趙宏宇，季 祥，鄭春麗，王 蕾，盧慶華，李雅麗，蔡 祿

（內(nèi)蒙古科技大學 數(shù)理與生物工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

經(jīng)過多年的發(fā)展，內(nèi)蒙古自治區(qū)生物發(fā)酵制藥產(chǎn)業(yè)目前在呼和浩特、包頭、鄂爾多斯、烏海、巴盟及通遼、赤峰等周邊地區(qū)形成了在國內(nèi)相對集中的大型生物發(fā)酵基地，分布著眾多規(guī)模較大的發(fā)酵制藥類生物工程企業(yè)，其生產(chǎn)噸位及規(guī)模位居全國第一。內(nèi)蒙古科技大學生物工程專業(yè)建于2001年，考慮到市場需要大量的發(fā)酵工程技術(shù)人員，以服務(wù)地區(qū)經(jīng)濟為目的，專業(yè)方向定位為發(fā)酵和制藥領(lǐng)域。經(jīng)多年培育與發(fā)展，生物工程專業(yè)于2008年獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)同類專業(yè)中唯一的品牌專業(yè)榮譽稱號。在我校生物工程專業(yè)培養(yǎng)方案中，生物工藝學是一門專業(yè)骨干課程。

1 我校生物工程專業(yè)培養(yǎng)目標

國際經(jīng)濟合作及發(fā)展組織在1982年提出，生物工藝學是應(yīng)用自然科學及工程學的原理，依靠生物催化劑的作用將物料進行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務(wù)的技術(shù)［1］。我校生物工藝學主要圍繞微生物發(fā)酵工藝展開講授，以探討生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程的共性為目的，從工藝角度闡明細胞的生長和代謝產(chǎn)物的積累與細胞的培養(yǎng)條件之間的相互關(guān)系，為生產(chǎn)過程的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。開設(shè)的任務(wù)是使學生在已學過課程的基礎(chǔ)上，進一步深化和提高所學的基本知識，深入理解生產(chǎn)過程的工藝原理，懂得如何應(yīng)用上述基本理論去分析和解決生產(chǎn)過程中的具體問題，改造原有的不合理的生產(chǎn)過程，使之更符合客觀規(guī)律。

我們在教學中，嘗試了多種教學方式，積極聽取了已畢業(yè)學生和企業(yè)的反饋意見，探索了單元操作與產(chǎn)品案例結(jié)合的教學方式以及課堂教學與實驗、實習等實踐教學環(huán)節(jié)有效銜接的改革。經(jīng)多年實踐，證實對培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟發(fā)展的技術(shù)人才有積極作用。

2 傳統(tǒng)教學方式

2.1 單元操作教學方式

近年來國內(nèi)生物工藝學課程的講授方式主要有2種，一種是類似于化工原理等課程，將生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程簡單地劃分為幾個相對獨立單元操作，比如分為菌種、培養(yǎng)基、機理（好氧、厭氧）、pH控制、溫度控制、攪拌與溶氧控制等。但是生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程與化工過程有著顯著的區(qū)別，化工過程單元相對獨立，而生物產(chǎn)品生產(chǎn)是一個完整而且連續(xù)的過程，比如，發(fā)酵培養(yǎng)基的配比會影響到滅菌效果、發(fā)酵過程的營養(yǎng)供給、菌種的生長、發(fā)酵過程各個參數(shù)的波動與控制、產(chǎn)品的得率、發(fā)酵液的特性、下游操作中產(chǎn)品的分離等，而且發(fā)酵過程中存在著混沌、非線性等效應(yīng)，所以如果不考慮這些特性，簡單地將這些過程獨立講授，學生對于整體過程很難形成一個全面的理解。再如對于溶氧的控制方案，可以通過改變很多參數(shù)來達到目的：增大攪拌可以提高溶氧，但是剪切力也會增大，會對菌體產(chǎn)生損傷，而且一般企業(yè)中電動機和減速器是一檔，需要改造設(shè)備；提高通氣量會造成空氣過濾系統(tǒng)負荷增加，增大染菌的幾率，而且逃液現(xiàn)象明顯；若增大罐壓提高溶氧，會導致發(fā)酵液中二氧化碳濃度同時增加，有可能導致菌種呼吸異常中毒。因此，發(fā)酵工藝中，任何一個參數(shù)的調(diào)控都是一個度的問題，不存在越大越好或越小越好的情況，若只是孤立地講授某一單元，學生很難認識到發(fā)酵工藝控制是“牽一發(fā)而動全身”的操作。

2.2 典型產(chǎn)品工藝案例教學方式

典型產(chǎn)品工藝教學方式是國內(nèi)另一種常見的生物工藝學教學方式，在這種教學中選取了幾種非常典型的產(chǎn)品作為代表來講授生物工藝的知識［2］，比如將生物過程分為抗生素、氨基酸、有機酸、酶制劑、啤酒等過程。這種教學方式的優(yōu)點是學生可以全程認識到某一產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，但學生接受的知識面有限，對問題的認識可能存在片面性。比如講授氨基酸發(fā)酵時常以谷氨酸或者賴氨酸發(fā)酵為例，在發(fā)酵時如何控制發(fā)酵溫度，那么涉及到的冷卻方式只是豎式蛇管，但為什么做出這樣的選擇，常見的冷卻方式有哪些，在什么情況下選擇夾套、半圓管夾套、豎式蛇管、內(nèi)部盤繞式蛇管，這些問題主要與菌種生物熱、攪拌熱、冷卻水進出水溫度等有關(guān)，具體要根據(jù)熱量衡算計算換熱面積來決定，學生很難全面認識到事物的根本所在。

3 單元操作與典型產(chǎn)品案例結(jié)合的教學

如何讓學生既能橫向地掌握各個操作過程原理工藝方法，又能縱向地熟悉整個發(fā)酵過程，是生物工藝學教學時的重點也是難點?；谖⑸锇l(fā)酵生產(chǎn)的特點，將“生物工藝學”教學內(nèi)容主要分為菌種、發(fā)酵機理、培養(yǎng)基及滅菌、種子擴培及發(fā)酵過程調(diào)控4個部分。以單元操作與發(fā)酵案例結(jié)合的教學方法，在課堂教學內(nèi)容上強調(diào)工業(yè)微生物菌種選育和發(fā)酵過程中各類參數(shù)的控制等一些共性技術(shù)的部分，同時輔之以有代表性的產(chǎn)品的發(fā)酵工藝和方法的介紹，通過點面結(jié)合促進學生理解。比如：在講授培養(yǎng)基優(yōu)化時，首先要講解優(yōu)化的原則與方法，然后要從近年來發(fā)表的一些文獻中選取幾個典型的案例來說明常用的多因素實驗設(shè)計方法（正交試驗、響應(yīng)面設(shè)計、均勻設(shè)計等），同時布置不同類型的作業(yè)，讓學生自己設(shè)計優(yōu)化實驗方案；講授發(fā)酵工藝調(diào)控時，課堂上講授傳統(tǒng)的溫度、pH、攪拌與溶氧、消泡、染菌等主要參數(shù)的調(diào)控原理及工藝手段，同時將學生分小組布置小論文，要求學生查閱資料，完成一種典型發(fā)酵產(chǎn)品的詳細的生產(chǎn)工藝，并組織學生進行答辯。通過這樣一系列的教學，使學生在學習基本原理的同時，提高實際應(yīng)用能力。實踐證明，這種教學方式下，學生學習更加積極、主動，幾乎每天都有學生不間斷地與任課教師進行交流探討，這雖然增加了任課教師的課外工作量，但是好的教學效果也讓教師樂在其中。

4 課堂教學與實驗教學結(jié)合

生物工藝學是實踐性非常強的一門課程，所以在課堂教學的同時，也應(yīng)進一步強化實踐教學，借助一些工廠實際生產(chǎn)流程的資料結(jié)合實驗室條件開展一些實驗，進一步促進學生對于課程的理解和掌握［3-5］。通過課堂教學與實驗教學有機結(jié)合，促使學生掌握發(fā)酵工藝的基本原理、技術(shù)和方法，為學生將來進入發(fā)酵及相關(guān)行業(yè)工作及新產(chǎn)品開發(fā)打下基礎(chǔ)［6-8］。

我校與生物工藝學課程配套的實驗課程是發(fā)酵工藝實驗，該實驗獨立開課，共40課時，以大實驗體系開設(shè)，與生物工藝學理論課程同步協(xié)調(diào)進行，主要內(nèi)容為抗生素發(fā)酵體系、酶制劑發(fā)酵及應(yīng)用、氨基酸發(fā)酵體系。實驗教學的設(shè)計圍繞課程的核心，即發(fā)酵過程中的基本原理和參數(shù)控制展開。課堂教學與發(fā)酵工藝學實驗穿插進行，加深學生對課堂知識的掌握，訓練學生掌握從原料到產(chǎn)品的完整發(fā)酵過程，控制產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟技術(shù)指標等，培養(yǎng)學生利用已學的基本原理解決實際問題的能力［9-11］。

以抗生素發(fā)酵體系為例，選擇金色鏈霉素作為生產(chǎn)菌株，模擬企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程進行金霉素的發(fā)酵。首先將冷凍保藏的菌種活化進行傳代培養(yǎng)增加活性，選擇活性較高的菌株在搖瓶中制備發(fā)酵種子。每個小組進行獨立的搖瓶發(fā)酵，同時每個大組進行發(fā)酵罐發(fā)酵，在發(fā)酵過程中定時取樣，而且要求學生自行設(shè)計方案，根據(jù)過程檢查的溫度、pH、DO、殘?zhí)堑葏?shù)進行工藝調(diào)控。發(fā)酵結(jié)束后，測定發(fā)酵液中金霉素效價，最后進行金霉素的提取與精制，得到一定純度的成品金霉素［12］。該實驗體系前后連續(xù)性強，學生從活化菌種到最后得到成品金霉素共需要9d左右。在實驗過程中，具體操作及工藝調(diào)控方案由學生設(shè)計，學生除了與任課教師和實驗指導教師不斷地探討外，往往需要查閱大量的相關(guān)文獻。

5 課堂教學與實習結(jié)合

在制定培養(yǎng)方案的課程體系時，我校將生產(chǎn)實習安排在生物工藝學課程結(jié)課時開設(shè)。生產(chǎn)實習是對課堂學習的升華，通過對實際生產(chǎn)工藝流程的參觀，可以將生物工藝學課堂上的知識與實際的生產(chǎn)實踐結(jié)合起來，產(chǎn)生感官上的認識，加深對課堂理論內(nèi)容的理解。

近年來生產(chǎn)實習安排2周時間，主要以參觀內(nèi)蒙古西部地區(qū)發(fā)酵制藥企業(yè)的生產(chǎn)車間為主。對好氧發(fā)酵生產(chǎn)過程，主要在金河生物科技股份有限公司的金霉素發(fā)酵車間、石藥集團中潤制藥（內(nèi)蒙古）有限公司的青霉素發(fā)酵車間實習；對厭氧發(fā)酵生產(chǎn)過程，主要在燕京啤酒（包頭雪鹿）股份有限公司的發(fā)酵車間、糖化車間參觀。每個企業(yè)實習3d左右，期間學生輪流安排在不同的崗位上進行學習。

6 多種教學方式結(jié)合的效果

經(jīng)過生物工藝學多層級的教學改革，學生可以系統(tǒng)掌握微生物發(fā)酵生產(chǎn)過程。我校生物工程畢業(yè)生已成為內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)酵制藥類企業(yè)最受歡迎的專業(yè)學生，近年來就業(yè)率年均保持在95%左右。企業(yè)對我們學生的評價是“專業(yè)知識扎實”、“上手快、留得住、后勁足”，短短幾年時間，部分學生已成為企業(yè)的高中層技術(shù)管理人員以及技術(shù)骨干人員。在我們的回訪中，多數(shù)學生（尤其是從事發(fā)酵生產(chǎn)相關(guān)的學生）認為生物工藝學為他們的工作儲備了重要的基礎(chǔ)理論知識。

7 結(jié)束語

生物工藝學的教學方式應(yīng)以專業(yè)方向定位為出發(fā)點，將多種方法結(jié)合起來，既能培養(yǎng)學生全面理解發(fā)酵過程的工藝調(diào)控，又能提高學生對典型工藝的認識，為全面提升學生的專業(yè)知識與技能奠定良好的基礎(chǔ)。

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［1］俞俊棠，唐孝宣，鄔行彥，等.新編生物工藝學（上冊）［M］.北京：化學工藝出版社，2011：1-5.

［2］蹇華麗，楊幼慧，朱新貴，等.巧用案例與問題法提高發(fā)酵工程工藝原理教學效果［J］.微生物學通報，2011，38（2）：256-260.

［3］邵文堯，肖宗源，陳成泉，等.生物工程專業(yè)實驗教學與科研相結(jié)合教學模式的探索與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（2）：162-164.

［4］楊在華，李海峰.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的開放實驗教學體系探索［J］.中國成人教育，2013（15）：173-175.

［5］梁健，段瑞君，魏曉星.基于能力培養(yǎng)的分子生物學實驗教學改革與探索［J］.生物學雜志，2014（2）：109-111.

［6］李雅麗，蔡祿，趙秀娟，等.與科研相結(jié)合的分子生物學設(shè)計性實驗教學探討［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（9）：129-131.

［7］張莉，陸秀華.微生物實驗教學的改革與學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.價值工程，2012（10）：250.

［8］陳國勝，張娟，王旻.生物化工工藝專業(yè)普通生物學實驗的設(shè)計與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（3）：141-143.

［9］林鳴，郭飛君，于龍.創(chuàng)新型開放實驗教學體系初探［J］.長春師范學院學報，2011（2）：113-115.

［10］賈艷萍，張?zhí)m河，馬姣.立足學科發(fā)展的微生物學實驗教學改革研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（12）：36-32.

［11］謝青，吳元喜，楊廣笑.構(gòu)建模塊式實驗課程體系提高學生科研技能［J］.實驗科學與技術(shù)，2009，6（5）：40-41.

［12］趙宏宇，季祥，張小利，等.生物工程專業(yè)綜合性大實驗體系探索［J］.實驗科學與技術(shù)，2009，7（5）：105-107.