范新炯 丁 銳

(安徽醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；安徽醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230032)

酶是具有催化活性的蛋白質(zhì)或核酸，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品和環(huán)保等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[1]。自2020年新冠肺炎暴發(fā)以來，我國以及全球分子診斷原料酶市場需求持續(xù)攀升，行業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。由于在優(yōu)質(zhì)酶品種發(fā)現(xiàn)、分子改造、發(fā)酵制備等方面酶工程技術(shù)方面存在不足，當(dāng)前國內(nèi)市場需求依賴進口。雖然已有部分商品酶實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，但產(chǎn)品質(zhì)量較進口有較大差距[2]。因此，培養(yǎng)新時代生物技術(shù)專業(yè)人才，彌補國內(nèi)酶研發(fā)技術(shù)短板，是當(dāng)務(wù)之急。

《酶工程》(Enzyme Engineering)是一門理論與實驗實踐均很強的生物技術(shù)專業(yè)必修課程，主要由酶學(xué)、微生物學(xué)與化學(xué)工程等相結(jié)合而產(chǎn)生，涉及基因工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程、生物分離工程等，這些學(xué)科之間相互依存，相互促進[3-4]。因此，掌握酶工程的相關(guān)實驗技術(shù)是當(dāng)代生物技術(shù)領(lǐng)域從業(yè)者的基本要求，而酶工程綜合實驗課程的開設(shè)是培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)實驗技能的第一步。但本校生物技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)時間較短，綜合實驗的教學(xué)和實踐均在探索之中。鑒于傳統(tǒng)實驗課存在的缺乏課程銜接性與創(chuàng)新性以及生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)不足等普遍問題，本課題組以《酶工程》的教學(xué)實踐為例，探討綜合實驗的教學(xué)改革，具體將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、見習(xí)實踐、評價方式等方面展開。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題

1.1 課程之間缺乏銜接

《基因工程》《酶工程》和《發(fā)酵工程》三門課程是生物技術(shù)專業(yè)的主干課程，三者相互聯(lián)系、相互滲透，構(gòu)成了一個不可分割的整體[5]。但在傳統(tǒng)實驗課程設(shè)置中，每門課程的實驗內(nèi)容沒有銜接和關(guān)聯(lián)，彼此孤立。學(xué)生無意探求一個實驗與另一個實驗的邏輯聯(lián)系，以及一個實驗結(jié)果對其他實驗的影響，很難形成完整的知識體系[6]。

1.2 實驗內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性

驗證性實驗是指為了驗證實驗結(jié)果，以培養(yǎng)實驗操作能力為目的的重復(fù)性實驗[7]。本校傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容多以驗證性實驗為主，創(chuàng)新性實驗比例很少。實驗內(nèi)容是教師們早已設(shè)計好的，甚至幾輩人傳承下來的，內(nèi)容陳舊、缺乏新穎性。很多學(xué)生表現(xiàn)出缺乏興趣和積極性，上課玩游戲、看視頻、打瞌睡的現(xiàn)象較多，嚴(yán)重影響實驗教學(xué)的秩序和質(zhì)量。

1.3 教學(xué)模式缺乏新穎性

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中，教師是課堂的主體，負(fù)責(zé)講解和演示。學(xué)生不是學(xué)習(xí)的主體，不參與實驗設(shè)計，無須深入地思考，只是被動接收，機械地模仿和驗證[8]。這種教學(xué)模式下，學(xué)生不僅不能很好地理解實驗?zāi)康暮驮?，甚至無法獨立分析實驗成敗的原因和找出解決問題的方案，不符合培養(yǎng)復(fù)合型人才的培養(yǎng)規(guī)劃的要求。

1.4 課程設(shè)計脫離實踐

生物技術(shù)作為應(yīng)用型較強的專業(yè)，學(xué)生的實踐能力和綜合素質(zhì)直接影響到畢業(yè)生今后的發(fā)展。綜合實驗課程設(shè)計缺乏實踐內(nèi)容，學(xué)生對生物技術(shù)下游了解很少，更沒有現(xiàn)場了解和參觀過生物生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)歷，缺乏課堂知識與工業(yè)化體系的銜接，以致學(xué)生對學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，不利于就業(yè)。

1.5 成績評價不全面

傳統(tǒng)的成績評價主要是根據(jù)出勤情況、課堂表現(xiàn)和實驗報告這幾項進行打分，其中實驗報告權(quán)重最大。這種傳統(tǒng)成績評價方式無法對學(xué)生的“實驗過程”進行有效評價，導(dǎo)致學(xué)生們輕視實驗過程而重視實驗報告[9]。這種評價方式不但不能全面地反映學(xué)生的整體表現(xiàn)，而且會挫傷學(xué)生們的積極性。為了避免這種現(xiàn)象重演，我們急需建立一個多方位的學(xué)生成績評價體系。

2 綜合實驗教學(xué)改革措施

《基因工程》《酶工程》和《發(fā)酵工程》三門課程是安徽醫(yī)科大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)的必修課程，是一門課堂理論和實驗實踐聯(lián)系非常密切的專業(yè)必修課程[10]?？紤]到綜合實驗以相關(guān)基礎(chǔ)理論知識和基本實驗技能為前提，周期較長，實驗操作較復(fù)雜，過程需要連續(xù)性。因此，以大三生物技術(shù)學(xué)生為對象，以《酶工程》為主線，并結(jié)合《基因工程》和《發(fā)酵工程》的實驗內(nèi)容，設(shè)計綜合實驗。并對教學(xué)內(nèi)容、生產(chǎn)實踐、教學(xué)形式、考核方式等進行改革，現(xiàn)將教改經(jīng)驗總結(jié)如下。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

綜合實驗的目的是在《基因工程》《酶工程》和《發(fā)酵工程》等課程的基礎(chǔ)上，使學(xué)生更加深入地掌握相關(guān)理論和操作技術(shù)，提高其運用所學(xué)的知識解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新和初步科研的意識。因此，在實驗內(nèi)容改革中，本課題組以課程銜接性、內(nèi)容創(chuàng)新性以及生產(chǎn)實踐性為主要原則，對綜合實驗的內(nèi)容進行了多次的調(diào)整和選擇，形成了較為穩(wěn)定的體系。

2.1.1課程銜接性和內(nèi)容創(chuàng)新性 本次綜合實驗以《酶工程》為主線，以獲得大量所需要的酶為目的。內(nèi)容分為3部分，第一部分涉及怎樣獲得酶基因和構(gòu)建產(chǎn)酶重組菌等上游技術(shù)，這屬于《基因工程》和《酶工程》內(nèi)容；第二部分涉及產(chǎn)酶重組菌的培養(yǎng)和發(fā)酵，這屬于《發(fā)酵工程》和《酶工程》內(nèi)容；最后一部分包括酶蛋白的分離純化、酶學(xué)性質(zhì)表征以及酶的應(yīng)用等，屬于《酶工程》內(nèi)容。整體實驗框架和實驗內(nèi)容見流程圖1。根據(jù)實驗條件和課程規(guī)劃，開設(shè)了“基因組的提取、酯酶基因的克隆、酯酶重組工程菌的構(gòu)建、重組工程菌的篩選和鑒定、重組工程菌的發(fā)酵及條件優(yōu)化、重組酶的分離純化、重組酶的酶學(xué)性質(zhì)表征、酯酶對擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的降解應(yīng)用”等實驗內(nèi)容。其中的具體操作方案，由學(xué)生分組自主討論和教師協(xié)助分析，完全尊重學(xué)生的參與性和自主性，完成創(chuàng)新性實驗。

圖1 綜合實驗流程圖

整個實驗從基因克隆開始到酶的應(yīng)用結(jié)束，使學(xué)生對生物技術(shù)的上、中、下游技術(shù)形成整體認(rèn)識，體現(xiàn)了生物技術(shù)的應(yīng)用性，為學(xué)生就業(yè)和日后的科研深造打下良好的基礎(chǔ)。從以上內(nèi)容來看，生物技術(shù)綜合實驗不僅包括《酶工程》，還包含了《基因工程》和《發(fā)酵工程》的內(nèi)容，三門課程之間相互關(guān)聯(lián)、相互滲透、相互促進。以酶的生產(chǎn)和應(yīng)用為主線，完全不同于傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，并不斷滲透其他關(guān)聯(lián)知識，注重《酶工程》與其他兩門專業(yè)課程之間的銜接，使學(xué)生在實驗過程中對內(nèi)容和目的保持清晰的認(rèn)識，從而更好地形成生物技術(shù)專業(yè)課程的整體框架，構(gòu)建完整的知識體系。

2.1.2生產(chǎn)實踐性 除了實驗室的教學(xué)以外，綜合實驗還應(yīng)涉及學(xué)生的生產(chǎn)實踐。生產(chǎn)實踐是生物技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，只有經(jīng)歷生產(chǎn)實踐，才能熟悉工廠生產(chǎn)的實際過程，畢業(yè)后才能做到從實際出發(fā)制定科學(xué)的工作計劃，更好地適應(yīng)社會的需求[11]。本課題組利用前期與企業(yè)建立的合作平臺，將學(xué)生的實踐部分安排到企業(yè)中開展。實踐項目是“硫酸胍基丁胺的酶法生產(chǎn)”，主要包括工程菌的高密度發(fā)酵、菌體的分離、生物轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品分離與純化等過程，流程見圖2。具體內(nèi)容與綜合實驗相契合，全面了解《酶工程》課程和實踐的整體過程。我們首先邀請企業(yè)高級工程師開展實踐教學(xué)，講解生產(chǎn)的過程、技術(shù)內(nèi)容和注意事項，然后帶領(lǐng)同學(xué)們親身體驗生產(chǎn)實踐。學(xué)生深入車間詳細(xì)地了解整個生成工藝流程，并在技術(shù)人員的指導(dǎo)下進行操作。在實踐過程中，工程師和帶教老師協(xié)助學(xué)生分析遇到的問題，并對學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)報告進行指導(dǎo)。通過生產(chǎn)實踐的學(xué)習(xí)，一方面使學(xué)生真正了解了生產(chǎn)過程，把課堂所學(xué)知識與完整的工業(yè)化體系結(jié)合在一起，另一方面為后續(xù)的專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)論文做好準(zhǔn)備。

圖2 生產(chǎn)實踐項目流程圖

2.2 教學(xué)模式的改革

傳統(tǒng)的教學(xué)模式多為“填鴨式”教學(xué)，教師是課堂的主體，學(xué)生作為聽眾，是知識的被動接受者。這種教學(xué)模式致使學(xué)生們?nèi)笔W(xué)習(xí)的積極性和主動性。因此，本次教改通過教師引導(dǎo)，力求充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹骄啃蛯W(xué)習(xí)，真正實現(xiàn)“老師要我做什么”到 “我要做什么”的新轉(zhuǎn)型。

本次綜合實驗的設(shè)計包括酶基因的獲得、重組工程菌的構(gòu)建和培養(yǎng)、發(fā)酵條件優(yōu)化、酶的分離和純化以及后續(xù)的酶學(xué)性質(zhì)表征和應(yīng)用等連續(xù)性的工作，新穎且具有挑戰(zhàn)性。本課題組把教學(xué)過程分為5個環(huán)節(jié)進行，線上線下混合式教學(xué)[12]，實驗與實踐相結(jié)合，具體過程如圖3所示。第一個環(huán)節(jié)，事先把相關(guān)的知識點、操作技能、實驗安全等微視頻，通過雨課堂推送的方式，讓學(xué)生們完成自主學(xué)習(xí)，并進行自測。“雨課堂”為所有教學(xué)過程提供的客觀、真實的數(shù)據(jù)化分析，便于教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)進行全面考查。老師可以在后臺查看學(xué)生的學(xué)習(xí)和知識掌握情況。第二個環(huán)節(jié)，組織PBL(Problem Based Learning)教學(xué)。學(xué)生劃分為若干個項目小組，以問題為導(dǎo)向，通過小組討論解決問題[13]。按照綜合實驗的目的和要求，查閱文獻資料，并通過共同研究和討論，增加教學(xué)的互動性[14]。教師協(xié)助分析方法的合理性和可操作性，最終每組撰寫出綜合性的實驗方案和實驗內(nèi)容。PBL教學(xué)模式最大限度地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和參與性，使其形成團結(jié)協(xié)作和獨立思考的習(xí)慣，有效地鍛煉和提高了學(xué)生的綜合職業(yè)能力。第三個環(huán)節(jié)，在實驗操作過程，學(xué)生盡可能地自主安排試驗時間和實驗環(huán)節(jié)，并分析和解決出現(xiàn)的問題；教師以引導(dǎo)為主，切忌“指手畫腳”。第四個環(huán)節(jié)，在實踐過程中，學(xué)生親身實踐為主，以工程師教學(xué)為輔，并提交生產(chǎn)實踐報告。最后，每組學(xué)生討論實驗和實踐體會，并總結(jié)匯報。在整個綜合實驗和實踐過程中，學(xué)生們參與度較高，獲得了較高的專業(yè)認(rèn)同感和自我成就感。

圖3 教學(xué)過程流程圖

2.3 課程進度安排

綜合實驗的安排既要保證到本實驗的連貫性又要避免與其他課程安排的沖突，所以課程進度是本實驗課的重中之重。依據(jù)本校生物技術(shù)培養(yǎng)方案，設(shè)置匹配的課時量。本課題組選取周末兩天進行，維持4周。通過充分的討論將實驗過程落實到具體細(xì)節(jié)，合理統(tǒng)籌安排，做到時間的最大化利用。同時充分調(diào)動學(xué)生的積極性，鼓勵其自主完成，做好充分實驗準(zhǔn)備。具體課程進度如下表1所示。

表1 課程進度安排

2.4 考核方式的改革

考核是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)[9]。傳統(tǒng)的考核模式缺少相對的細(xì)化和量化考核體系，對該課程的考核主要借助實驗報告和出勤，其中實驗報告的權(quán)重最大。這種考核方式對學(xué)生的評價是不全面的，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。針對此種情況，我們需要建立多方位實驗課程考核體系，力求公平公正合理客觀的體現(xiàn)學(xué)生綜合實踐能力。

本次教改考核體系共分為4個階段，如圖4所示，各部分的考核權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先公布。實驗前準(zhǔn)備階段，主要借助“雨課堂”的移動便捷性和智能性，以視頻學(xué)習(xí)完成度、自測成績、PBL課堂參與度、實驗方案撰寫情況進行評分；實驗過程占40%比重，主要考查學(xué)生參與度、操作規(guī)范性、實驗結(jié)果等內(nèi)容；實驗總結(jié)主要包括實驗報告規(guī)范性、數(shù)據(jù)真實性、結(jié)果討論和分析以及總結(jié)匯報；生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)主要由實踐參與度、操作規(guī)范性、實踐報告規(guī)范性以及總結(jié)匯報構(gòu)成。整個考核體系涵蓋了“課前”“課中”和“課后”等各個環(huán)節(jié)，有利于教師實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有效制定教學(xué)方案，同時測評結(jié)果綜合體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、知識掌握程度、科學(xué)報告撰寫能力、科研思維以及操作技能水平等多方面素質(zhì)與能力，真正實現(xiàn)教學(xué)相長。

圖4 多方位考核體系構(gòu)成及分值分布

3 綜合實驗教學(xué)改革效果與反思

本課題組以2016級(30人)、2017級(27人)和2018級(26人)生物專業(yè)作為實驗班級進行綜合實驗教學(xué)改革。在興趣度、課程重要性、考核模式滿意度、對綜合能力培養(yǎng)的作用、課程滿意度、對就業(yè)或科研的作用以及推薦給下一屆的力度等方面，三屆學(xué)生對綜合實驗的評價均高于對傳統(tǒng)專業(yè)課實驗的評分，這說明綜合實驗教改效果顯著。

本課題組注重課程延續(xù)性。實驗平臺以及教師實驗室向有興趣、有更高需求的學(xué)生開放，學(xué)生深入接觸科研，在后續(xù)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題申請、專業(yè)考研率以及畢業(yè)實習(xí)開展等方面，都有顯著效果。例如，2016級學(xué)生參與的國家級和省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目有4項，其中有2項與本課程相關(guān)；2017級學(xué)生參與的國家級和省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目有6項，其中有2項與本課程相關(guān)；2018級學(xué)生參與的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目有10項，其中有4項與本課程相關(guān)。研究生錄取情況方面，這3年的考研率分別為31.9%、35.0%和38.5%，錄取專業(yè)與本課程相關(guān)的學(xué)生總數(shù)為27位。在課程結(jié)束后，先后有21名學(xué)生到公司開展暑期實習(xí)或畢業(yè)實習(xí)，直接參與企業(yè)的生產(chǎn)中，這極大提升了學(xué)生專業(yè)服務(wù)社會的能力，為校內(nèi)培養(yǎng)與就業(yè)無縫銜接奠定基礎(chǔ)。

本專業(yè)綜合實驗改革在取得一定成效的同時，仍存在若干問題需要進一步改善。例如，在帶教過程中，隨著招生人數(shù)的逐年增加，教師和學(xué)生一對一指導(dǎo)交流的時間逐漸減少。后續(xù)會加強教學(xué)師資隊伍的建設(shè)，配備更多有經(jīng)驗的老師；也會在實驗結(jié)束后，加強與學(xué)生的交流；實驗課之外通過互聯(lián)網(wǎng)和學(xué)生加強交流，保證一對一指導(dǎo)的時間。另外，越來越多的相關(guān)專業(yè)學(xué)生想加入到綜合實驗中，但由于實驗平臺資源和場地有限，不能接納更多的學(xué)生。后續(xù)將及時更新補充儀器設(shè)備，加強儀器設(shè)備和試劑的購置，提升平臺服務(wù)能力，試點將該專業(yè)課程拓展成全校范圍的通識類課程，惠及更多有興趣的學(xué)生。

4 總結(jié)

本次教學(xué)改革以學(xué)生為主體，以提高專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力為目標(biāo)，采取學(xué)生自主設(shè)計實驗、線上線下混合教學(xué)、多方位考核以及生產(chǎn)實踐等方式，建立了以《酶工程》為主線、結(jié)合《基因工程》和《發(fā)酵工程》內(nèi)容的綜合實驗體系，教學(xué)效果顯著。綜合實驗教學(xué)改革是一項長期的系統(tǒng)工程，雖然幾年來的教學(xué)改革實踐已取得較好的成效，但生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用十分迅猛。因此，在未來的教學(xué)實踐中，仍需不斷努力探索，及時更新內(nèi)容，同時提高自身專業(yè)水平和思想修養(yǎng)，構(gòu)建更合理的綜合教學(xué)體系和教學(xué)模式。

利益沖突：所有作者均申明不存在利益沖突。