蛋白質(zhì)與酶工程課程教學(xué)改革研究

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[摘要]蛋白質(zhì)與酶工程是高校生物技術(shù)專業(yè)的一門重要課程。近年來隨著生物技術(shù)的發(fā)展，國家和市場對生物技術(shù)專業(yè)人才的需求和要求也逐步提高，為了更好地適應(yīng)這些要求，本文以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為導(dǎo)向，對本科生蛋白質(zhì)與酶工程課程教學(xué)進行了改革與探索。通過整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進課堂教學(xué)模式，挖掘課程思政元素，加強實踐能力培養(yǎng)和強化過程考核等方式，促進蛋白質(zhì)與酶工程課程教學(xué)的發(fā)展和提高。

[關(guān)鍵詞]蛋白質(zhì)與酶工程；生物技術(shù)；教學(xué)改革；應(yīng)用型人才；課程思政

蛋白質(zhì)與酶工程是高校生物技術(shù)專業(yè)的一門重要課程，很多高校的生物技術(shù)專業(yè)作為一門專業(yè)核心課程講授[1]。近年來，隨著生命科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物技術(shù)在醫(yī)療、醫(yī)藥、健康及環(huán)保等產(chǎn)業(yè)中占據(jù)越來越重要的地位。而蛋白質(zhì)工程和酶工程作為生物技術(shù)的重要組成部分，在上述這些產(chǎn)業(yè)中占據(jù)極其重要的地位。尤其是在全球新冠疫情的大背景下，市場對檢測試劑、疫苗及抗病毒藥物的需求猛增，而這些檢測試劑、疫苗及藥物的研發(fā)及生產(chǎn)正是蛋白質(zhì)工程和酶工程的重要內(nèi)容之一。在這一形勢下，對相應(yīng)的蛋白質(zhì)及酶工程生物技術(shù)人才需求會增加，要求也會進一步提高。高校作為我國科技人才培養(yǎng)的重要組成部分，培養(yǎng)出適應(yīng)新形勢下市場需求的人才是高校的重要任務(wù)之一[2-3]。因此，為了更好地適應(yīng)市場需求，培養(yǎng)出高質(zhì)量的應(yīng)用型人才，以培養(yǎng)具備實踐能力的應(yīng)用型人才為導(dǎo)向，對我校本科生蛋白質(zhì)與酶工程課程教學(xué)進行了改革與探索。

1教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化

蛋白質(zhì)與酶工程課程實際上可以分為蛋白質(zhì)與酶工程兩大模塊[1]。二者既有相通之處，又有各自的側(cè)重點。在很多院校，蛋白質(zhì)工程和酶工程是作為兩門獨立的課程分別設(shè)課。我校依據(jù)兩門課程的特點，將二者整合為一門課程。蛋白質(zhì)工程與酶工程都是涉及到大量專業(yè)基礎(chǔ)知識和其他學(xué)科知識綜合運用的課程，包括有機化學(xué)、生物化學(xué)及分子生物學(xué)等。二者涉及到的知識繁多復(fù)雜，難度較大。將二者整合為一門課程進一步增大了課程的難度。如何在有限的總課時量下將課程的核心知識傳授給學(xué)生是本課程面臨的第一個挑戰(zhàn)。為了更好地切合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合地方性院校學(xué)生的實際，對課程的大綱進行了調(diào)整，對教學(xué)內(nèi)容進行了優(yōu)化，對蛋白質(zhì)工程和酶工程兩個模塊的內(nèi)容進行了深度的整合。增加了課程中與應(yīng)用和實踐結(jié)合更加緊密的內(nèi)容的學(xué)時比例，更加強調(diào)課程的應(yīng)用性。例如弱化了蛋白質(zhì)工程中蛋白質(zhì)理性設(shè)計中的理論及計算內(nèi)容，這些內(nèi)容涉及到大量艱深的物理及化學(xué)理論知識，對于本科生來說難度過大。整合了蛋白質(zhì)工程中蛋白質(zhì)的修飾和酶工程中酶分子修飾改造的內(nèi)容。對整個課程中涉及到其他課程的知識進行了梳理，將學(xué)生在其他課程中學(xué)過的知識進行了精簡，以突出課程的核心內(nèi)容。例如課程涉及到的蛋白質(zhì)與酶的基礎(chǔ)知識，學(xué)生基本上在生物化學(xué)及分子生物學(xué)等前置課程中學(xué)過，在教學(xué)的時候，以課前自學(xué)和課堂提問的方式，讓學(xué)生回顧這些內(nèi)容。課程還涉及與基因工程、細胞工程和發(fā)酵工程等課程交叉的內(nèi)容，在制訂教學(xué)內(nèi)容時，將重復(fù)的內(nèi)容進行了精簡。通過這些措施，讓整個課程思路脈絡(luò)更加清晰，重點突出，教學(xué)內(nèi)容也更加貼近應(yīng)用性實踐性的要求。

2教學(xué)方法的改革與探索

蛋白質(zhì)與酶工程相比于一些生物技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，內(nèi)容難度較大，抽象度高，學(xué)習(xí)難度較大。盡管課程安排在大三年級，學(xué)生有了一定的有機化學(xué)、生物化學(xué)及分子生物學(xué)的基礎(chǔ)，但是從歷年的教學(xué)經(jīng)驗來看，學(xué)生掌握好這一門課程存在一定的難度，對知識的掌握也往往停留在機械性的記憶水平上，無法做到靈活運用所學(xué)的知識去分析解決實際問題。為了更好地落實地方高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，培養(yǎng)具備實踐能力的應(yīng)用型人才，有必要對既往的教學(xué)進行改革和探索。(1)注重課程的應(yīng)用性，理論聯(lián)系實際，豐富課堂教學(xué)的內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在以往的教學(xué)過程中，采用傳統(tǒng)的講解結(jié)合PPT演示。由于教學(xué)內(nèi)容抽象且難度較大，學(xué)生很難集中注意力，教學(xué)效果差。為了改變這一問題，在講授內(nèi)容時，穿插科學(xué)研究的故事和實際案例，增加教學(xué)內(nèi)容的趣味性。例如在講解蛋白質(zhì)凝膠色譜技術(shù)時，介紹了通用電氣公司的經(jīng)典凝膠色譜產(chǎn)品Sephadex系列誕生的故事，源自于一位年輕科學(xué)家的意外錯誤。在講解蛋白質(zhì)藥物的時候，以胰島素這一經(jīng)典藥物為例，介紹了幾十年來各個醫(yī)藥公司在胰島素研發(fā)和修飾改造上的競爭和市場化案例。這些故事及案例充分調(diào)動了學(xué)生的興趣和積極性。蛋白質(zhì)與酶工程是一門應(yīng)用性較強的課程，其最終目的是運用蛋白質(zhì)和酶的理論知識去指導(dǎo)實踐，更好地改造和運用蛋白質(zhì)或酶去造福人類。在以往的過程教學(xué)過程中，往往容易忽略這一點，很多教學(xué)內(nèi)容陳舊，和當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用脫節(jié)。在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的導(dǎo)向下，在課堂中增加了大量的蛋白質(zhì)工程和酶工程的實際案例，例如知名的國際蛋白質(zhì)與酶制劑產(chǎn)業(yè)巨頭諾維信，賽默飛世爾等企業(yè)的案例，工程蛋白藥物的研發(fā)與市場開發(fā)案例，國內(nèi)新興蛋白質(zhì)藥物、酶制劑公司崛起的案例，讓學(xué)生了解到當(dāng)前蛋白質(zhì)工程和酶工程產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，提高了學(xué)生對蛋白質(zhì)與酶工程產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的信心，讓學(xué)生有了主動學(xué)習(xí)的動力。結(jié)合學(xué)生最關(guān)心的就業(yè)問題，讓學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)主動去了解蛋白質(zhì)和酶工程目前的行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，就業(yè)情況等。這種把課程學(xué)習(xí)和學(xué)生切身利益結(jié)合在一起的方法，大大提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，取得了良好的學(xué)習(xí)效果。(2)改進課堂教學(xué)方式，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)。在蛋白質(zhì)與酶工程課程中，部分章節(jié)內(nèi)容較為抽象，單一的教師講授方法往往很難取得好的教學(xué)效果，也無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，在教學(xué)過程中，引入了一些新的教學(xué)模式，督促學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自學(xué)的能力。蛋白質(zhì)與酶工程課程內(nèi)容繁多，僅靠課堂上的36個學(xué)時很難將課程知識掌握好。在教學(xué)過程中，每次課后都會留下一個課程相關(guān)的問題，讓學(xué)生課后去查找資料。下次課時就這一問題讓學(xué)生給出答案。最初學(xué)生尋找答案的過程會遇到各種困難，例如最典型的問題就是很多學(xué)生觀念不正確，尋求答案往往只限于教材，如果教材沒有就無法完成問題了。面對這一問題，首先破除了學(xué)生固化的觀念，教材上沒有的，指導(dǎo)學(xué)生主動去圖書館、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫去檢索資料獲。蛋白質(zhì)與酶工程作為一個朝氣蓬勃的新興產(chǎn)業(yè)，近年來發(fā)展速度很快，僅靠教材是很難獲得最新知識的。引入激勵機制，主動去查找資料獲得合理的答案可以獲得課程平時分加分。通過這一方法訓(xùn)練學(xué)生搜索資料自主學(xué)習(xí)的能力，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。在一些涉及前沿領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域的章節(jié)，展開了分小組的團隊學(xué)習(xí)模式。例如在蛋白質(zhì)和酶分子修飾改造這一部分，和2018年諾貝爾獎“酶的定向進化”及“噬菌體展示技術(shù)”密切相關(guān)，而這些技術(shù)在當(dāng)前新冠病毒藥物及疫苗研發(fā)中發(fā)揮重要作用。這一熱點緊扣時事，具有較好的實踐意義。因此以酶的定向進化及噬菌體展示技術(shù)為主題，讓各個小組任選其中一個技術(shù)，利用圖書館及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫等資源查找文獻資料，撰寫學(xué)習(xí)總結(jié)制作PPT，并在課堂上利用多媒體作小組報告，其他組成員點評。教師給每個小組的報告作出點評，指出報告中出現(xiàn)的一些問題。通過這種學(xué)生自主參與學(xué)習(xí)的過程，大大加強加深了學(xué)生對所涉及章節(jié)知識的理解，拓展了學(xué)生的視野，更好地了解的學(xué)科最前沿的知識和行業(yè)狀況；教師在點評總結(jié)過程中也容易發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題，增強了教師與學(xué)生間的互動。(3)充分挖掘課程思政元素，加強課程的思政教育功能建設(shè)。2020年6月，教育部在《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中明確提出課程思政建設(shè)要在所有高校、所有學(xué)科專業(yè)全面推進[4]。在綱要的指導(dǎo)思想下，在課程改革中充分挖掘思政元素，發(fā)揮課程的育人作用[5]。例如在課程的緒論部分，為了讓學(xué)生理解蛋白質(zhì)工程中解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)對于蛋白質(zhì)工程的重要性，給學(xué)生介紹了人們在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析工作上的艱辛歷程。從最初的蛋白質(zhì)結(jié)晶X射線衍射法、核磁共振法，到現(xiàn)在的冷凍電鏡方法，一直到最新的基于人工智能引擎AlphaFold2預(yù)測的方法。通過這一案例讓學(xué)生認識到科學(xué)的進步離不開艱難的探索，也激發(fā)了學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的興趣。充分地在蛋白質(zhì)與酶工程課中融入了課程思政，讓學(xué)生認識到探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感。在講解蛋白質(zhì)工程技術(shù)在蛋白藥物及疫苗研發(fā)中的應(yīng)用的時候，結(jié)合當(dāng)前全球新冠疫情的背景，介紹了我國科學(xué)家在解析新冠病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、研發(fā)抗病毒抗體及疫苗方面所作的貢獻，以及我國在抗擊疫情方面的努力和成效，樹立了學(xué)生的民族自豪感和自信心，也激發(fā)了學(xué)生運用所學(xué)的生物技術(shù)知識為國家為社會作貢獻熱情。(4)以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，加強實踐能力的培養(yǎng)。蛋白質(zhì)與酶工程是一門應(yīng)用型實踐性極強的學(xué)科，因此在教學(xué)過程中特別強調(diào)了實踐能力[6]。例如在蛋白質(zhì)工程及酶工程模塊中，都涉及到蛋白質(zhì)或者酶制劑的生產(chǎn)問題，這一問題非常貼合生產(chǎn)和應(yīng)用實際，對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才來說至關(guān)重要。以往的教學(xué)往往只是簡單地講解生產(chǎn)的原理及流程，比較抽象，學(xué)生也并未了解實際的生產(chǎn)過程。為了更好的突出實踐性，將酶的生產(chǎn)流程分為酶的發(fā)酵過程，酶的提取及分離純化和酶制劑三部分，其中酶的發(fā)酵生產(chǎn)將在發(fā)酵工程這一門課中重點學(xué)習(xí)。酶的分離純化和酶制劑作為教學(xué)的重點，在講解的過程中充分發(fā)揮任課教師個人的科研方向優(yōu)勢，將任課教師的科研課題中酶的分離純化的科研過程以及一些純化設(shè)備使用等分享給學(xué)生，既激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，也讓學(xué)生了解到了真實的科研及生產(chǎn)過程。課后留給學(xué)生一些酶純化的問題，讓學(xué)生查詢資料自主完成酶純化工藝的設(shè)計。當(dāng)然，實踐性的內(nèi)容僅僅依賴課堂教學(xué)是遠遠不夠的，還需要實驗課讓學(xué)生能動手操作。然而在筆者所在的地方性院校，由于實際條件的限制，以往的課程中并沒有加入實驗課，顯然這是一個短板。在接下來的教學(xué)改革中，加入課程實驗是必然的。在實驗項目的設(shè)置上，以切合生產(chǎn)實際為原則，設(shè)置一些綜合性的、多流程的大實驗，讓學(xué)生能夠完整地體驗蛋白質(zhì)或酶的生產(chǎn)過程。例如將蛋白質(zhì)與酶工程實驗設(shè)計和上游的基因工程實驗、發(fā)酵工程實驗對接，將多學(xué)科的知識綜合起來，形成一個蛋白質(zhì)或酶生產(chǎn)的完整流程，為學(xué)生未來進入相關(guān)行業(yè)從事實際生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。(5)完善課程的考核評價方式，強化學(xué)習(xí)過程的考核。考核是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價的重要方式。然而僅僅采用考試的方式對學(xué)生考核無法對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果作出客觀全面的評價，對學(xué)生平時的學(xué)習(xí)也難以起到督促作用，所以一般采取平時表現(xiàn)加上期末成績進行綜合性考察。以往的考核中，平時成績的考核并未做到細化，主要依據(jù)學(xué)生考勤及小作業(yè)等方式評價，平時考核僅浮于形式，很難起到督促作用。為了真正做到對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督與考核，強化了學(xué)習(xí)的過程考核。首先制訂了詳細的平時考核標(biāo)準(zhǔn)，更加注重學(xué)生平時學(xué)習(xí)的參與度，將平時成績在總成績中的占比由原來的30%提高到了40%。學(xué)生在課堂上主動回答問題，參與小組討論并發(fā)言，作為課堂表現(xiàn)加分；課后積極參與小組學(xué)習(xí)，查找資料撰寫小組學(xué)習(xí)報告作為平時學(xué)習(xí)的加分；課后作業(yè)改為更加注重應(yīng)用和實踐能力大作業(yè)，包括蛋白質(zhì)及酶工程前沿技術(shù)的專題報告、酶純化及酶工程應(yīng)用的工藝流程設(shè)計、蛋白質(zhì)和酶工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)的市場調(diào)查等。盡管這些作業(yè)難度很大，但是對作業(yè)的評價更加注重學(xué)生檢索和搜集資料的過程。通過這些舉措，學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性得到了提高。期末閉卷考試占總成績比例由原來的70%調(diào)整為60%，在期末試題的命制上也進行了大量的優(yōu)化，向?qū)嵺`和應(yīng)用方向傾斜。大部分試題考查學(xué)科的基本知識點，難度控制適中，需要學(xué)生理解或者運用知識點解決一些小問題，避免死記硬背。同時也加入了一些與實踐應(yīng)用聯(lián)系較為緊密的綜合性試題和實驗設(shè)計題，例如設(shè)計一套基于離子的交換方法對特定蛋白質(zhì)分離純化的流程，或者從基因工程開始設(shè)計一套利用His-tag標(biāo)簽純化目標(biāo)蛋白質(zhì)的流程，考查學(xué)生對知識靈活運用能力和實踐能力。通過這些考核方式的改革，更加全面地反映學(xué)生對知識的掌握情況。

3結(jié)語

隨著技術(shù)的進步和對專業(yè)人才需求的擴大，蛋白質(zhì)與酶工程作為生物技術(shù)專業(yè)的一門核心課程，在未來的發(fā)展中也會變得越來越重要，對課程、對學(xué)生的要求也會不斷提高。課程改革也將會在不斷的探索、實踐和總結(jié)中前進。在接下來的課程的探索與改革中，將繼續(xù)在提高課程應(yīng)用性、實踐性方向努力，增加探索性實驗比例。另外，蛋白質(zhì)與酶工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，課程將持續(xù)跟蹤相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，讓學(xué)生畢業(yè)后能更好地適應(yīng)行業(yè)需求。繼續(xù)加強課程思政的建設(shè)，在課程中挖掘更多的思政元素，提升課程的育人功能。

作者：楊程 單位：黔南民族師范學(xué)院 生物科學(xué)與農(nóng)學(xué)院