蛋白質與酶工程課程教學改革研究

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[摘要]蛋白質與酶工程是高校生物技術專業的一門重要課程。近年來隨著生物技術的發展，國家和市場對生物技術專業人才的需求和要求也逐步提高，為了更好地適應這些要求，本文以培養應用型人才為導向，對本科生蛋白質與酶工程課程教學進行了改革與探索。通過整合優化教學內容，改進課堂教學模式，挖掘課程思政元素，加強實踐能力培養和強化過程考核等方式，促進蛋白質與酶工程課程教學的發展和提高。

[關鍵詞]蛋白質與酶工程；生物技術；教學改革；應用型人才；課程思政

蛋白質與酶工程是高校生物技術專業的一門重要課程，很多高校的生物技術專業作為一門專業核心課程講授[1]。近年來，隨著生命科學與技術的迅猛發展，生物技術在醫療、醫藥、健康及環保等產業中占據越來越重要的地位。而蛋白質工程和酶工程作為生物技術的重要組成部分，在上述這些產業中占據極其重要的地位。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、疫苗及藥物的研發及生產正是蛋白質工程和酶工程的重要內容之一。在這一形勢下，對相應的蛋白質及酶工程生物技術人才需求會增加，要求也會進一步提高。高校作為我國科技人才培養的重要組成部分，培養出適應新形勢下市場需求的人才是高校的重要任務之一[2-3]。因此，為了更好地適應市場需求，培養出高質量的應用型人才，以培養具備實踐能力的應用型人才為導向，對我校本科生蛋白質與酶工程課程教學進行了改革與探索。

1教學內容的整合與優化

蛋白質與酶工程課程實際上可以分為蛋白質與酶工程兩大模塊[1]。二者既有相通之處，又有各自的側重點。在很多院校，蛋白質工程和酶工程是作為兩門獨立的課程分別設課。我校依據兩門課程的特點，將二者整合為一門課程。蛋白質工程與酶工程都是涉及到大量專業基礎知識和其他學科知識綜合運用的課程，包括有機化學、生物化學及分子生物學等。二者涉及到的知識繁多復雜，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生是本課程面臨的第一個挑戰。為了更好地切合應用型人才的培養目標，結合地方性院校學生的實際，對課程的大綱進行了調整，對教學內容進行了優化，對蛋白質工程和酶工程兩個模塊的內容進行了深度的整合。增加了課程中與應用和實踐結合更加緊密的內容的學時比例，更加強調課程的應用性。例如弱化了蛋白質工程中蛋白質理性設計中的理論及計算內容，這些內容涉及到大量艱深的物理及化學理論知識，對于本科生來說難度過大。整合了蛋白質工程中蛋白質的修飾和酶工程中酶分子修飾改造的內容。對整個課程中涉及到其他課程的知識進行了梳理，將學生在其他課程中學過的知識進行了精簡，以突出課程的核心內容。例如課程涉及到的蛋白質與酶的基礎知識，學生基本上在生物化學及分子生物學等前置課程中學過，在教學的時候，以課前自學和課堂提問的方式，讓學生回顧這些內容。課程還涉及與基因工程、細胞工程和發酵工程等課程交叉的內容，在制訂教學內容時，將重復的內容進行了精簡。通過這些措施，讓整個課程思路脈絡更加清晰，重點突出，教學內容也更加貼近應用性實踐性的要求。

2教學方法的改革與探索

蛋白質與酶工程相比于一些生物技術專業的基礎課程，內容難度較大，抽象度高，學習難度較大。盡管課程安排在大三年級，學生有了一定的有機化學、生物化學及分子生物學的基礎，但是從歷年的教學經驗來看，學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用型轉型發展的要求，培養具備實踐能力的應用型人才，有必要對既往的教學進行改革和探索。(1)注重課程的應用性，理論聯系實際，豐富課堂教學的內容，激發學生的學習興趣。在以往的教學過程中，采用傳統的講解結合PPT演示。由于教學內容抽象且難度較大，學生很難集中注意力，教學效果差。為了改變這一問題，在講授內容時，穿插科學研究的故事和實際案例，增加教學內容的趣味性。例如在講解蛋白質凝膠色譜技術時，介紹了通用電氣公司的經典凝膠色譜產品Sephadex系列誕生的故事，源自于一位年輕科學家的意外錯誤。在講解蛋白質藥物的時候，以胰島素這一經典藥物為例，介紹了幾十年來各個醫藥公司在胰島素研發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動了學生的興趣和積極性。蛋白質與酶工程是一門應用性較強的課程，其最終目的是運用蛋白質和酶的理論知識去指導實踐，更好地改造和運用蛋白質或酶去造福人類。在以往的過程教學過程中，往往容易忽略這一點，很多教學內容陳舊，和當前的工業應用脫節。在培養應用型人才的導向下，在課堂中增加了大量的蛋白質工程和酶工程的實際案例，例如知名的國際蛋白質與酶制劑產業巨頭諾維信，賽默飛世爾等企業的案例，工程蛋白藥物的研發與市場開發案例，國內新興蛋白質藥物、酶制劑公司崛起的案例，讓學生了解到當前蛋白質工程和酶工程產業的蓬勃發展，提高了學生對蛋白質與酶工程產業未來發展的信心，讓學生有了主動學習的動力。結合學生最關心的就業問題，讓學生通過互聯網主動去了解蛋白質和酶工程目前的行業發展狀況，就業情況等。這種把課程學習和學生切身利益結合在一起的方法，大大提高了學生主動學習的積極性，取得了良好的學習效果。(2)改進課堂教學方式，促進學生主動學習。在蛋白質與酶工程課程中，部分章節內容較為抽象，單一的教師講授方法往往很難取得好的教學效果，也無法激發學生的學習興趣。為此，在教學過程中，引入了一些新的教學模式，督促學生主動學習，提高學生自學的能力。蛋白質與酶工程課程內容繁多，僅靠課堂上的36個學時很難將課程知識掌握好。在教學過程中，每次課后都會留下一個課程相關的問題，讓學生課后去查找資料。下次課時就這一問題讓學生給出答案。最初學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，首先破除了學生固化的觀念，教材上沒有的，指導學生主動去圖書館、互聯網數據庫去檢索資料獲。蛋白質與酶工程作為一個朝氣蓬勃的新興產業，近年來發展速度很快，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。通過這一方法訓練學生搜索資料自主學習的能力，養成自主學習的習慣。在一些涉及前沿領域應用領域的章節，展開了分小組的團隊學習模式。例如在蛋白質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”密切相關，而這些技術在當前新冠病毒藥物及疫苗研發中發揮重要作用。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為主題，讓各個小組任選其中一個技術，利用圖書館及互聯網數據庫等資源查找文獻資料，撰寫學習總結制作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，指出報告中出現的一些問題。通過這種學生自主參與學習的過程，大大加強加深了學生對所涉及章節知識的理解，拓展了學生的視野，更好地了解的學科最前沿的知識和行業狀況；教師在點評總結過程中也容易發現學生存在的問題，增強了教師與學生間的互動。(3)充分挖掘課程思政元素，加強課程的思政教育功能建設。2020年6月，教育部在《高等學校課程思政建設指導綱要》中明確提出課程思政建設要在所有高校、所有學科專業全面推進[4]。在綱要的指導思想下，在課程改革中充分挖掘思政元素，發揮課程的育人作用[5]。例如在課程的緒論部分，為了讓學生理解蛋白質工程中解析蛋白質結構對于蛋白質工程的重要性，給學生介紹了人們在蛋白質結構解析工作上的艱辛歷程。從最初的蛋白質結晶X射線衍射法、核磁共振法，到現在的冷凍電鏡方法，一直到最新的基于人工智能引擎AlphaFold2預測的方法。通過這一案例讓學生認識到科學的進步離不開艱難的探索，也激發了學生進一步學習的興趣。充分地在蛋白質與酶工程課中融入了課程思政，讓學生認識到探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。在講解蛋白質工程技術在蛋白藥物及疫苗研發中的應用的時候，結合當前全球新冠疫情的背景，介紹了我國科學家在解析新冠病毒蛋白質結構、研發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，樹立了學生的民族自豪感和自信心，也激發了學生運用所學的生物技術知識為國家為社會作貢獻熱情。(4)以應用型人才培養為導向，加強實踐能力的培養。蛋白質與酶工程是一門應用型實踐性極強的學科，因此在教學過程中特別強調了實踐能力[6]。例如在蛋白質工程及酶工程模塊中，都涉及到蛋白質或者酶制劑的生產問題，這一問題非常貼合生產和應用實際，對于培養應用型人才來說至關重要。以往的教學往往只是簡單地講解生產的原理及流程，比較抽象，學生也并未了解實際的生產過程。為了更好的突出實踐性，將酶的生產流程分為酶的發酵過程，酶的提取及分離純化和酶制劑三部分，其中酶的發酵生產將在發酵工程這一門課中重點學習。酶的分離純化和酶制劑作為教學的重點，在講解的過程中充分發揮任課教師個人的科研方向優勢，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備使用等分享給學生，既激發了學生的科研興趣，也讓學生了解到了真實的科研及生產過程。課后留給學生一些酶純化的問題，讓學生查詢資料自主完成酶純化工藝的設計。當然，實踐性的內容僅僅依賴課堂教學是遠遠不夠的，還需要實驗課讓學生能動手操作。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。在接下來的教學改革中，加入課程實驗是必然的。在實驗項目的設置上，以切合生產實際為原則，設置一些綜合性的、多流程的大實驗，讓學生能夠完整地體驗蛋白質或酶的生產過程。例如將蛋白質與酶工程實驗設計和上游的基因工程實驗、發酵工程實驗對接，將多學科的知識綜合起來，形成一個蛋白質或酶生產的完整流程，為學生未來進入相關行業從事實際生產打下良好的基礎。(5)完善課程的考核評價方式，強化學習過程的考核。考核是對學生學習效果評價的重要方式。然而僅僅采用考試的方式對學生考核無法對學生的學習效果作出客觀全面的評價，對學生平時的學習也難以起到督促作用，所以一般采取平時表現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，主要依據學生考勤及小作業等方式評價，平時考核僅浮于形式，很難起到督促作用。為了真正做到對學生學習過程的監督與考核，強化了學習的過程考核。首先制訂了詳細的平時考核標準，更加注重學生平時學習的參與度，將平時成績在總成績中的占比由原來的30%提高到了40%。學生在課堂上主動回答問題，參與小組討論并發言，作為課堂表現加分；課后積極參與小組學習，查找資料撰寫小組學習報告作為平時學習的加分；課后作業改為更加注重應用和實踐能力大作業，包括蛋白質及酶工程前沿技術的專題報告、酶純化及酶工程應用的工藝流程設計、蛋白質和酶工程相關產業的市場調查等。盡管這些作業難度很大，但是對作業的評價更加注重學生檢索和搜集資料的過程。通過這些舉措，學生平時學習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%調整為60%，在期末試題的命制上也進行了大量的優化，向實踐和應用方向傾斜。大部分試題考查學科的基本知識點，難度控制適中，需要學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用聯系較為緊密的綜合性試題和實驗設計題，例如設計一套基于離子的交換方法對特定蛋白質分離純化的流程，或者從基因工程開始設計一套利用His-tag標簽純化目標蛋白質的流程，考查學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，更加全面地反映學生對知識的掌握情況。

3結語

隨著技術的進步和對專業人才需求的擴大，蛋白質與酶工程作為生物技術專業的一門核心課程，在未來的發展中也會變得越來越重要，對課程、對學生的要求也會不斷提高。課程改革也將會在不斷的探索、實踐和總結中前進。在接下來的課程的探索與改革中，將繼續在提高課程應用性、實踐性方向努力，增加探索性實驗比例。另外，蛋白質與酶工程技術和產業高速發展，課程將持續跟蹤相關技術和產業的發展，讓學生畢業后能更好地適應行業需求。繼續加強課程思政的建設，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：黔南民族師范學院 生物科學與農學院