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生物分离工程课程教学案例库探索

1引入生物分离领域的新技术和新工艺来构建生物分离工程的教学案例库

生物分离工程是一门多学科交叉(如化工、物理化学、计算机科学等)产生的新兴学科,主要涉及将生物活性物质从反应体系中提取和纯化的各种单元操作,例如萃取、吸附与离子交换、膜分离等,因此相关学科的发展总能为生物分离技术的发展提供新技术[9]。例如,随着膜化工研究领域的发展,涌现出一系列新材料、新介质和新型膜,这就为发展新型生物分离技术和工艺带了极大地便利。所以在构建本课程教学案例库的时候要时刻关注化工、物理化学等相关领域的最新研究进展和研究成果,在教育实践中注重激发学生追踪学科前沿、开拓创新研究思路的兴趣。例如,我们在教学过程中让学生利用在线学术资源查阅相关文献,追踪生物分离技术领域的最新研究进展,并以小论文的形式对新技术与新工艺的基本原理、具体流程和适用范围进行系统总结,并与课程中的相应知识进行优缺点对比分析,并以此作为考核成绩的标准,最后将评分最高的案例编入教学案例库。这样极大地调动了学生参与的积极性,学生参与性很强,也取得了很好的教学效果。此外,还应该注重借助于一些新技术为提高生物分离工程教学效果服务。例如本课程中涉及诸多单元操作,这些单元操作过程复杂,涉及到的知识点多,学生缺乏直观的认知体验,且对这些复杂的单元操作难以理解,因而造成学习兴趣不高和教学效果低下等问题。针对上述问题,可以借助虚拟现实(VirtualReality,VR)技术的可视化、直观性等特点,利用“互联网+”技术将虚拟仿真单元操作融入到真实的生物分离实验过程中,最大程度地还原真实的生物分离过程[10]。例如我们教学团队结合课程知识,开发了L-苹果酸、L-丙氨酸等生物发酵产品的分离仿真软件,通过计算机模拟让学生直观地体验整个分离流程,同时对过程中所涉及的单元操作进行详细剖析和说明,整套软件被编入生物分离工程的教学案例库(图1)[11-12]。这一措施不仅消除了他们对于实验中的大型实验设备操作的陌生感、恐惧感;也使其对分离过程中的单元操作有了更为直观的认识,加深了学生对课程知识的理解。

2通过引入校企合作课题或技术服务项目来充实

生物分离工程的教学案例库生物分离工程实验是一门应用性很强的课程,通过对这门课的学习,使得学生能够系统掌握生物活性物质的提取、分离、纯化和加工的整个流程,从而针对特定的分离目标物质结合所学的多种生物分离技术来设计合理的提取和纯化工艺,进而培养学生“学以致用”的创新能力和创新素养,以适应新工科教育背景下经济与社会发展对复合型创新人才的需求[13]。为了实现这一培养目标,我们尝试利用学校的校企合作课题来开展生物分离工程实验中的综合型实验课程,以充实生物分离工程的教学案例库(如表1)。例如,我们尝试将企业委托的技术项目“利那洛肽的纯化制备技术”作为实验课程的案例,首先引导学生查阅相关文献,找一些与目标物结构与性质类似的分离文献,采用分组讨论并拟定不同分离工艺的初步实验方案,在此基础上进行实验验证,并结合课程中所讲授的离子交换与色谱分离方法等知识对纯化工艺进行进一步的优化。最终,研究生通过反复实验验证获得了一种利那洛肽的高效分离方法,即采用离子交换与高效液相色谱相结合的方法,以阴离子交换柱为固定相,以Tris-HCl缓冲液为流动相A,以含有一定浓度NaCl的Tris-HCl为流动相B,采用梯度洗脱方法对利那洛肽粗品进行处理,然后进一步使用高效液相色谱对上述洗脱液进行脱盐处理,以C18柱为分离介质,以乙酸水溶液为流动相A,以乙腈为流动相B进行梯度洗脱,最终获得了纯度为99.8%的利那洛肽纯品,获成功申请发明专利一项(专利名称:一种利那洛肽的纯化方法,CN107266535A)[14]。在此案例中,我们需要围绕生物分离工程的核心分离方法离子交换与色谱分离,对分离过程进行优化组合和设计,其中的关键环节是离子交换介质,引导学生以课程讲授知识与文献资料相结合的方式设计可行的实验方案,选择合适的分离介质,提高学生参与生产实践的积极性,可取得良好的教学效果。

3以研究生科研与实践创新计划相结合来丰富生物分离工程的教学案例库

研究生是科研创新的主力军,研究生科研与实践创新计划是新工科教育背景下实践教学的重要组成部分,也是提高研究生教学质量和培养学生创新思维和创新能力的重要举措。生工学科积极响应江苏省教育厅《关于实施江苏省研究生科研与实践创新计划》等文件的号召,结合自身专业特点,开展并实施江苏省研究生科研与实践创新计划以及南京工业大学研究生科技论坛等项目,旨在提高研究生的科技创新能力[15-16]。同时,在课程教学中将自主探索型课题与此类项目进行有机结合,让研究生结合所选课题进入相关教授实验室并参与相关的科研项目中,以此来丰富生物分离工程的教学案例库(表2)。例如,我们让学生根据导师研究方向及研究生论文课题等因素,综合考虑实验室设备情况,自主选择创新研究课题,并自主查阅文献和拟定详细的实验方案,由指导教师进行审核评分,选取可行性好、研究基础扎实和方案详细的项目去申报江苏省研究生科研与实践创新计划,如表2所示,近三年有“冬凌草多组分提取新工艺”、“孔径小于10nm均孔膜的研究”、“高效稳定分离纳滤膜的精密构筑”和“纤维素/壳聚糖/GO气凝胶复合材料制备及吸附性能研究”等4项自主创新课题入选了江苏省研究生科研与实践创新计划,由学生担任课题负责人,实行包干制度,锻炼了学生分析和解决问题的能力及独立开展科研工作的能力,项目结题后的相关资料由学生负责人进行整理,编入生物分离工程的教学案例库中,具有鲜明的自主创新特色,也提高了学生的参与探索的积极性,取得了良好的效果。同时,我们鼓动学生利用研究生科研与实践创新计划所取得研究成果积极开展研究生科技论坛等学术沙龙活动,让学生分享自己的科研经历与心得体会,通过学生的现身说法提高低年级学生对本门课程的认识,而且也邀请生物分离相关领域的专家来校做学术报告,与学生面对面交流自己的科研体会和心得,在交流中学生反响热烈,积极与专家进行互动,取得了良好的课外教学效果,培养了学生的创新思维和创新能力等科研素质,全方位锻炼学生的综合科研与应用创新能力。

4结语

案例式教学最早起源于20世纪的美国哈佛商学院,是指在教学中通过引入案例和引导学生进行问题分析,锻炼学生运用所学知识解决实际问题的综合能力。目前,生物分离工程教改工作中案例式或类似的教学方法已有实验教学方面的报道,但在课堂教学中的应用较少。主要原因是案例教学易通过实际操作实施,在课堂教学中则较难模拟实际操作。笔者及教学团队在从事生物分离工程的研究生教学中通过引入多个本学科已成功实现的案例,引导学生将课程知识应用到生产实践中去。综上所述,生物分离工程实验是一门理论与实践密切结合的课程,对创新型专业人才的培养发挥着重要的作用,尤其在新工科教育背景下,通过教学模式改革等手段来培养和提升学生的创新能力及科研素养以满足经济与社会发展的需要成为了工科专业教学要求的重要目标[17-18]。笔者所在教学团队总结了近几年的教学实践经验,对本门课程的教学模式进行了一些有益的探索与尝试,取得了一定的教学效果,希望在以后的教学实践中不断总结经验与教训,遵循学生的认知规律,加强对学生动手能力和创新能力的定向培养,突出应用型创新型人才需求,强化技能培养和提倡工匠精神,为新工科教育背景下的实践教学改革和探索提供一些思路和启示。

作者:朱本伟 倪芳 熊强 姚忠 孙芸 单位:南京工业大学/食品与轻工学院

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