蛋白质与酶工程课程教学改革研究

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[摘要]蛋白质与酶工程是高校生物技术专业的一门重要课程。近年来随着生物技术的发展，国家和市场对生物技术专业人才的需求和要求也逐步提高，为了更好地适应这些要求，本文以培养应用型人才为导向，对本科生蛋白质与酶工程课程教学进行了改革与探索。通过整合优化教学内容，改进课堂教学模式，挖掘课程思政元素，加强实践能力培养和强化过程考核等方式，促进蛋白质与酶工程课程教学的发展和提高。

[关键词]蛋白质与酶工程；生物技术；教学改革；应用型人才；课程思政

蛋白质与酶工程是高校生物技术专业的一门重要课程，很多高校的生物技术专业作为一门专业核心课程讲授[1]。近年来，随着生命科学与技术的迅猛发展，生物技术在医疗、医药、健康及环保等产业中占据越来越重要的地位。而蛋白质工程和酶工程作为生物技术的重要组成部分，在上述这些产业中占据极其重要的地位。尤其是在全球新冠疫情的大背景下，市场对检测试剂、疫苗及抗病毒药物的需求猛增，而这些检测试剂、疫苗及药物的研发及生产正是蛋白质工程和酶工程的重要内容之一。在这一形势下，对相应的蛋白质及酶工程生物技术人才需求会增加，要求也会进一步提高。高校作为我国科技人才培养的重要组成部分，培养出适应新形势下市场需求的人才是高校的重要任务之一[2-3]。因此，为了更好地适应市场需求，培养出高质量的应用型人才，以培养具备实践能力的应用型人才为导向，对我校本科生蛋白质与酶工程课程教学进行了改革与探索。

1教学内容的整合与优化

蛋白质与酶工程课程实际上可以分为蛋白质与酶工程两大模块[1]。二者既有相通之处，又有各自的侧重点。在很多院校，蛋白质工程和酶工程是作为两门独立的课程分别设课。我校依据两门课程的特点，将二者整合为一门课程。蛋白质工程与酶工程都是涉及到大量专业基础知识和其他学科知识综合运用的课程，包括有机化学、生物化学及分子生物学等。二者涉及到的知识繁多复杂，难度较大。将二者整合为一门课程进一步增大了课程的难度。如何在有限的总课时量下将课程的核心知识传授给学生是本课程面临的第一个挑战。为了更好地切合应用型人才的培养目标，结合地方性院校学生的实际，对课程的大纲进行了调整，对教学内容进行了优化，对蛋白质工程和酶工程两个模块的内容进行了深度的整合。增加了课程中与应用和实践结合更加紧密的内容的学时比例，更加强调课程的应用性。例如弱化了蛋白质工程中蛋白质理性设计中的理论及计算内容，这些内容涉及到大量艰深的物理及化学理论知识，对于本科生来说难度过大。整合了蛋白质工程中蛋白质的修饰和酶工程中酶分子修饰改造的内容。对整个课程中涉及到其他课程的知识进行了梳理，将学生在其他课程中学过的知识进行了精简，以突出课程的核心内容。例如课程涉及到的蛋白质与酶的基础知识，学生基本上在生物化学及分子生物学等前置课程中学过，在教学的时候，以课前自学和课堂提问的方式，让学生回顾这些内容。课程还涉及与基因工程、细胞工程和发酵工程等课程交叉的内容，在制订教学内容时，将重复的内容进行了精简。通过这些措施，让整个课程思路脉络更加清晰，重点突出，教学内容也更加贴近应用性实践性的要求。

2教学方法的改革与探索

蛋白质与酶工程相比于一些生物技术专业的基础课程，内容难度较大，抽象度高，学习难度较大。尽管课程安排在大三年级，学生有了一定的有机化学、生物化学及分子生物学的基础，但是从历年的教学经验来看，学生掌握好这一门课程存在一定的难度，对知识的掌握也往往停留在机械性的记忆水平上，无法做到灵活运用所学的知识去分析解决实际问题。为了更好地落实地方高校向应用型转型发展的要求，培养具备实践能力的应用型人才，有必要对既往的教学进行改革和探索。(1)注重课程的应用性，理论联系实际，丰富课堂教学的内容，激发学生的学习兴趣。在以往的教学过程中，采用传统的讲解结合PPT演示。由于教学内容抽象且难度较大，学生很难集中注意力，教学效果差。为了改变这一问题，在讲授内容时，穿插科学研究的故事和实际案例，增加教学内容的趣味性。例如在讲解蛋白质凝胶色谱技术时，介绍了通用电气公司的经典凝胶色谱产品Sephadex系列诞生的故事，源自于一位年轻科学家的意外错误。在讲解蛋白质药物的时候，以胰岛素这一经典药物为例，介绍了几十年来各个医药公司在胰岛素研发和修饰改造上的竞争和市场化案例。这些故事及案例充分调动了学生的兴趣和积极性。蛋白质与酶工程是一门应用性较强的课程，其最终目的是运用蛋白质和酶的理论知识去指导实践，更好地改造和运用蛋白质或酶去造福人类。在以往的过程教学过程中，往往容易忽略这一点，很多教学内容陈旧，和当前的工业应用脱节。在培养应用型人才的导向下，在课堂中增加了大量的蛋白质工程和酶工程的实际案例，例如知名的国际蛋白质与酶制剂产业巨头诺维信，赛默飞世尔等企业的案例，工程蛋白药物的研发与市场开发案例，国内新兴蛋白质药物、酶制剂公司崛起的案例，让学生了解到当前蛋白质工程和酶工程产业的蓬勃发展，提高了学生对蛋白质与酶工程产业未来发展的信心，让学生有了主动学习的动力。结合学生最关心的就业问题，让学生通过互联网主动去了解蛋白质和酶工程目前的行业发展状况，就业情况等。这种把课程学习和学生切身利益结合在一起的方法，大大提高了学生主动学习的积极性，取得了良好的学习效果。(2)改进课堂教学方式，促进学生主动学习。在蛋白质与酶工程课程中，部分章节内容较为抽象，单一的教师讲授方法往往很难取得好的教学效果，也无法激发学生的学习兴趣。为此，在教学过程中，引入了一些新的教学模式，督促学生主动学习，提高学生自学的能力。蛋白质与酶工程课程内容繁多，仅靠课堂上的36个学时很难将课程知识掌握好。在教学过程中，每次课后都会留下一个课程相关的问题，让学生课后去查找资料。下次课时就这一问题让学生给出答案。最初学生寻找答案的过程会遇到各种困难，例如最典型的问题就是很多学生观念不正确，寻求答案往往只限于教材，如果教材没有就无法完成问题了。面对这一问题，首先破除了学生固化的观念，教材上没有的，指导学生主动去图书馆、互联网数据库去检索资料获。蛋白质与酶工程作为一个朝气蓬勃的新兴产业，近年来发展速度很快，仅靠教材是很难获得最新知识的。引入激励机制，主动去查找资料获得合理的答案可以获得课程平时分加分。通过这一方法训练学生搜索资料自主学习的能力，养成自主学习的习惯。在一些涉及前沿领域应用领域的章节，展开了分小组的团队学习模式。例如在蛋白质和酶分子修饰改造这一部分，和2018年诺贝尔奖“酶的定向进化”及“噬菌体展示技术”密切相关，而这些技术在当前新冠病毒药物及疫苗研发中发挥重要作用。这一热点紧扣时事，具有较好的实践意义。因此以酶的定向进化及噬菌体展示技术为主题，让各个小组任选其中一个技术，利用图书馆及互联网数据库等资源查找文献资料，撰写学习总结制作PPT，并在课堂上利用多媒体作小组报告，其他组成员点评。教师给每个小组的报告作出点评，指出报告中出现的一些问题。通过这种学生自主参与学习的过程，大大加强加深了学生对所涉及章节知识的理解，拓展了学生的视野，更好地了解的学科最前沿的知识和行业状况；教师在点评总结过程中也容易发现学生存在的问题，增强了教师与学生间的互动。(3)充分挖掘课程思政元素，加强课程的思政教育功能建设。2020年6月，教育部在《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确提出课程思政建设要在所有高校、所有学科专业全面推进[4]。在纲要的指导思想下，在课程改革中充分挖掘思政元素，发挥课程的育人作用[5]。例如在课程的绪论部分，为了让学生理解蛋白质工程中解析蛋白质结构对于蛋白质工程的重要性，给学生介绍了人们在蛋白质结构解析工作上的艰辛历程。从最初的蛋白质结晶X射线衍射法、核磁共振法，到现在的冷冻电镜方法，一直到最新的基于人工智能引擎AlphaFold2预测的方法。通过这一案例让学生认识到科学的进步离不开艰难的探索，也激发了学生进一步学习的兴趣。充分地在蛋白质与酶工程课中融入了课程思政，让学生认识到探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。在讲解蛋白质工程技术在蛋白药物及疫苗研发中的应用的时候，结合当前全球新冠疫情的背景，介绍了我国科学家在解析新冠病毒蛋白质结构、研发抗病毒抗体及疫苗方面所作的贡献，以及我国在抗击疫情方面的努力和成效，树立了学生的民族自豪感和自信心，也激发了学生运用所学的生物技术知识为国家为社会作贡献热情。(4)以应用型人才培养为导向，加强实践能力的培养。蛋白质与酶工程是一门应用型实践性极强的学科，因此在教学过程中特别强调了实践能力[6]。例如在蛋白质工程及酶工程模块中，都涉及到蛋白质或者酶制剂的生产问题，这一问题非常贴合生产和应用实际，对于培养应用型人才来说至关重要。以往的教学往往只是简单地讲解生产的原理及流程，比较抽象，学生也并未了解实际的生产过程。为了更好的突出实践性，将酶的生产流程分为酶的发酵过程，酶的提取及分离纯化和酶制剂三部分，其中酶的发酵生产将在发酵工程这一门课中重点学习。酶的分离纯化和酶制剂作为教学的重点，在讲解的过程中充分发挥任课教师个人的科研方向优势，将任课教师的科研课题中酶的分离纯化的科研过程以及一些纯化设备使用等分享给学生，既激发了学生的科研兴趣，也让学生了解到了真实的科研及生产过程。课后留给学生一些酶纯化的问题，让学生查询资料自主完成酶纯化工艺的设计。当然，实践性的内容仅仅依赖课堂教学是远远不够的，还需要实验课让学生能动手操作。然而在笔者所在的地方性院校，由于实际条件的限制，以往的课程中并没有加入实验课，显然这是一个短板。在接下来的教学改革中，加入课程实验是必然的。在实验项目的设置上，以切合生产实际为原则，设置一些综合性的、多流程的大实验，让学生能够完整地体验蛋白质或酶的生产过程。例如将蛋白质与酶工程实验设计和上游的基因工程实验、发酵工程实验对接，将多学科的知识综合起来，形成一个蛋白质或酶生产的完整流程，为学生未来进入相关行业从事实际生产打下良好的基础。(5)完善课程的考核评价方式，强化学习过程的考核。考核是对学生学习效果评价的重要方式。然而仅仅采用考试的方式对学生考核无法对学生的学习效果作出客观全面的评价，对学生平时的学习也难以起到督促作用，所以一般采取平时表现加上期末成绩进行综合性考察。以往的考核中，平时成绩的考核并未做到细化，主要依据学生考勤及小作业等方式评价，平时考核仅浮于形式，很难起到督促作用。为了真正做到对学生学习过程的监督与考核，强化了学习的过程考核。首先制订了详细的平时考核标准，更加注重学生平时学习的参与度，将平时成绩在总成绩中的占比由原来的30%提高到了40%。学生在课堂上主动回答问题，参与小组讨论并发言，作为课堂表现加分；课后积极参与小组学习，查找资料撰写小组学习报告作为平时学习的加分；课后作业改为更加注重应用和实践能力大作业，包括蛋白质及酶工程前沿技术的专题报告、酶纯化及酶工程应用的工艺流程设计、蛋白质和酶工程相关产业的市场调查等。尽管这些作业难度很大，但是对作业的评价更加注重学生检索和搜集资料的过程。通过这些举措，学生平时学习的积极性得到了提高。期末闭卷考试占总成绩比例由原来的70%调整为60%，在期末试题的命制上也进行了大量的优化，向实践和应用方向倾斜。大部分试题考查学科的基本知识点，难度控制适中，需要学生理解或者运用知识点解决一些小问题，避免死记硬背。同时也加入了一些与实践应用联系较为紧密的综合性试题和实验设计题，例如设计一套基于离子的交换方法对特定蛋白质分离纯化的流程，或者从基因工程开始设计一套利用His-tag标签纯化目标蛋白质的流程，考查学生对知识灵活运用能力和实践能力。通过这些考核方式的改革，更加全面地反映学生对知识的掌握情况。

3结语

随着技术的进步和对专业人才需求的扩大，蛋白质与酶工程作为生物技术专业的一门核心课程，在未来的发展中也会变得越来越重要，对课程、对学生的要求也会不断提高。课程改革也将会在不断的探索、实践和总结中前进。在接下来的课程的探索与改革中，将继续在提高课程应用性、实践性方向努力，增加探索性实验比例。另外，蛋白质与酶工程技术和产业高速发展，课程将持续跟踪相关技术和产业的发展，让学生毕业后能更好地适应行业需求。继续加强课程思政的建设，在课程中挖掘更多的思政元素，提升课程的育人功能。

作者：杨程 单位：黔南民族师范学院 生物科学与农学院