应用型生物工程专业综合实验课程实践论文
摘要：生物工程综合实验是生物工程专业的一门重要的综合性实验课程。根据学院实际情况，构建了以米曲霉蛋白酶基因的克隆表达、发酵、纯化及其应用为主线的实验教学课程，对该课程的教学内容、教学安排、成绩评定和教学效果等进行了教学实践，并且取得了较理想的教学效果，可为同类地方院校应用型人才的培养提供参考。
关键词：生物工程专业；综合实验课程；教学实践
一、开设生物工程本科专业综合实验课程的意义
学院根据教育部2012年出版的《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》，以及教育部高等学校生物科学与工程教学指导委员会的《生物工程专业规范》，将基因工程、生物分离工程、酶工程、微生物学、分子生物学、发酵工程和生物工程设备等课程作为专业核心课程［3-4］。这些专业核心课程以理论教学为主，部分课程也开设了相应的实验课。由于生物工程专业开设的课程较多，涉及领域较广，致使核心课程的授课学时受到限制，相关实验课程以基础性或者验证性的实验内容为主，涉及综合性实验项目较少［5-6］。实验课程采用常规教学模式，即学生课前预习实验原理、步骤方法等，实验员将实验所有药品和试剂准备好，授课过程中，学生按照实验教材的实验步骤“照单抓药”式地完成实验内容［7］。这种教学模式有利于学生掌握基本操作技能与方法，突出单一知识点，但是调动学生的积极性和主动性较差，不利于学生对所学内容的全面理解与应用，较难将所学知识全面融会贯通。为了达到培养应用型人才的培养目标，根据学院目前专业课程实验课程的开设现状，针对生物工程专业开设了“生物工程综合实验”课程。该课程符合广东省部分生物工程类企业对基因工程、生物反应器、分离纯化等基本的操作技能要求，该课程将多门专业核心课程的基础理论和操作技能有机地融为一体，促进了学生对现代生物技术技能的理解和掌握，同时使学生具有了团队合作精神，独立思考完成实验的能力，具备初步的科学研究思维意识和科研能力。
二、米曲霉蛋白酶基因的克隆表达、发酵、纯化及其应用的综合实验课程设计模式
综合性实验是将基础理论知识点与实验操作基本技能进行有机的结合，由多个具有内在关联的小实验组成，学生在实验过程中必须认真做好每个小实验，然后将所有小实验结果有机串联在一起，达到生产出具体产品或者解决具体问题的目的［8-9］。为了让生物工程综合实验课程达到人才培养目标，尽量做到将专业核心课程的基本理论和基本操作技能有机融合，因此，选取了米曲霉蛋白酶基因的克隆表达、发酵、纯化及其应用作为综合实验的教学内容。由于蛋白酶是一类非常重要的工业用酶，占有全世界工业用酶至少60%以上份额，碱性蛋白酶又占总蛋白酶的一半以上，被广泛应用于医药、食品、化工和皮革等行业；而当前商品化的碱性蛋白酶主要来源于细菌，来源于真菌的较少，从真菌中开发蛋白酶也就引起了国内外学者的关注。米曲霉是我国传统发酵食品中重要微生物菌种，该菌产生的蛋白酶对大豆蛋白具有较强的水解作用，对大豆水解物中脱苦味和独特风味具有非常重要的'作用［10］。
（一）生物信息学实验模块
生物信息学实验模块主要由表1中2.1的“米曲霉碱性蛋白酶基因的序列分析及表达引物的设计”实验内容组成，该实验要求学生利用BioEdit7.0序列软件查看米曲霉碱性蛋白酶的基因序列及其编码的氨基酸序列，利用GenBank数据库的Blast程序对蛋白酶基因的序列分析，预测其信号肽、前导肽和成熟肽序列，利用Oligo7.0软件对表达引物的设计，学会在引物上添加限制性内切酶位点及保护碱基，以便在下一步实验中获得的PCR产物并顺利酶切。
（二）基因工程实验模块
基因工程实验模块是整个综合实验的重要组成部分，主要由实验2、实验3和实验4的内容组成，该部分主要是对目的基因的PCR扩增、纯化和酶切，然后将目的基因连接至提取出的质粒上，获得重组表达载体，通过电转化将该载体整合到毕赤酵母基因组上，对毕赤酵母转化子基因组的提取，采用基因组PCR技术鉴定目的基因整合结果，通过一系列的基因工程实验技术，让学生加深对基因工程基本理论的理解，以及对基因工程常规操作技术具有熟练的掌握。
（三）发酵工程实验模块
发酵工程实验模块主要是由实验5组成，利用基因工程实验模块构建的工程菌株，分别在三角瓶和发酵罐中进行诱导表达。在三角瓶中发酵采用500mL三角瓶装液量为100mL；而在发酵罐中，采用逐步扩大培养方式，即用多个500mL三角瓶活化菌株后，接种到10L发酵罐中扩大培养，再接种至100L发酵罐中进行诱导表达。本实验模块让学生认识到，采用不同的生物反应器培养，菌株的生长、产酶能力等都具有显著的差异，通过理解发酵曲线（pH曲线、溶氧曲线、温度曲线、补料曲线和搅拌速率曲线等）来判断发酵罐中菌体的生长情况。
（四）生物分离工程实验模块
生物分离工程实验模块主要由实验6和实验8组成。本实验模块利用板框过滤技术或离心技术将菌体与发酵液进行分离，对发酵液中的重组蛋白酶采用膜分离技术进行浓缩，对浓缩后的发酵液采用硫酸铵盐析、溶解透析获得粗酶液。对大豆肽饮料采取等电点沉淀法去除未溶解的大豆分离蛋白，采用膜分离技术对其浓缩，提高大豆肽饮料中活性肽的含量。通过该实验模块让学生理解生物产品分离中发酵液的预处理、沉淀分离、膜分离、生物产品的浓缩等原理及基本技能。
（五）酶工程实验模块
酶工程实验模块由实验7和实验8组成。该实验模块使学生认识到采用基因工程技术和发酵技术获得蛋白酶，是目前制备酶制剂的重要方式之一。通过对重组酶的基本酶学性质的测定，获得的最适合温度、最适合pH等实验结果，指导对大豆分离蛋白的水解，并制备出活性肽饮料。让学生从实验中理解酶学性质测定的重要性，以及了解蛋白酶在实际生产中的应用。
三、综合实验课程的教学实践
（一）课程安排
开设综合实验课程要求学生已完成微生物学、分子生物、生物化学、生物工程设备、基因工程等课程的学习，因此，该课程安排在大学三年级的第二学期，采用集中授课的方式，共计80学时，全天候进行实验，以确保实验的连贯性和完整性。
（二）实验分组情况
在实验课程中，常常由于学生分工不明确，试剂、药品和设备等数量的不足导致整个实验课程嘈杂、教学秩序混乱，因此，本课程将3~4名学生分为一个小组，将常规的设备、试剂和药品（如移液枪、三角瓶、烧杯、琼脂粉等）分配到每个小组，由小组支配使用管理，直到本课程实验全部完成后再归还实验室。
（三）课堂的组织教学
本课程采用学院的自编教材《生物工程综合大实验》，要求学生课前认真预习，理解实验原理、操作步骤、注意事项等各个方面。每次实验之前，任课教师对本次实验的小实验组成、实验原理、小实验间的关联，可能会出现的问题、实验结果的预测等方面均要向学生详细讲授，使学生理解本次实验内容。学生根据自己对实验教材的预习情况，结合教师对实验内容的讲授，小组内学生之间相互讨论，形成本小组的具体实验方案后，才能动手做实验。在实验过程中，学生是实验操作的主体，要求学生必须全程参与所有的实验操作，即每个实验环节都由学生自己完成，如培养基的制备、各种试剂溶液的配制等。指导教师主要是指导和监督学生动手操作，及时纠正学生的错误操作，对学生每一阶段的实验结果进行总结与分析，针对实验中出现的异常数据和现象要进行重点讲解分析，这对扩展学生知识、提高学生解决实际问题，加深对基本理论知识的理解具有巨大的帮助作用。
（四）考核方法
实验成绩是衡量评定学生学习情况的根本依据，合理的成绩评定方式，对提高学生对课程的重视程度，增强学生的积极性和主动性，提高学生的动手操作技能具有重要的作用［11-12］。本课程的成绩评定主要是由3部分组成（考勤和团队协作占10%、实验操作动手能力占20%、实验报告占70%）。“考勤和团队协作”部分由小组长牵头，以及组员间相互监督来评定组员的分数。“实验操作动手能力”由指导教师根据学生在整个实验课程中的动手操作能力评定分数。“实验报告”部分由实验报告的格式、科学术语表述、语句通顺情况、实验结果以及对结果的分析等组成，实验报告格式参照学校学报论文的撰写格式，让学生初步掌握论文的写作规范，实验结果中的表格、图片等均要求提供原始数据和图片，对实验中出现异常现象必须要有合理的解释和说明。
四、结语
本综合实验课程是基于学院科研课题的基础上形成的教学性实验课程，与学校人才培养的理念和目标一致，对应用型人才的动手操作技能，同时对学生的科研思维和科研素质等的培养具有重要的作用。该综合实验课程已在两届学生（2013级和2014级）进行了开设，得到了学生的一致好评。由于该课程的每个实验之间是相互关联的，上一个实验的结果是下一个实验的材料，这就要求学生必须重视每一操作步骤和过程，如果出现错误，就必须重做，这就要求学生具备高度的责任心，每次实验操作要认真负责确保成功，无形中提高学生的动手能力和操作技能；整个实验是一个连续性的过程，实验时间的安排与菌体生长、酶的反应时间、实验室的学生人数等客观因素相关，这就要求学生会合理规划和安排实验时间。在整个实验过程中由学生自己动手操作、思考解决问题，让学生加深了对理论知识的认识、理解和运用。据两届学生的反馈，该实验课程的开设对求职或者考研的学生在面试、学习或工作中都具有极大的帮助。但是本课程才开设两年，课程中还有较多不足的地方需要进一步的完善；同时随着实验室硬件设备的进一步改善，培养的学生将更符合当今时代对生物工程专业人才的需求。
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