周 治， 朱本偉， 王浩綺， 姚 忠

（南京工業(yè)大學(xué)a.科學(xué)研究部自然科學(xué)處；b.生物與制藥工程學(xué)院，南京211816）

0 引 言

生物分離工程是指從微生物、動(dòng)植物細(xì)胞及其生物化學(xué)產(chǎn)物中提取有用物質(zhì)的技術(shù)，是生物工程中不可缺少的也是極為重要的過(guò)程環(huán)節(jié)［1］，它利用化工過(guò)程的各種單元操作將有用的目標(biāo)產(chǎn)物從復(fù)雜的反應(yīng)體系中分離出來(lái)，可以有效解決目前生物工程工藝中存在的技術(shù)瓶頸，成為化工、醫(yī)藥、生物、環(huán)境等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，生物分離工程也是為生物工程類等相關(guān)工科研究生開(kāi)設(shè)的專業(yè)核心課程，該課程兼有工程“技術(shù)”與“科學(xué)”的雙重特點(diǎn)，是一門理論與實(shí)踐密切結(jié)合的課程，在生物工程專業(yè)的課程設(shè)置中處于橋梁和紐帶地位，對(duì)專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用［2］。

1 生物分離工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

在國(guó)家大力推行新工科教育的大背景下，如何培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)成為工科專業(yè)教學(xué)要求的重要目標(biāo)［3］。然而，在當(dāng)前生物分離工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中仍存在一些問(wèn)題，極大地限制了研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，從而難以達(dá)到新工科背景下的教學(xué)目標(biāo)。

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生難以掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。由于受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、資金以及課時(shí)限定等條件的制約，只能以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的模式即以分散的單元操作來(lái)完成該類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生難以掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。例如，在進(jìn)行“鏈霉菌發(fā)酵液中提取多抗菌素”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，由于發(fā)酵體系中組分過(guò)于復(fù)雜，目標(biāo)產(chǎn)物含量極低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.13%～0.22%），需要采用多種生物分離技術(shù)手段來(lái)進(jìn)行，如將發(fā)酵液離心去除菌體后先后進(jìn)行浸提、旋蒸、硅膠柱分離、凝膠色譜分離、高效液相色譜等一系列單元操作，理論上整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程約為1周，但由于學(xué)生課程安排等原因，完成該實(shí)驗(yàn)流程實(shí)際上需要2～3周的時(shí)間，由于耗時(shí)太長(zhǎng)在教學(xué)實(shí)踐中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在這種模式下，學(xué)生不僅很難掌握一個(gè)完整的分離工藝過(guò)程操作，而且對(duì)于核心環(huán)節(jié)的分離過(guò)程控制也缺乏有效的實(shí)踐，造成學(xué)生的基本實(shí)踐技能不扎實(shí)，往往是學(xué)了后面的忘了前面的，在后續(xù)操作中不知所措和畏難觀望，無(wú)法解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題，由此使得學(xué)生缺乏對(duì)生物分離技術(shù)應(yīng)用探究的主動(dòng)性。

（2）缺乏必要的實(shí)驗(yàn)手段。由于教學(xué)場(chǎng)地及教學(xué)設(shè)備購(gòu)置資金等不足，實(shí)驗(yàn)中缺乏高效液相色譜、氣相色譜、超臨界流體萃取裝置等大型分離設(shè)備，造成了生物分離工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一些涉及精細(xì)分離的實(shí)驗(yàn)部分無(wú)法進(jìn)行，而這些實(shí)驗(yàn)部分是當(dāng)前生物分離實(shí)踐中應(yīng)用較為普遍的單元操作。例如超臨界流體萃取技術(shù)是近代化工和生物分離中出現(xiàn)的高新技術(shù)，它將傳統(tǒng)的蒸餾和有機(jī)溶劑萃取結(jié)合一體，利用超臨界CO2優(yōu)良的溶解力，將基質(zhì)與萃取物有效分離、提取和純化。臨界流體萃取技術(shù)使用超臨界CO2對(duì)物料進(jìn)行萃取，其中的萃取劑CO2是安全、無(wú)毒、廉價(jià)的液體，超臨界CO2具有類似氣體的擴(kuò)散系數(shù)、液體的溶解力，表面張力為零，能迅速滲透進(jìn)固體物質(zhì)之中，提取其精華，具有高效、不易氧化、純天然、無(wú)化學(xué)污染等特點(diǎn)。因此，超臨界CO2流體萃取技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣闊，在醫(yī)藥工業(yè)中，可用于大多數(shù)中草藥有效成份的提取，熱敏性生物制品藥物的精制，及脂質(zhì)類混合物的分離，而在食品工業(yè)中，可用于啤酒花及色素的提取等，在香料工業(yè)中，廣泛應(yīng)用于天然及合成香料的精制以及化學(xué)工業(yè)中混合物的分離等。但是超臨界CO2流體萃取裝置的價(jià)格約為80～100萬(wàn)元，且設(shè)備體積龐大，需要專門的場(chǎng)地來(lái)放置，教學(xué)場(chǎng)地及資金不足造成了實(shí)驗(yàn)中無(wú)法讓學(xué)生親自操作在實(shí)踐生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的設(shè)備，無(wú)法將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐操作中，造成了學(xué)生認(rèn)知與實(shí)踐的脫節(jié)，十分不利于學(xué)生應(yīng)用型創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（3）教學(xué)模式有待改進(jìn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅采用教師講授演示、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)操作等方式，整個(gè)教學(xué)過(guò)程較為枯燥，學(xué)生參與的積極性和主動(dòng)性差，甚至出現(xiàn)有的學(xué)生全程旁觀的現(xiàn)象，達(dá)不到教學(xué)效果。分析其原因主要有兩點(diǎn)：①學(xué)生對(duì)本課程的興趣不高，僅僅是出于完成學(xué)分的目的來(lái)學(xué)習(xí)本門課程，在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)于這種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作參與性較低；②對(duì)于本門課程的重要性以及在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用認(rèn)識(shí)不足，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程的時(shí)候認(rèn)為現(xiàn)在很多設(shè)備都是專門用于某些生產(chǎn)部門而且都是自動(dòng)化控制，不需要了解其中的分離原理，只需要根據(jù)說(shuō)明書來(lái)進(jìn)行操作即可。此外，目前生物分離工程相關(guān)課程的案例式教學(xué)研究較少，且教學(xué)評(píng)價(jià)體系不完整，缺乏具有代表性的案例，阻礙了學(xué)生對(duì)本課程實(shí)踐知識(shí)的認(rèn)知以及應(yīng)用型創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 生物分離工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革內(nèi)容

為了迎合國(guó)家在生物工程領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求、響應(yīng)相關(guān)部門大力開(kāi)展新工科教育的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)成為了工科專業(yè)教學(xué)要求等重要目標(biāo)，我校生物分離工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家級(jí)精品課程“生物分離原理及技術(shù)”等教學(xué)資源和國(guó)家生化工程研究中心等科研教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合10余年從事生物分離工程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐，在總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)需求和專業(yè)設(shè)置特點(diǎn)，以改善認(rèn)知、提高能力、引導(dǎo)應(yīng)用和鼓勵(lì)探索為手段培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)，并針對(duì)上述生物分離工程教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，采用虛擬仿真技術(shù)、利用公共平臺(tái)優(yōu)勢(shì)、建設(shè)案例式教學(xué)課程等措施對(duì)生物分離工程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式和考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整和修改，取得了一定的效果。

2.1 開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)，改善學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的認(rèn)知

生物分離工程實(shí)驗(yàn)主要涉及將生物活性物質(zhì)從反應(yīng)體系中提取和純化出來(lái)的各種單元操作，例如萃取、吸附與離子交換、膜分離等。這些單元操作過(guò)程復(fù)雜，涉及的知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生缺乏直觀的認(rèn)知體驗(yàn)對(duì)這些復(fù)雜的單元操作難以理解，因而造成學(xué)習(xí)興趣不高和教學(xué)效果低下等問(wèn)題［4］。此外，由于受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及課時(shí)限定等條件的制約，只能以分散的單元操作或簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)來(lái)完成該類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在這種模式下，學(xué)生不僅很難掌握一個(gè)完整的單元操作過(guò)程，而且對(duì)于核心環(huán)節(jié)的過(guò)程也缺乏有效的實(shí)踐，難以形成“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的認(rèn)知回路，造成學(xué)生的動(dòng)手能力不扎實(shí)、缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)課程探究的主動(dòng)性［5］。針對(duì)上述問(wèn)題，借助虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的可

視化、直觀性等特點(diǎn)，利用“互聯(lián)網(wǎng)＋”技術(shù)將虛擬仿真單元操作融入真實(shí)的生物分離實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最大程度地還原真實(shí)的生物分離過(guò)程，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了L-蘋果酸、L-丙氨酸等生物發(fā)酵產(chǎn)品的分離仿真軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)整個(gè)分離流程，同時(shí)對(duì)過(guò)程中所涉及的單元操作進(jìn)行詳細(xì)剖析和說(shuō)明（見(jiàn)圖1）。這一教改實(shí)踐不僅消除了學(xué)生對(duì)于大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作的陌生感、恐懼感，也使其對(duì)分離過(guò)程中的單元操作有了更為直觀的認(rèn)識(shí)，取得了良好的教學(xué)效果。

圖1 生物分離工程實(shí)驗(yàn)課程中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)-高效液相色譜

通過(guò)對(duì)近5年的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果等方面具有重要的促進(jìn)作用（見(jiàn)圖2），約9成的學(xué)生認(rèn)為開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于本課程的學(xué)習(xí)是十分必要的。

圖2 近5年虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的教學(xué)效果評(píng)價(jià)情況

2.2 利用公共科研平臺(tái)，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力

生物分離工程實(shí)驗(yàn)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，通過(guò)學(xué)習(xí)這門課程，學(xué)生能夠系統(tǒng)掌握生物活性物質(zhì)的提取、分離、純化和加工的整個(gè)流程，針對(duì)特定的分離目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合所學(xué)的多種生物分離技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)合理的提取和純化工藝，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)以致用”的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素養(yǎng)，以迎合新工科教育背景下經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型創(chuàng)新人才的需求［6］。為了實(shí)現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，利用學(xué)校的公共科研平臺(tái)開(kāi)展生物分離工程實(shí)驗(yàn)中的綜合型實(shí)驗(yàn)課程，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大型貴重設(shè)備短缺、型號(hào)不齊全等缺陷。本校有國(guó)家生化工程技術(shù)研究中心和國(guó)家特種分離膜工程技術(shù)研究中心這兩個(gè)國(guó)家級(jí)科研平臺(tái)，平臺(tái)擁有非常齊全的儀器設(shè)備如高效液相色譜、氣相色譜儀、超臨界流體萃取裝置、超濾及納濾膜分離裝置等生物分離過(guò)程常用的儀器設(shè)備［7］。此外，在選取綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，注重選取應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、包含單元操作豐富的內(nèi)容，利用公共平臺(tái)的設(shè)備優(yōu)勢(shì)讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行親自實(shí)踐操作，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。例如，在進(jìn)行超臨界流體萃取實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，利用生化工程中心的大型超臨界CO2流體萃取裝置讓學(xué)生針對(duì)儀器設(shè)備的適用范圍自主選取待萃取物料（如中藥材、蜂膠等），并以小組為單位，讓學(xué)生自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)并制定實(shí)驗(yàn)方案，在征得指導(dǎo)教師審核同意后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作；并在學(xué)生親自操作之前由教師指導(dǎo)熟悉該裝置的構(gòu)成部件、運(yùn)行原理，隨機(jī)選取1組的物料進(jìn)行操作演示，讓學(xué)生參與到從裝料、萃取、分離直到產(chǎn)物收集的整個(gè)流程中，使得學(xué)生對(duì)整個(gè)萃取單元操作有更加直觀深入的認(rèn)識(shí)和了解，達(dá)到了理想的教學(xué)效果。

2.3 與科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃相結(jié)合，鼓勵(lì)研究生開(kāi)展探索型實(shí)驗(yàn)

研究生是科研創(chuàng)新的主力軍，科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃是新工科教育背景下實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，也是提高研究生教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要舉措［8］。我校生物工程學(xué)科積極響應(yīng)江蘇省教育廳《關(guān)于實(shí)施江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃》等文件的號(hào)召，結(jié)合自身專業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)展并實(shí)施了江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃以及學(xué)校研究生科技論壇等項(xiàng)目，旨在提高研究生的科技創(chuàng)新能力。同時(shí)，在課程教學(xué)中將自主探索型實(shí)驗(yàn)與此類項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，讓研究生結(jié)合所選課題學(xué)生進(jìn)入相關(guān)教授實(shí)驗(yàn)室并參與相關(guān)的科研項(xiàng)目中。與此同時(shí)，積極開(kāi)展研究生科技論壇等學(xué)術(shù)沙龍活動(dòng)，邀請(qǐng)生物分離相關(guān)領(lǐng)域的專家來(lái)校做學(xué)術(shù)報(bào)告，與學(xué)生面對(duì)面交流自己的科研體會(huì)和心得，反響熱烈。積極與專家進(jìn)行互動(dòng)，取得了良好的課外教學(xué)效果。如表1所示，近3年有4項(xiàng)研究生自主創(chuàng)新課題入選了江蘇省研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，其中2017和2018年度入選的項(xiàng)目結(jié)題情況均為優(yōu)秀。在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力等科研素質(zhì)、全方位鍛煉學(xué)生的綜合能力方面，也取得了良好的教學(xué)效果。

表1 近3年生物分離工程實(shí)驗(yàn)課程自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)入選省研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃情況

2.4 采用案例式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生將課程知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐

案例式教學(xué)最早起源于20世紀(jì)的美國(guó)哈佛商學(xué)院，是指在教學(xué)中通過(guò)引入案例并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題分析，鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力［9］。目前，生物分離工程教改工作中案例式或類似的教學(xué)方法已有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的報(bào)道，但在課堂教學(xué)中的應(yīng)用較少［10-11］。主要原因是案例教學(xué)易通過(guò)實(shí)際操作實(shí)施，在課堂教學(xué)中則較難模擬實(shí)際操作。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在從事生物分離工程的本科教學(xué)中通過(guò)引入多個(gè)本學(xué)科已成功實(shí)現(xiàn)的案例，引導(dǎo)學(xué)生將課程知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去。例如，嘗試將企業(yè)委托的技術(shù)項(xiàng)目“利那洛肽的純化制備技術(shù)”作為實(shí)驗(yàn)課程的案例，首先引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，找一些與目標(biāo)物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)類似的分離文獻(xiàn)，采用分組討論并擬定不同分離工藝的初步實(shí)驗(yàn)方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合課程中所講授的離子交換與色譜分離方法等知識(shí)對(duì)純化工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。最終，研究生通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得了一種利那洛肽的高效分離方法，即采用離子交換與高效液相色譜相結(jié)合的方法，以陰離子交換柱為固定相，以Tris-HCl緩沖液為流動(dòng)相A，以含有一定濃度NaCl的Tris-HCl為流動(dòng)相B，采用梯度洗脫方法對(duì)利那洛肽粗品進(jìn)行處理，然后進(jìn)一步使用高效液相色譜對(duì)上述洗脫液進(jìn)行脫鹽處理，以C18柱為分離介質(zhì)，以乙酸水溶液為流動(dòng)相A，以乙腈為流動(dòng)相B進(jìn)行梯度洗脫，最終獲得了純度為99.8%的利那洛肽純品，獲成功申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)（專利名稱：一種利那洛肽的純化方法，CN107266535）［12］。在此案例中，需要圍繞生物分離工程的核心分離方法離子交換與色譜分離，對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化組合和設(shè)計(jì)，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是離子交換介質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生以課程講授知識(shí)與文獻(xiàn)資料相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案，選擇合適的分離介質(zhì)，提高了學(xué)生參與生產(chǎn)實(shí)踐的積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

生物分離工程實(shí)驗(yàn)是一門理論與實(shí)踐密切結(jié)合的課程，對(duì)創(chuàng)新型專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用，尤其在新工科教育背景下，通過(guò)教學(xué)模式改革等手段來(lái)培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)以滿足經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的需要成為工科專業(yè)教學(xué)要求的重要目標(biāo)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在分析了過(guò)去幾年生物分離工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)本門課程的教學(xué)模式進(jìn)行了一些有益的探索，取得了一定的教學(xué)效果，希望在以后的教學(xué)實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的定向培養(yǎng)，突出應(yīng)用型創(chuàng)新型人才需求，強(qiáng)化技能培養(yǎng)和提倡工匠精神，為新工科教育背景下的實(shí)踐教學(xué)改革和探索提供一些思路和啟示。