應(yīng)用型生物工程專業(yè)綜合實驗課程實踐論文

　　摘要：生物工程綜合實驗是生物工程專業(yè)的一門重要的綜合性實驗課程。根據(jù)學(xué)院實際情況，構(gòu)建了以米曲霉蛋白酶基因的克隆表達、發(fā)酵、純化及其應(yīng)用為主線的實驗教學(xué)課程，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)安排、成績評定和教學(xué)效果等進行了教學(xué)實踐，并且取得了較理想的教學(xué)效果，可為同類地方院校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供參考。

　　關(guān)鍵詞：生物工程專業(yè)；綜合實驗課程；教學(xué)實踐

　　一、開設(shè)生物工程本科專業(yè)綜合實驗課程的意義

　　學(xué)院根據(jù)教育部2012年出版的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》，以及教育部高等學(xué)校生物科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會的《生物工程專業(yè)規(guī)范》，將基因工程、生物分離工程、酶工程、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、發(fā)酵工程和生物工程設(shè)備等課程作為專業(yè)核心課程［3-4］。這些專業(yè)核心課程以理論教學(xué)為主，部分課程也開設(shè)了相應(yīng)的實驗課。由于生物工程專業(yè)開設(shè)的課程較多，涉及領(lǐng)域較廣，致使核心課程的授課學(xué)時受到限制，相關(guān)實驗課程以基礎(chǔ)性或者驗證性的實驗內(nèi)容為主，涉及綜合性實驗項目較少［5-6］。實驗課程采用常規(guī)教學(xué)模式，即學(xué)生課前預(yù)習(xí)實驗原理、步驟方法等，實驗員將實驗所有藥品和試劑準(zhǔn)備好，授課過程中，學(xué)生按照實驗教材的實驗步驟“照單抓藥”式地完成實驗內(nèi)容［7］。這種教學(xué)模式有利于學(xué)生掌握基本操作技能與方法，突出單一知識點，但是調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性較差，不利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的全面理解與應(yīng)用，較難將所學(xué)知識全面融會貫通。為了達到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)院目前專業(yè)課程實驗課程的開設(shè)現(xiàn)狀，針對生物工程專業(yè)開設(shè)了“生物工程綜合實驗”課程。該課程符合廣東省部分生物工程類企業(yè)對基因工程、生物反應(yīng)器、分離純化等基本的操作技能要求，該課程將多門專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)理論和操作技能有機地融為一體，促進了學(xué)生對現(xiàn)代生物技術(shù)技能的理解和掌握，同時使學(xué)生具有了團隊合作精神，獨立思考完成實驗的能力，具備初步的科學(xué)研究思維意識和科研能力。

　　二、米曲霉蛋白酶基因的克隆表達、發(fā)酵、純化及其應(yīng)用的綜合實驗課程設(shè)計模式

　　綜合性實驗是將基礎(chǔ)理論知識點與實驗操作基本技能進行有機的結(jié)合，由多個具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的小實驗組成，學(xué)生在實驗過程中必須認真做好每個小實驗，然后將所有小實驗結(jié)果有機串聯(lián)在一起，達到生產(chǎn)出具體產(chǎn)品或者解決具體問題的目的［8-9］。為了讓生物工程綜合實驗課程達到人才培養(yǎng)目標(biāo)，盡量做到將專業(yè)核心課程的基本理論和基本操作技能有機融合，因此，選取了米曲霉蛋白酶基因的克隆表達、發(fā)酵、純化及其應(yīng)用作為綜合實驗的教學(xué)內(nèi)容。由于蛋白酶是一類非常重要的工業(yè)用酶，占有全世界工業(yè)用酶至少60%以上份額，堿性蛋白酶又占總蛋白酶的一半以上，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工和皮革等行業(yè)；而當(dāng)前商品化的堿性蛋白酶主要來源于細菌，來源于真菌的較少，從真菌中開發(fā)蛋白酶也就引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。米曲霉是我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品中重要微生物菌種，該菌產(chǎn)生的蛋白酶對大豆蛋白具有較強的水解作用，對大豆水解物中脫苦味和獨特風(fēng)味具有非常重要的作用［10］。

　　（一）生物信息學(xué)實驗?zāi)�塊

　　生物信息學(xué)實驗?zāi)�塊主要由表1中2.1的“米曲霉堿性蛋白酶基因的序列分析及表達引物的設(shè)計”實驗內(nèi)容組成，該實驗要求學(xué)生利用BioEdit7.0序列軟件查看米曲霉堿性蛋白酶的基因序列及其編碼的氨基酸序列，利用GenBank數(shù)據(jù)庫的Blast程序?qū)Φ鞍酌富�因的序列分析，預(yù)測其信號肽、前導(dǎo)肽和成熟肽序列，利用Oligo7.0軟件對表達引物的設(shè)計，學(xué)會在引物上添加限制性內(nèi)切酶位點及保護堿基，以便在下一步實驗中獲得的PCR產(chǎn)物并順利酶切。

　　（二）基因工程實驗?zāi)�塊

　　基因工程實驗?zāi)�塊是整個綜合實驗的重要組成部分，主要由實驗2、實驗3和實驗4的內(nèi)容組成，該部分主要是對目的基因的PCR擴增、純化和酶切，然后將目的基因連接至提取出的質(zhì)粒上，獲得重組表達載體，通過電轉(zhuǎn)化將該載體整合到畢赤酵母基因組上，對畢赤酵母轉(zhuǎn)化子基因組的提取，采用基因組PCR技術(shù)鑒定目的基因整合結(jié)果，通過一系列的基因工程實驗技術(shù)，讓學(xué)生加深對基因工程基本理論的理解，以及對基因工程常規(guī)操作技術(shù)具有熟練的掌握。

　�。ㄈ�）發(fā)酵工程實驗?zāi)�塊

　　發(fā)酵工程實驗?zāi)�塊主要是由實驗5組成，利用基因工程實驗?zāi)�塊構(gòu)建的工程菌株，分別在三角瓶和發(fā)酵罐中進行誘導(dǎo)表達。在三角瓶中發(fā)酵采用500mL三角瓶裝液量為100mL；而在發(fā)酵罐中，采用逐步擴大培養(yǎng)方式，即用多個500mL三角瓶活化菌株后，接種到10L發(fā)酵罐中擴大培養(yǎng)，再接種至100L發(fā)酵罐中進行誘導(dǎo)表達。本實驗?zāi)�塊讓學(xué)生認識到，采用不同的生物反應(yīng)器培養(yǎng)，菌株的生長、產(chǎn)酶能力等都具有顯著的差異，通過理解發(fā)酵曲線（pH曲線、溶氧曲線、溫度曲線、補料曲線和攪拌速率曲線等）來判斷發(fā)酵罐中菌體的生長情況。

　　（四）生物分離工程實驗?zāi)�塊

　　生物分離工程實驗?zāi)�塊主要由實驗6和實驗8組成。本實驗?zāi)�塊利用板框過濾技術(shù)或離心技術(shù)將菌體與發(fā)酵液進行分離，對發(fā)酵液中的重組蛋白酶采用膜分離技術(shù)進行濃縮，對濃縮后的發(fā)酵液采用硫酸銨鹽析、溶解透析獲得粗酶液。對大豆肽飲料采取等電點沉淀法去除未溶解的大豆分離蛋白，采用膜分離技術(shù)對其濃縮，提高大豆肽飲料中活性肽的含量。通過該實驗?zāi)�塊讓學(xué)生理解生物產(chǎn)品分離中發(fā)酵液的預(yù)處理、沉淀分離、膜分離、生物產(chǎn)品的濃縮等原理及基本技能。

　�。ㄎ澹┟腹こ虒嶒�?zāi)�塊

　　酶工程實驗?zāi)�塊由實驗7和實驗8組成。該實驗?zāi)�塊使學(xué)生認識到采用基因工程技術(shù)和發(fā)酵技術(shù)獲得蛋白酶，是目前制備酶制劑的重要方式之一。通過對重組酶的基本酶學(xué)性質(zhì)的測定，獲得的最適合溫度、最適合pH等實驗結(jié)果，指導(dǎo)對大豆分離蛋白的水解，并制備出活性肽飲料。讓學(xué)生從實驗中理解酶學(xué)性質(zhì)測定的重要性，以及了解蛋白酶在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

　　三、綜合實驗課程的教學(xué)實踐

　　（一）課程安排

　　開設(shè)綜合實驗課程要求學(xué)生已完成微生物學(xué)、分子生物、生物化學(xué)、生物工程設(shè)備、基因工程等課程的學(xué)習(xí)，因此，該課程安排在大學(xué)三年級的第二學(xué)期，采用集中授課的方式，共計80學(xué)時，全天候進行實驗，以確保實驗的連貫性和完整性。

　�。ǘ�）實驗分組情況

　　在實驗課程中，常常由于學(xué)生分工不明確，試劑、藥品和設(shè)備等數(shù)量的不足導(dǎo)致整個實驗課程嘈雜、教學(xué)秩序混亂，因此，本課程將3~4名學(xué)生分為一個小組，將常規(guī)的設(shè)備、試劑和藥品（如移液槍、三角瓶、燒杯、瓊脂粉等）分配到每個小組，由小組支配使用管理，直到本課程實驗全部完成后再歸還實驗室。

　�。ㄈ�）課堂的組織教學(xué)

　　本課程采用學(xué)院的自編教材《生物工程綜合大實驗》，要求學(xué)生課前認真預(yù)習(xí)，理解實驗原理、操作步驟、注意事項等各個方面。每次實驗之前，任課教師對本次實驗的小實驗組成、實驗原理、小實驗間的關(guān)聯(lián)，可能會出現(xiàn)的問題、實驗結(jié)果的預(yù)測等方面均要向?qū)W生詳細講授，使學(xué)生理解本次實驗內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)自己對實驗教材的預(yù)習(xí)情況，結(jié)合教師對實驗內(nèi)容的講授，小組內(nèi)學(xué)生之間相互討論，形成本小組的具體實驗方案后，才能動手做實驗。在實驗過程中，學(xué)生是實驗操作的主體，要求學(xué)生必須全程參與所有的實驗操作，即每個實驗環(huán)節(jié)都由學(xué)生自己完成，如培養(yǎng)基的制備、各種試劑溶液的配制等。指導(dǎo)教師主要是指導(dǎo)和監(jiān)督學(xué)生動手操作，及時糾正學(xué)生的錯誤操作，對學(xué)生每一階段的實驗結(jié)果進行總結(jié)與分析，針對實驗中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)和現(xiàn)象要進行重點講解分析，這對擴展學(xué)生知識、提高學(xué)生解決實際問題，加深對基本理論知識的理解具有巨大的幫助作用。

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　　實驗成績是衡量評定學(xué)生學(xué)習(xí)情況的根本依據(jù)，合理的成績評定方式，對提高學(xué)生對課程的重視程度，增強學(xué)生的積極性和主動性，提高學(xué)生的動手操作技能具有重要的作用［11-12］。本課程的成績評定主要是由3部分組成（考勤和團隊協(xié)作占10%、實驗操作動手能力占20%、實驗報告占70%）�！翱记诤蛨F隊協(xié)作”部分由小組長牽頭，以及組員間相互監(jiān)督來評定組員的分?jǐn)?shù)�！皩嶒灢僮鲃邮帜芰Α庇芍笇�(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在整個實驗課程中的動手操作能力評定分?jǐn)?shù)。“實驗報告”部分由實驗報告的格式、科學(xué)術(shù)語表述、語句通順情況、實驗結(jié)果以及對結(jié)果的分析等組成，實驗報告格式參照學(xué)校學(xué)報論文的撰寫格式，讓學(xué)生初步掌握論文的寫作規(guī)范，實驗結(jié)果中的表格、圖片等均要求提供原始數(shù)據(jù)和圖片，對實驗中出現(xiàn)異�，F(xiàn)象必須要有合理的解釋和說明。

　　四、結(jié)語

　　本綜合實驗課程是基于學(xué)院科研課題的基礎(chǔ)上形成的教學(xué)性實驗課程，與學(xué)校人才培養(yǎng)的理念和目標(biāo)一致，對應(yīng)用型人才的動手操作技能，同時對學(xué)生的科研思維和科研素質(zhì)等的培養(yǎng)具有重要的作用。該綜合實驗課程已在兩屆學(xué)生（2013級和2014級）進行了開設(shè)，得到了學(xué)生的一致好評。由于該課程的每個實驗之間是相互關(guān)聯(lián)的，上一個實驗的結(jié)果是下一個實驗的材料，這就要求學(xué)生必須重視每一操作步驟和過程，如果出現(xiàn)錯誤，就必須重做，這就要求學(xué)生具備高度的責(zé)任心，每次實驗操作要認真負責(zé)確保成功，無形中提高學(xué)生的動手能力和操作技能；整個實驗是一個連續(xù)性的過程，實驗時間的安排與菌體生長、酶的反應(yīng)時間、實驗室的學(xué)生人數(shù)等客觀因素相關(guān)，這就要求學(xué)生會合理規(guī)劃和安排實驗時間。在整個實驗過程中由學(xué)生自己動手操作、思考解決問題，讓學(xué)生加深了對理論知識的認識、理解和運用。據(jù)兩屆學(xué)生的反饋，該實驗課程的開設(shè)對求職或者考研的學(xué)生在面試、學(xué)習(xí)或工作中都具有極大的幫助。但是本課程才開設(shè)兩年，課程中還有較多不足的地方需要進一步的完善；同時隨著實驗室硬件設(shè)備的進一步改善，培養(yǎng)的學(xué)生將更符合當(dāng)今時代對生物工程專業(yè)人才的需求。

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