，共36学时。当前酶工程教学仍然延续传统工科教学模式，主要由课堂理论知识讲解、课后日常作业和期末卷面考核三个部分组成。由于酶工程基础知识点较多，传统酶工程教学受制于课时，教师讲解一带而过，学生听课一知半解，讨论互动环节无法有效开展。更为重要的是，学生难以消化课本上的知识点，无法将知识点转化为实践，缺乏进一步的创新性拓展与探索，难以培养学生的工程实践能力并满足新工科建设的要求。如何有效解决课时少与教学内容繁杂的矛盾，提高学生对课程知识体系的驾驭能力和综合应用能力，激发学生学习兴趣及创新性研究的潜能，成为摆在酶工程授课教师面前的最大难题。这些问题为构建酶工程课程研究性教学体系提供了良好契机。为激发学生学习兴趣，着重加深理论如何应用于实践的学习，满足学生独立探索的需求，培养学生的自主实验与研究能力，注重学科前沿知识探索和实践工程应用，笔者对2018级生物技术共40名学生开展酶工程研究性教学。

3 酶工程研究性教学模式

3.1 教学内容

酶工程是指利用酶、微生物细胞、动植物细胞或其细胞器所具有的生物催化功能，借助于工程手段将相应的原料最大化转化为有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。因此酶工程教学主要包括基础酶学和实践酶学两部分，酶工程传统教学内容主要包括基础酶学、酶的生产、酶的分离纯化、酶的固定化、酶的分子修饰、酶的定向进化及酶的应用等章节。基于新工科背景和酶工程传统教学内容，从酶工程的科研特色切入，结合笔者的研究方向和科研课题，选取“γ谷氨酰甲胺合成酶的生产、改造及应用”这一主题作为构建研究性教学体系的核心内容（见下表）。

不同于传统教学的课堂教学模式，研究性教学设计为“讨论—实践—结题”模式。由于第一章绪论部分主要介绍酶的基础知识及酶与生活的关系，知识点较多且分散，且大部分知识点在生物化学课程中已讲解过，因此本章节内容设计为讨论学习，让学生自由讨论酶与生活的关系和酶对社会的贡献，加深对酶制剂的理解以及对酶工程学习的兴趣。实践酶学部分主要对酶的生产、分离纯化、固定化、修饰、定向进化和应用进行讲解，更加注重实践能力的培养，因此这部分内容均设计为课题实践和专题汇报两种形式，将酶的生产和酶的分离纯化合并为课题实践一“γ谷氨酰甲胺合成酶的异源表达与纯化”，将酶的分子修饰设计为课题实践二“γ谷氨酰甲胺合成酶的分子动力学模拟及改造”，将酶的应用设计为课题实践三“利用γ谷氨酰甲胺合成酶催化合成L茶氨酸”，鼓励学生围绕γ谷氨酰甲胺合成酶这一特定主题，通过文献调研及综述，对γ谷氨酰甲胺合成酶的生产、改造及应用自主开展相关探索性研究，从文献调研、实验方案设计、实验操作、数据处理和结果分析总结等多个过程，来提升学生的创新思维和动手实践能力。此外，将酶的固定化和酶的定向进化设计为专题讲座，让学生对酶的固定化技术和酶的定向进化技术进行文献调研和汇报。最后，将传统教学的期末考试设计为学生成果展示和汇报，优化考核方式。

3.2 教学方法

3.2.1 自由讨论模式

教师引导学生对酶与生活的关系这一主题进行自由讨论，学生畅所欲言，分享自己的观点，教师答疑解惑，在讨论的过程中培养学生发现问题的能力，并加深学生对酶制剂的理解以及激发学生对酶工程学习的兴趣。

3.2.2 课题实践教学模式

依托笔者所获批的国家级和省级科研课题及实验室平台，让学生加入“茶氨酸的酶法转化”研究性课题中，开展相关研究性教学实践，将40名学生分成5组，每组8人，跟随酶工程课堂教学进度，先后完成“γ谷氨酰甲胺合成酶的异源表达与分离纯化”“γ谷氨酰甲胺合成酶的分子动力学模拟及改造”及“利用γ谷氨酰甲胺合成酶催化合成茶氨酸”三个研究性课题，并以研究总结报告的形式对成果进行展示，锻炼学生的实验设计和动手能力，加深学生对酶的发酵生产与分离纯化、酶的修饰和改造及酶反应过程的设计等知识的印象，在实际研究中掌握所学的理论知识，并通过总结实验过程中的经验和失败教训，提高学生团队合作意识和创新实践能力。

3.2.3 专题汇报模式

根据教学大纲要求，设计2个研究性主题：“酶的固定化技术研究进展”和“酶分子定向进化的最新研究进展及应用”，将学生分成10组，每组4人，以团队合作方式自主学习调研相关的文献，并对文献进行总结综述，最后通过PPT分享各自调研的成果，并提出自己的见解，最后由教师评价总结，以此拓展学生的科学视野，提高学生自主学习能力、问题总结能力及表达能力。

3.3 考核方式

以往传统教学的课程总评成绩主要包括平时成绩（30%）和期末考试成绩（70%）两部分。改革后更加注重对学生创新思维和动手实践能力的评价，重视教学过程性、导向性和实效性，将传统教学的期末考试改革为学生成果展示与汇报，成果展示可以海报或者结题报告等方式进行，汇报主要以PPT形式进行，最终成绩采用多样化的考核方式（平时表现、专题报告、成果展示），将学生组内外互评（50%）与教师评价（50%）相结合，更加偏重对学生实验设计能力、动手能力、结果总结分析能力和表达能力的考查。

4 酶工程教学改革成效

酶工程研究性教学的开展，提高了学生对酶工程学习的兴趣，加深了学生对酶工程知识框架和具体细节的认知，学生成绩和满意度较往年均得到较大提高，说明酶工程研究性教学可提高学生对知识的掌握程度，提高教学效果，并得到学生的充分认可。而且，在酶工程研究性教学期间，部分学生借助实践课题和专题讲座的训练及完成，取得了不错的科研成果，完成大学生科研基金项目2项，申请国家发明专利2项，发表综述及研究性论文各1篇，大大提高了学生的科研兴趣及能力。此外，由于学生在酶工程课程教学中的研究训练，较早进入了实验室，并明确了自己的本科论文研究方向，较早顺利完成毕业论文，且毕业论文质量较高，得到本科毕业论文导师的普遍好评，学生的考研方向也更加明确，学生考研积极性和成功率较往年均有所提高。总之，酶工程研究性教学的开展，提高了学生对酶工程的学习兴趣和效果，并培养了学生的实践能力和科研精神，创新创业项目、学术竞赛、论文发表数、参毕业论文质量和考研录取率均得到提升。

5 结语与展望

在新工科建设的背景下，作为应用型学科，酶工程更注重学生创新实践能力的培养，以期培养具有国际竞争力的新时代人才，并为社会的绿色可持续发展做出贡献。笔者以培养学生的实践能力和工程创新能力为目标，尝试对酶工程进行教学改革，构建了酶工程研究性教学体系，并取得了较好的教学效果，除了完成既定的学习目标，还提高了学生的科研素养，为培养创新型科研人才奠定基礎。研究性教学对教师的学识和科研能力等方面提出更高的要求，除了要求教师具有渊博的学识，还要具备较强的科研基础和能力，且有一定的科研项目支撑。此外，研究性教学的开展应该得到学校的大力支持，配置多种用于学生探究性实验的配套仪器装置并提供相应经费，满足教师及学生科研项目实施的需求。今后，还可进一步将研究性教学扩展到企业中去，以寻求校企合作，不断深化产学研合作和产教融合，也可通过研究性教学平台，鼓励学生参加国内外各项学术比赛，以赛促学，以赛促教，提升人才培养质量。总之，本课程的改革思路和举措可为生物技术及相关课程的建设及改革提供参考。

参考文献：

［1］郭元，刘书影，贺爱香.“新工科”背景下大学生工程实践能力培养探索［J］.科技风，2021（05）：3435.

［2］范俊，张增磊，鲁卫东.新工科背景下国内高校研究性教学模式的构建研究［J］.教育教学论坛，2020（3）：233234.

［3］李勇.基于“新工科”的酶工程教学改革的探索［J］.轻工科技，2019，35（10）：177178.

［4］代培红，王莉萍，苏豫梅，等.《酶工程》课程建设规划的研究［J］.教育教学论坛，2019（45）：173174.

［5］王盎然，张红，王亚纳，等.新工科背景下化学工程与工艺专业建设的探索与实践［J］.化工高等教育，2022，39（2）：4752.

［6］程峰，熊能，翁春跃，等.新工科教育背景下“酶工程”课程教改的探索与实践［J］.生物加工过程，2022，20（3）：342347.

基金项目：国家自然科学基金（编号：22208276）；河南省高等学校重点科研项目计划（编号：23A416003）

作者简介：陈震（1990— ），男，江西抚州人，博士，信阳师范学院生命科学学院讲师，主要从事微生物发酵与酶工程研究。