1、1本科生生物分离工程教学改革与实践摘要：本文通过对生物分离工程教学改革与实践，优化教学内容，采用多媒体，网络资源等现代化教学手段，双语教学及互动式多元化的教学模式，活跃课堂气氛，激发学生创新思维，注重传授专业基础知识，介绍本学科的研究进展，提高课程教学效果，使学生能更好地学习和掌握专业知识。经过十余年的教学实践检验，效果良好，该课程于 2005 年荣获“国家级精品课程”称号，是目前全国生物工程类唯一的国家级精品课程。关键词：生物分离工程 教学改革 课程建设随着近年来生物技术突飞猛进的发展，生物技术产品对其下游过程技术中的分离纯化技术提出了更高更迫切的要求。生物分离过程是生物工程中必不可少的也是
2、极为专业的环节 1，因此，分离技术是生物高新技术能否实现产业化的关键，成为制约生物工程产品生产及可持续发展的瓶颈。为了更好地适应生物工程产业化发展需要，必须开展生物工程下游技术、原理及装备的教学工作，构建富有工科特色的生物分离工程课程体系，培养基础理论扎实、科研能力强、具有创造性思维和能力的优秀人才。我校是一所以工为主的多科性教学研究型大学， 生物分离工程是针对生物工程、制药工程、药物制剂、食品工程以及生物技术等本科专业开设的专业主干课。该课程兼有“工程技术”与“科学”的双重特点，不仅要强调工程观点、设计计算、实验技能及选型能力，更要强调理论联系实际，解决工程问题的方法论；课程内容在介绍经典生
3、物分离工程单元操作的同时，还应跟踪当今生物工程领域乃至相关学科最新发展动态，在教学活动中不仅要传授知识与技能，更应“树人、育才”。因此，在生物分离工程教学中不仅帮助学生完成“从理论到实际”的转变，更要激发学生学习兴趣，培养学生的综合素质与创新能力。按照面向 21 世纪高素质生物工程人才培养要求，结合我校及专业培养实际情况，十余年来课程组对生物分离工程课程体系及内容进行了改革与实践。一、教学内容教学内容是课程建设的重要环节，改革教学内容不仅能提高教学效果，而且激励任课教师自觉加快自身知识更新，提升教学水平。课程组结合自身科研工作及生物分离工程的最新（ 一 ） 精心制定大纲，悉心编写与选择教材生物
4、分离工程是将生物产物进行分离、提取并精制的一门工程学科。课程内容涉2及理论教学环节和实验教学环节。课程组本着“宽口径、厚基础、重实践”的人才培养方略，制定了具有工科特色的课程教学大纲，在强调基本原理和方法的同时，注意将分离工程的前沿问题及相关研究所、企业在该领域的最新研究进展作为应用实例补充修订于教学大纲，同时增设 50的双语教学内容。此外，为了改善传统教学中“老师讲学生听”填鸭式教学模式，将培养学生自学能力作为一项重要教学内容在新教学大纲中作出明确规定，对教材中某些章节采用自学与讨论相结合的方式进行，例如：在干燥设备及辅助操作的教学中，鼓励学生去图书馆查找资料进行计算设计和选型，并写出相应的
5、报告；充分发挥学生主观能动性，尝试通过多种渠道获取知识。作为工科院校，培养的学生多数在生产一线或从事应用研究，因此在教材选择上学校更重视理论的应用。根据大纲，收集了教师科研和工作中接触到的工程示例，引入当代生物分离技术的新文献近 80 篇，编写了 40 万字的生物分离原理及技术教材，该教材被列为化工出版社及教育部重点教材。双语教学部分，课程组选用国际上经典的、再版次数最多的 Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology（Paul A. Belter, E.L.Cussler, Wei-Shou Hu）作为基本内容。此外，鼓励、推
6、荐学生阅读由孙彦主编的 生物分离工程 、俞俊棠主编的新编生物工艺学 （下） 、刘国诠等编著的生物工程下游技术及Bioseparation Science and Engineering （Roger G. Harrison, Paul W. Todd, Scott R. Rudge, and Demetri P. Petrides ） 、Bioseparations Engineering: Principles, Practice, and Economics（ Michael R. Ladisch Bioseparations）和 Handbook of Separation Proces
7、s Technology 等国内外有关生物分离工程与设备的经典书籍与期刊，以拓展学生的知识面。（ 二 ） 依据教材，合理安排课程内容生物分离工程要求学生掌握生化产物分离的基本理论、研究内容和主要设备，了解各种分离过程的特点和应用范围，并能根据分离物质的特点进行工艺过程的设计，为从事生物技术产品的生产打下理论和实践基础。生物产品的分离纯化涉及从基因工程至农产品加工十几个大门类几十万种产品的加工过程，要将这些问题面面俱到传授给学生有一定的难度，为此在教学过程中，我们引入单元操作理念，将量大、面广、复杂的生物原料深加工问题归成四个模块，每个模块介绍不同的单元操作。如：第一部分不溶物的去除（包括：过滤
8、与微过滤、离心、细胞破碎 3 个单元操作） ；第二部分产品分离（包括：萃取、吸附 2 个单元操作） ；第三部分产品纯化（包括：色谱、层析、超滤与电渗析 3 个单元操作） 、 （4）产品精制（包括：结晶、干燥 2 个单元操作） 。在讲课过程中，注意课程内容配套，重视工程效率内容的讲授，使学生了解生物分离的原理与设备的配套关系，以求大幅3度提高产业化分离效率。同时根据教学现代化的程度，增加计算机辅助单元操作仿真设计，强调课程内容与计算机的紧密结合，使学生通过学习掌握更多的工程设计知识以及先进的设计方法。（三）传授学科最新前沿及工厂实例，激发学生学习热情学科的飞速发展，需要教师及时跟踪学科前沿，不但
9、要介绍本领域的最新研究成果、引领学生了解学科最新进展，用浅显易懂的语言介绍典型研究成果中的创新点、分析创新思路。为了实现这一教学目标，在传授教材知识的基础上注重介绍当前国际上生物分离工程领域的最新研究进展和研究热点最新的分离单元操作如：模拟移动床的分离技术、双水相萃取、膜分离、分子蒸馏、反微团萃取及超临界萃取等内容。针对工科院校学生的特点，在教授基础知识、广泛介绍生物分离工程领域的最新发展动态的同时，特别重视介绍国内外高校、研究所特别是一些知名企业的生产与研究状况，结合自身以及本院科研工作的特点，补充大量的学生可以亲眼目睹、甚至亲自参与的科研实例，增加了课堂的趣味性、知识性和新颖性，激发学生的
10、探索热情。如介绍分离工程是生物技术发展中的瓶颈，将我校曾经获得国家科技进步一等奖“反应与分离耦合技术在生物产品生产中的应用” 的有关背景资料和最新研究的成果介绍给学生，增设了请学生设计生物反应与分离耦合技术生产生物制品、食品添加剂流程或选择认识实习企业的主要工艺流程，针对其中的主设备进行设计，以消除“空对空”的印象。引导学生在设计时不仅要考虑本单元操作的因素，还要考虑上、下工序间的衔接和影响；在做技术经济比较时，将单个设备的优化向整体工艺的优化发展，明确“局部”和“全局”的辨证关系。将工厂的设备“搬到”课堂，让学生对单元操作有更生动、更直观的印象。通过列举大量生活中、工厂里常见的例子，让学生将
11、课堂学到的理论、公式，与生活和将来的工作紧密联系，真正做到学以致用。如：介绍离心单元操作，举味精厂采用三足式离心机分离味精结晶的例子及家用洗衣机脱水桶的例子，其间让同学们一起参与分析、计算、设计与选型。在图例展示的过程中适时地穿插介绍各项分离方法的原理，使学生在关注高新技术的同时也掌握了基础原理知识，纠正学生认为“所学课本知识不实际”的观点。通过这样的举例、讨论，使学生对这门课程产生了浓厚的兴趣，由被动学习变成主动学习：提问交流的人也显著增多，甚至有的同学把家乡企业生产中存在的问题拿来询问，充分显示出这种教学方式让同学们真正感受到了分离工程课程的重要性，激发学生的学习积极性。4（四）强化实践教
12、学环节 重视工程能力及创新能力的培养“生物分离工程”是一门综合性、实践性、工程性极强的课程，实习、实验是课程体系中非常重要的环节。充分利用校外实习基地网络及国家生化工程中心给予的有利条件，适时地组织学生参观生物技术高新企业，了解生物产品的生产过程，由于认识实习安排在学习“生物分离工程”课程之前，此时学生对生物分离工程的认识几乎为零，所以实习结束后对单元操作及设备认识不深入。针对这一问题，我们课程组教师特别注重参与指导，在实习过程中引导学生重点观察单元操作设备，同时介绍在生物工程产品生产中的地位，使学生对此有了较深的感性认识，为后续的理论学习打下良好基础。多年来我们对生物分离工程单独开设生物技术
13、大实验课，要求学生通过菌株的分离、活化、摇瓶培养、3L 发酵罐培养、离心分离、固定化（或游离酶）转化、活性炭脱色、离子交换去除杂离子、等电点沉析、结晶、干燥等单元操作，制备 L天门冬氨酸。该实验不仅使学生熟悉了典型生物制品的生产流程，而且还将生物分离工程中各单元操作有机串连，有利于学生将理论知识与生产实践两者结合。实验教学中采用节约化、集成式的管理模式，做到每位同学都有亲自动手的机会，提高了实验教学质量，同时配以多媒体软件来加强学生的实验动手能力及创新能力。借助学院创新实验室平台，先后投入 28 万元自行设计组装了离子交换、模拟移动床（SMB） 、结晶等实验装置用于教学，结合学科开展的科研项目
14、，组织学生参观学习，为学生提供切实的动手锻炼和开展创新实验的机会。二、教学方法教学方法是课程建设的重要内容之一。为了保证教学的系统性和知识容量，课堂讲授是必不可少的，但讲授的缺点在于它的单向传输性，学生的主动参与不够。为提高教学效果，必须注意选择合理的教学方法 2。（一）多媒体教学、双语教学及互动式教学有机结合，培养学生参与意识生物分离工程是一门综合性很强的课程，涉及到物理、化学、数学、生物学、机械、工程等相关领域的背景知识。本课程教学对象是三年级下半学期或四年级上半学期的本科生，已基本具备学习此门课程的相关背景知识。作为一门专业课，应引导学生去认识与掌握更多生物分离工程方面的专业知识与技能，
15、提升学生的专业外语水平，培养学生的主动性。因此，本课程组探索了多媒体教学、双语教学及互动式教学有机结合的教学模式。在教学中灵活地运用多媒体教学手段，把教师从粉笔板书的传统教学方式中解脱出来，既节省了课时，又能营造出和谐轻松的课堂气氛。将企业分离单元操作设备、流程制作成5图片、录像和 FLASH 动画穿插在课件中，使同学们在接受理论知识的同时，对所学知识有更为感性的认识。十余年来，课程组 50%的课程内容采用双语教学，在教学过程中坚持采用英文课件、英文授课，鼓励学生用英文交流，有利于把生物分离工程最前沿的知识及时传授予学生。如何引导学生在教学过程中变被动接受为主动参与的课堂教学是当前教改的一个重
16、要课题。在讲课中注意章与章之间的联系，促使学生通过对比、理解记忆、举一反三的思维方式来在无序中找出规律，而不是死记硬背，这样一来，原本很多的公式就显得不多了。针对学生中存在的“上课能听懂，下课不会用”的情况，多年来坚持在课堂教学中开展习题讨论课，精选一批理论联系实际、有助于加强工程观点、启发性强、有思考余地的思考题。上课时以“讨论”为主、讲解为辅，结合生物分离领域一些热点问题，适当引导学生展开课堂讨论，充分发挥学生的主动学习能力，营造活泼、生动的互动式学习氛围。在这个过程中，有探讨、有争论，学生对问题的理解在探讨中升华，分析问题、解决问题的能力在争论中提高。这种方式体现了教师为主导、学生为主体
17、的思想，不仅使学生巩固了所学知识、能熟练运用工程原理和计算方法、提高了解决实际问题的能力，而且培养了学生的竞争观念、创新意识，同时也调动学习积极性，促进教学相长。（二）构建共享网络资源，全方位提升教学效果教学资源的开发要从教学需要出发，体现先进的教育思想，需要全面规划、精心设计。网络资源使学生有更大的学习自由和空间，网上的学习资源有助于学生自主地进行探索或开展与同伴的合作学习，同时还可以接受教师的指导与帮助。本课程组在学校的资助下构建了网络教学资源平台，教学中配备了多媒体设备，并把教学大纲、教学进程表、中英文课件、电子教案、部分章节的授课录像、习题库等网络资源放在南京工业大学“工大在线”校园网
18、上，实现课程资源共享；同时与学校网络中心加强联系，为学生上网浏览、下载课件提供便利，使学生机房能充分满足学生上网学习的需求；此外，为方便同学们上网了解有关资讯，学校在每个宿舍都配备网络端口，使学习能够融入到同学们的生活中。网络平台的构建有利于学生课前预习，课堂上也不必跟着幻灯片放映的速度记笔记，可以更加专心致志地听讲、理解，只对某些重点部分作记录，课后方便复习。 生物分离工程网络资源已做到全国共享，据了解，国内许多相关专业的师生都在使用或参考，效果良好。三、教学梯队6除了教学内容和教学方法，师资队伍建设也是课程教学能否取得良好效果的关键。大学教学、特别是工科教学，不应受教材限制，教师必须对教学
19、所涉及领域的内容和发展深入了解，善于总结自己和他人的研究成果、有所创新。课程组非常重视教师队伍建设，积极开展国际学术交流，实行“请进来送出去”的政策，聘请国内外专家进行学术交流，课程组先后选送多名年轻教师出国培训及开展合作研究，教师综合素质得到加强，教学内容和教学水平紧紧跟踪国际先进水平。同时，精心组织力量主讲、备讲、指导实验，积极进行教改和科研活动。教师经常探讨课程的教改方案、研究教学方法，互相检查备课笔记和讲稿、互相听课，做到及时发现问题及时解决，教学过程成了教师再学习、再实践和再研究的过程。本课程组教师全都参加科研工作。经过多年教学、科研的实践，教学队伍得到了很好的锻炼，其中 5 人获得
20、博士学位，6 人获得高级职称任职资格，已形成一支团结协作、锐意进取、富有创新能力的高素质教学队伍。四、教学效果通过大纲的制定、教材的编写以及课程的合理安排，明确了教学思路，学生易于接受、反映良好。通过理论教学和实践教学的有机结合，丰富了课堂教学内容，加深了学生对生物分离工程知识的理解，提高了学习积极性，激发了求知欲和探索精神，培养了创新思维方法和能力，为他们将来从事科研工作、开发利用资源生产生化产品提供了思路、奠定了理论基础，同时还激励课程组教师不断钻研，探索本学科前沿知识，提高自身素质和教学水平；通过多媒体教学、双语教学及互动式教学的有机结合，使学生很快了解并掌握了现代分离单元理论、技术及装
21、备，熟练了各种生物反应实验操作，尤其通过双语教学，学生专业英语水平整体提高，积累了很多专业词汇，能进行英文文献的阅读和翻译，还能跟老师用英语进行专业方面的简单交流，不仅收获了很多知识，思维方式也活跃了许多。网络平台的构建拓展了学生的学习空间，使生物分离工程课程资源走出南京工业大学实现全国共享。该课程先后获得江苏省一类优秀课程及优秀教学成果奖，于 2005 年荣获“国家级精品课程”称号，是目前全国生物工程类唯一的国家级精品课程。五、结语生物分离工程课程体系和内容的改革已在生物工程、食品工程、制药工程等专业全面实施，取得了良好的成效。该项改革不仅加强了基础知识和工程设计能力，更重要的是它符合“实践
22、认识再实践再认识”的认知规律，使生物分离工程课程体系更7科学、系统性更强。通过这项改革，使所培养的学生既能掌握现成知识、有分析解决工程问题的能力，又有较强的学习与消化能力，同时有丰富想象力和创新意识，成为面对新世纪挑战的高素质人才。参考文献：1 欧阳平凯，胡永红. 生物分离原理及技术. 化学工业出版社，1999 ，P2.2 武斌，朱家文，陈葵等. 研究生分离工程选论专业课教学的建设J. 化工高等教育，2004，(3) ：3639.Exploring Innovation in Teaching Bioseparations for Undergraduate StudentsAbstract:
23、 With the teaching reform and teaching practice of the curricula, the teaching contents of Bioseparations were optimized and the modern types of instrument, such as multimedia and network resource, were used in the teaching. And so do the mutual-activating and disparate teaching methods with Bilingu
24、al teaching, which could keep alert in class, develop the invention thinking capabilities of students, paying attention to imparting basal technical expertise and introducing the development of the subject. Finally, the teaching quality and effect of the course were increased. The students would be
25、better to learn and grip the technical expertise. The ten years of teaching practice verifies that the reforming result is wonderful. Bioseparations course was chosen as “A country Elaborate Curricula” in 2005, which is the only country elaborate curricula in bioengineering filed at present.Keywords: Bioseparations; Teaching reform; Curricula construction
