蛋白质与酶工程教学模式探讨

2022-09-12

生物技术有时也称生物工程, 是一门涉及领域宽, 涵盖范围广, 基础性和实践性很强的实验性学科。现代生物技术是由基因工程、细胞工程、蛋白质与酶工程及发酵工程五大工程组成, 其中酶工程是高校生物工程专业的必修课程, 它是综合了多学科的研究成果形成的、作为生物技术领域产业化前景最明朗, 与经济关系最密切、发展最为迅猛的工程技术[1]。蛋白质工程是二十世纪九十年代初集合分子生物学、结构生物学和计算生物学等多学科而发展起来的一门高度集中的科学。它是在彻底了解蛋白质的结构与功能关系的基础上, 依据人们的意愿, 通过分子设计和重组技术, 改造天然蛋白质或制造自然界不存在的全新蛋白质的新型的分子生物学技术。由此可见, 蛋白质工程是实现酶工程的重要的技术手段, 酶工程则是蛋白质工程研究现实意义的最终体现, 两大工程相符相承, 密不可分。

黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院 (以下简称“我院”) 2002年率先在国内高校中增加了蛋白质工程的教学内容, 与原有的酶工程合并为一门课程即蛋白质与酶工程。这样既能在有限的时间内学习更多的专业知识, 又能发挥资源优势, 促进学科知识间的相互关联、相互渗透。经过多年的摸索与实践, 我们探索出一条适合我院学生的蛋白质与酶工程课程教学模式。

1更新与整合课程内容, 完善知识结构体系, 加强教材建设

蛋白质与酶工程包含的内容非常广泛。蛋白质工程部分包括蛋白质的结构基础、蛋白质分子设计、蛋白质的修饰和表达、突变蛋白质的性质分析、蛋白质结构预测等。目前出版的可选教材有《蛋白质工程原理与技术》 (刘贤锡, 2 0 0 2) 与《蛋白质工程》 (王大成, 2 0 0 2) 两本。酶工程部分分为化学酶工程和生物酶工程两大方面 (罗贵民, 2003) , 其中, 生物酶工程部分是随着近年来酶工程的蓬勃发展, 及与各学科间的相互渗透、相互促进而发展起来的比较新的研究内容。酶工程的经典教材有郭勇的《酶工程》 (中国轻工业出版社, 1 9 9 4年第一版;2 0 0 4年第二版) 、罗贵民的《酶工程》 (化学工业出版社, 2002) , 以及2005年至2 0 0 6年相继出版的《酶工程原理与技术》 (郭勇, 2005) 、《酶与酶工程》 (袁勤生, 2005) 、《酶工程》 (施巧琴, 2005) 和《现代酶工程》 (梅乐和, 2 0 0 6) 等。根据我院以培养实用型、复合型、创新型人才的目标, 结合学生的具体情况, 综合比较之后我们选择了王大成的《蛋白质工程》和罗贵民的《酶工程》作为教材。注重以教材为主, 融合其他参考资料对教学内容加以扩展补充, 如将其他教材中的例子, 新进展引入我们的讲课内容中, 同时也适当向学生介绍本学科国内外最新的科研成果、出现的新理论、新技术和新方法, 使教学内容更加丰富, 加大了课堂的信息量, 同时也将此书中不适合我院学生的部分内容去除不予讲授。

在使用现有教材的教学过程中, 我们发现了一些问题, 如《蛋白质工程》一书的部分内容难度较大, 学生理解起来比较困难, 书中所介绍的蛋白质工程的应用领域比较狭窄, 且所列实例比较陈旧;又如《酶工程》的部分内容不适合我院学生学习, 还有些内容与其它课程教学内容重复等。针对以上问题, 我院狠抓教材建设, 组织有多年蛋白质与酶工程教学经验的教师, 结合学科前沿和生产发展, 以及学生的实际需要, 编写了适合我院学生使用的专用教材, 不久将投入使用。

2建立合理的实验体系, 强化实验教学内容与生产实践的重要作用

蛋白质与酶工程是一门实验性和应用性很强的学科, 实验课的学时数占总学时数的4 0%。为了培养学生的动手能力, 强化实验教学, 我们在狠抓基本实验技能训练的基础上, 开设了探索性实验和设计性实验, 以期对学生综合能力的培养起到促进作用。

2.1优化实验教学体系, 提高综合性实验所占比例

我院开设蛋白质与酶工程课程的头几年, 由于经验不足和实验条件的限制, 验证性实验比例高达80%, 而实践教学表明, 应该尽量少开验证性实验, 多开创造性实验[2]。

近几年随着任课教师教学经验的积累、对前几年教学效果的总结分析及实验条件的改善, 这一状况有所改变。在保证课程体系完整的基础上, 我们减少了验证性实验增加了综合性、设计性实验的比例。如“黑曲霉孢子固定化及其对淀粉糖化的效果分析”即为典型的综合性实验。在这一实验中学生需要用到多门课程的知识, 如培养基的配置、活化菌种、接菌及菌种的发酵培养属微生物学范畴;黑曲霉的固定及其培养属酶工程范畴;还原糖的测定属生物化学范畴。实验分五次进行, 第一次配制实验所需的培养基及各种试剂, 之后进行菌种扩大培养, 得到生产所用黑曲霉孢子;第二次, 进行黑曲霉孢子的固定化;第三次, 进行固定化细胞的预培养;第四次, 进行扩大培养, 发酵生产目标酶;第五次, 测定固定化细胞的应用效果。通过这一实验, 学生既用到了以前学过的知识, 又学习了新知识, “寓新于旧”的方式拓展了学生的视野, 激发了主动学习的兴趣, 又可以使各门课程之间有机的结合起来。

2.2注重实习教学, 注重培养学生的应用能力

蛋白质与酶工程既是一门理论型很强的学科, 也是一门应用性很强的学科, 尤其是酶工程部分的内容, 使学生掌握如何利用酶工程原理指导实践并应用于实践显得尤为重要。因此, 我院极其重视教学实习基地建设, 经过多年的努力已经建立了一条产-学-研相互结合的教学模式。迄今为止, 我院已与4个产学研联合基地及1 7个实习企业建立了良好的合作关系[3]。教学过程中, 我们根据课程实际情况组织了教学参观, 通过理论与生产实践相结合的教学方式, 使学生了解了真正的生产过程, 把课堂所学知识和完整的工业化体系联系到一起, 取得了较好的效果。同时, 通过亲身体会生产实践, 学生不仅拓宽了专业面, 提高了适应能力, 有利于同学们尽快地走向社会, 适应未来的工作岗位[4]。

3改进教学方法与教学手段

3.1运用多种教学手段, 加深学生对知识的理解和掌握

对任何教学过程, 不能始终只用一种方式, 应根据一定的教学内容和教学经验, 将若干种教学方法组合起来运用。传统的板书教学有很多优势, 可以较好地控制教学进度[5], 有利于学生接受信息与教师传授知识的同步, 但是教学内容相对较少。现代化的多媒体教学手段节省了板书时间, 因此信息量大, 而且增加了教学的直观性和形象性, 对学生形成正确表象的基础, 正确理解概念奠定了前提。采用多媒体教学将静态的变为动态的, 将平面地变为立体的, 使课堂教学变得生动形象, 加深了学生对知识的理解和掌握[6]。例如, 任课教师在讲授酶的发酵生产和分离纯化部分时, 将涉及的培养基灭菌、生产种子的制备、接种、发酵、提取、分离纯化、浓缩和干燥等内容绘制成了工艺流程图, 按步骤动态地展示出来, 并展示相关设备的实物图片和结构图, 以相对较直观的形式讲授其流程、原理和操作技术。又如蛋白质工程研究的基本途径, 用动态效果表现出来, 加深了学生对该门课程的整体把握程度。, 我们在使用多媒体教学的同时适当地补充了板书教学, 如在讲授需要着重强调或难于理解的内容时, 在多媒体展示的同时教师在黑板上书写板书进行详细讲解, 能集中学生的注意力, 加深对所学知识的印象, 起到强化记忆的效果。

3.2以启发教学为主, 培养学生学习的主动性

采用启发式教学能调动学生的主动性和兴趣, 用比较幽默的语言深入浅出地使学生在比较轻松的气氛中接受知识。如在讲授绪论时, 教师向学生展示本课程的学习思路、内容、与其他学科的关系等, 并利用生动的例子向学生介绍蛋白质与酶工程在生物技术领域中的重要地位, 蛋白质与酶工程的发展历史、现状和发展方向, 研究的热点与难点等。精彩的开头不仅能激发学生对该学科的学习兴趣, 也能使学生在后继课程的学习中有一个清晰的思路和明确的目标, 以利于教师对教学内容的深入讲解[6]。

4注重自主学习能力、创新能力及综合能力的培养

4.1培养学生的信息素质与自学能力

蛋白质与酶工程研究涉及到各种数据库, 尤其是各种核酸数据库和蛋白质数据库。网络的迅猛发展使得大量的生物资源和数据库与之相连, 对蛋白与酶工程研究者来说, 网络资源十分重要。因此, 我们将网络信息资源引入了课堂教学, 对更新和扩充教学内容, 改革教学方法起到了十分重要的作用, 同时也保证了知识体系的最新化。我们在教学过程中充分利用了学校教务处的e y o u c t网络教学平台, 有意识地引导学生利用Internet获取知识并发展个性, 培养学生运用信息的能力和网上自主学习能力。如, 在学习蛋白质空间结构时, 给出了蛋白质一级结构、二级结构及空间结构数据库的网址, 指定学生去查阅某一个具体蛋白质的结构, 作为课后作业规定在一定期限内上交。学生首先要了解数据库的基本信息, 并通过各种途径掌握数据库的使用方法, 然后进入数据库进行搜索。学生在利用Internet获取知识的过程中也培养和锻炼了运用信息的能力和网上自主学习能力, 同时也有利于他们养成终生学习的意识和能力。

4.2培养学生的科研意识与创新意识

除了规定的教学内容外, 我们还增加了设计性的实验内容, 以培养学生的独立工作能力。基础较好、有精力的学生可自愿参与, 此部分成绩不计入课程总体成绩。我们将溶菌酶的分离纯化与酶活力测定作为设计性实验, 让学生自由分组, 参考实验指导制定实验方案, 然后学生自己进行样品处理、酶的分离纯化、酶活力的检验等操作, 教师进行指导。采取不同的实验方案, 所得到的酶活力可能会有高低差别, 学生可以从中找到不足。设计性实验教学可激发学生的科研兴趣, 活跃学生的思维, 促进学生对综合知识的运用, 增强对实验学习的自觉性和积极性, 有利于培养学生的创新意识和科研意识, 有利于培养学生实事求是、严谨的科学作风。

4.3培养提高学生的综合素质

蛋白质与酶工程教学不仅注重知识的传授, 更注重学生综合能力的培养。例如, 学生在查阅文献过程中, 开拓了视野, 锻炼了获取信息的能力;设计实验方案过程中, 锻炼了独立思考问题、解决问题的能力;对实验结果进行分析时, 锻炼了分析能力及归纳总结能力;和老师同学探讨问题时, 锻炼了表达能力与沟通能力;完成实验报告或课程论文过程中, 锻炼了积极思维与文字综合能力。经过了以上各方面的锻炼, 学生的综合素质有了很大提高。