基于新工科理念的“酶工程”课程实践内容和方式探索

［摘 要］ 在新工科理念的指导下，对“酶工程”的课程实践教学内容和方式进行了积极的探索，采用了以项目训练为主线的课程实践教学。通过实践，学生能够学习运用酶工程的新知识，掌握酶学和蛋白质数据库、结构模拟软件及文献检索等现代工具的使用，尝试以团队合作的方式分析并解决酶工程的复杂工程问题，依据酶的应用实例进行初步的工艺过程设计。课程实践增加了“酶工程”课程的工程特色及内涵，提升了学生的工程素养。

［关键词］ 新工科；酶工程；实践

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）04-0128-05

近年来，随着新技术革命的到来，以及国内对产业转型升级的需要，工程教育的内涵不断与时俱进，对课程教学和学生学习的要求也越来越高，新工科的理念由此应运而生。作为培养高素质工程人才的重要途径，新工科对学生的创新创业能力、跨界整合能力，以及对学科交叉和发展前沿的综合理解及运用能力都提出了很高的要求［1］。近年来，各高校工科专业积极推进工程教育认证，对工程类课程的教育教学提出了新的改革要求。

“酶工程”是生物工程专业大三学生的专业核心课，也是检验学生将前期所学的有机化学、生物化学、微生物学、分子生物学、生物反应工程、生物分离工程、生物工程设备、计算机技术、文献检索等生物工程基础知识转化为工程实践并加以运用的综合性课程［2-3］。以往的“酶工程”教学大多以教材内容为根本，以理论教学为主，实践内容很少，无法很好地体现该课程的工程特色。为响应新工科的号召，适应工程教育认证体系对学生工程能力和素质培养的基本要求，对“酶工程”的课程教学内容进行了全面改革和优化。依托华侨大学在线开放课程建设项目，在2020年底完成了“酶工程”线上课程的录制，创建了题库，构建了较完备的线上课程资源。从2021年春季学期开始，“酶工程”教学从原先单一的课堂教学模式，改为全新的线上线下混合教学模式。其中，线上部分以教材知识为主，参考了多部教材，将教材中的重要知识点录制成短视频，要求学生在一定时间范围内灵活自主地开展线上学习，使学生掌握酶工程的基础理论知识，以及对知识点的梳理和归纳能力；在学生掌握基础知识之后，在线下的课堂教学中开展课程实践，将线上学习的知识用于线下拓展，将理论与实践相结合，以期提升学生的工程能力和工程素养。课程实践的关键在于如何对线下课程实践内容和方式进行教学设计，以体现新工科教育和工程教育的理念。不少学者提出了对“酶工程”课程体系进行改革的思路，诸如系统化模块化建设、强调教学联系科研、以科研反哺教学、加强案例教学、采用项目制教学、加强团队合作、充分利用网络资源、计算机模拟辅助教学、个性化定制教学、采用翻转课堂、完善课程考核方式等多种形式［4-7］。我们借鉴了其他高校的“酶工程”课程建设情况，并结合自身的特点，决定以项目训练为主线，探索适合本专业学生的课程改革道路。本文就近年来华侨大学“酶工程”课程开展的线下实践情况做简要介绍和探讨。

一、引导学生使用现代工具

使用现代工具，是工程教育认证12条毕业要求中的一项，也是新工科教育的重要环节。这里的现代工具，包括计算机技术和软件应用、在线信息资源的获取及应用、现代仪器的使用等内容，所指的范围非常广泛。对在线信息资源的合理利用是其中重要的一环，也是对以OBE理念为主导的学生知识、技能、专业素质培养的有效助力［8］。我们完全可以利用各类数据库资源开展“酶工程”线下课程实践。

在线下教学中，以项目训练为主线，要求每名学生选择一种酶，按照下述四个步骤逐项完成既定任务。第一步，在酶学数据库中检索、搜集相关信息，涵盖所选酶的系统命名、结构（含一级、二级、三级甚至四级结构，并用PyMOL软件模拟出酶的三级结构示意图）、活性中心、性质、催化反应及其催化机理等信息。第二步，通过查阅文献，对该酶的工程应用进行梳理、归纳，列举具体的应用实例并详细介绍。第三步，利用所学的酶工程知识，根据其应用目的，提出所选酶的工程化改造方案（如分子修饰、定向进化、稳定化及固定化等）。最后一步，根据文献提供的某个具体应用实例或实验项目，初步设计一套合理的工艺过程，并对其中涉及的主要的反应器进行选型和计算。整个项目以PPT的形式在课堂上公开答辩，其他学生可以提问或质疑，学生之间可以相互探讨、辩论。从整个项目训练的内容来看，包含对酶基本信息的检索、文献信息的检索、特定软件的使用，因此，能够锻炼学生使用现代工具的能力。

为了使项目训练正常开展，我们在线下课程中做了一些铺垫，增加了相应技能的教学内容。首先，在线下课程中引入了酶学和蛋白质数据库教学。向学生介绍了IUPAC-IUBMB、Swiss-Prot、BRENDA、EC→PDB、RCSB-PDB等数据库的基本使用方法，从示例酶的名称和EC编号等信息入手，学会检索特定的酶，并从检索到的各种信息条目中按照需要找到对应的PDB（蛋白质数据库）编码，再利用此编码搜集酶的各级结构，解读酶结构数据信息，获取酶结构数据文件（以.pdb为后缀名，包含酶的三维结构坐标信息，可用于特定软件模拟作图）。而后要求学生以自己项目所选择的酶作为研究对象，按照前述的过程搜集这种酶的各类信息，较为全面地掌握该酶的结构。其次，向学生讲授PyMOL软件的用法，调用示例酶的PDB编码，以软件中的各个函数命令将示例酶的.pdb数据文件在PyMOL软件中模拟出来，并对酶的不同结构域和重要结构进行突出显示和标注。课上学生同步练习，尝试模拟出项目所选酶的三维结构、表面结构、静电势图及重要位点的特定结构，导出图像，作为项目PPT中的一部分。最后，要求学生检索文献，将项目所选酶的结构和性质、生产和生活应用、结构改造方法等内容进行梳理、归纳。这就需要学生将已经学过的文献检索技能付诸实际应用。

通过这些现代工具使用技能的课堂教学，学生能够学到酶学和蛋白质专业数据库的检索方法，利用数据库资源进一步搜集获取酶的结构信息；能够初步掌握蛋白质三维结构模拟软件PyMOL的使用方法，对酶的三级结构和局部结构进行展示；能够巩固文献检索的能力，对文献信息进行归纳与综合。从这些现代工具的运用中，学生学到了多项实用技能，增强了信息资源的利用能力。在“酶工程”教学大纲中，对现代工具的使用反映在第三项课程目标中，而近三年，此项课程目标的达成度值都超过了0.8，说明学生能够较熟练地掌握这些现代工具的使用，并利用它们圆满完成项目训练。

二、紧跟学科发展前沿，让学生不断学习和运用新知识

随着酶工程与技术领域知识的不断更新，教材中的基础知识显得相对老旧。华侨大学现阶段使用的两本《酶工程》教材，都是2016年版，近年来没有再更新过，教材中的知识体系已经不足以满足学生对新知识的渴求。我们在录制线上课程时，除了使用教材中的内容之外，还更新了一些新知识，但视频录制完成并上线之后，短时间内很难随着学科发展而做到及时更新。因此，根据几位任课教师的科研经历和研究方向，归纳整理成几个专题，在线下课堂上以类似于讲座的形式向学生传授，以弥补线上课程的不足。

例如，酶的固定化是酶工程领域中的经典内容，它可以在一定程度上保持酶的催化特性，并通过提高酶分子构象的刚性而改善其稳定性，延长其使用寿命，且便于从反应体系中回收，实现了酶的重复使用。传统的固定化方法对酶活性均有一定的负面影响，这可能与酶的多位点连接所导致的构象变化（例如化学结合法、交联法）以及受载体影响而导致的固定化酶活性位点附近空间位阻增大（如包埋法）等因素有关。其中，载体对酶活性的影响是关键因素之一。因此，人们希望寻找优良的载体材料来减少酶在固定化时的活性损失。近年来，比较热门的研究主要是像纳米花、金属有机框架（MOF）等微纳尺度的无机—有机杂化类载体。这类载体在酶工程领域已经有一定的应用，而我们的科研项目中也有涉及这类技术。因此，可以自然地将其介绍给学生。开展“无机—有机纳米杂化载体固定化酶”专题讲座，开篇即以“把酶做成‘花’，让它像花儿一样开放”这句话，从美学的角度引入纳米花，引起学生对这种技术的关注。然后，从Nature子刊的一篇文章说起，讲纳米花的发现和制备过程，很多学生会觉得不可思议，这么神奇的花状结构竟然只用极其简单的实验步骤就能做到，一下子把他们的兴趣勾起来了。在欣赏了多篇文献中的电镜照片之后，把问题抛给学生：“你觉得可能有哪些因素导致纳米花能形成花状的结构？”先让学生思考并尝试以他们的视角来解释，之后再把文献归纳的机理做详细的介绍。而后我们又抛出第二个问题：“你觉得把纳米花做成酶固定化的载体会发生什么现象？”而后学生就开始脑洞大开，说出各种可能性（当然大部分学生认为酶活基本保持或仅有少量损失）。当我们公布文献的数据和结论（纳米花可以提升部分酶的活性）之后，学生都感到非常惊讶，对这项技术更加感兴趣了，加深了对这项技术的认识。后面继续讲MOF固定化酶时，学生知道了前面的“套路”，前后一对照，很快就掌握了MOF固定化酶的特点，达到了事半功倍的效果。

除了介绍无机-有机杂化载体固定化酶，在线下课堂还介绍了第七大类酶转位酶及其分类法和转位机理、酶传感器及生物燃料电池的新发展等一系列主题的专题报告。随着学科不断发展，专题设置在未来也将不断更新。学生在学过这几次专题课之后，可以把学到的知识用在项目训练上，还可以主动搜寻酶的新应用、新工艺，让项目训练体现出前沿性、新颖性。在此基础上，学生能够把查找到的新应用、新工艺做成课程小设计，锻炼工程设计能力。在学生汇报项目时，可以看出他们汇报的设计是具有新颖性的，虽然做得比较粗浅，存在不少漏洞，一些参数的设置也不尽合理，但学生在课后普遍反映，在项目训练中能够获得新知识并加以运用。

三、培养学生分析和解决复杂工程问题的能力

酶工程在运用过程中涉及大量的复杂工程问题。而工程教育的主要任务之一，就是培养学生解决复杂工程问题的能力。这是工科学生必备的基本素养，也是新工科教育的重中之重。为了培养学生的这一能力，从酶工程的应用实例出发，将其中的关键工艺隐藏，结合翻转课堂的形式，给予学生互助合作的机会，以团队为单位，通过课堂现场讨论，尝试拿出基本合理可行的解决方案。

譬如，以某公司的拳头产品——聚乙二醇修饰重组人干扰素α2b的生产方法为案例，要求在一节课之内，各学生团队（每队4人）拿出一套产品的生产方案。课程刚开始，我们先简单介绍了这一产品的特点和结构，隐藏了部分关键结构如连接的基团和位点等；而后结合线上学习的酶分子修饰内容，抽部分学生回答问题，检查学生线上学习的效果；接着将方案设计要求告知学生，要求给出聚乙二醇的相对分子质量、活化基团和活化方法、干扰素修饰位点等几个关键结果。经过20分钟左右的讨论，请各组派一名学生到讲台上汇报本组的方案。学生在讨论期间可以查阅各类文献资料，检索数据库获得干扰素的氨基酸序列和高级结构信息，再运用线上课程所学知识进行综合分析，也可以对文献提供的多种方案进行比较，通过组内成员之间的交流探讨，从而拿出他们都认可的最合适的方案并说明理由和依据。

又例如，在甜味剂阿斯巴甜的酶催化合成体系设计中，从认识阿斯巴甜的结构和性质开始，到其催化合成方法及用到的关键酶嗜热菌蛋白酶的性质介绍，而后让学生从氨基酸缩合反应的特点出发，在理解有机相酶催化理论的基础上选择合适的溶剂，在了解各类反应器特点的基础上选择合适的反应器，再综合考虑整个反应体系的特征确定使用何种技术手段将酶回收重复使用。要解决这一系列工程问题，须要运用多方面的基础知识，还要在方案选择及制订时考虑诸如环境、健康、经济、伦理等非技术层面的因素，最终确定一套基本可行的方案。

学生在小组讨论中，须要综合运用所学的知识，而且在一节课这样很短的时间内给出基本合理可行的方案，对学生而言是一大挑战。当然，有挑战才会有动力，从这三年的实践情况来看，各小组在讨论中充分运用了线上课程学到的各章知识，使用了文献、数据库、软件等多种工具，通过团队合作分工，在很短的时间内基本给出了初步的方案。尽管这些方案看上去比较粗浅，不少细节之处经不起推敲，甚至有些方案存在一定的不尽合理之处甚至是矛盾，但经过教师指点之后，后续可以完成完整的方案并继续优化。学生还可以将这些经验移植到项目训练中，达到训练的目的，在一定程度上提升学生分析解决复杂工程问题的能力。

四、培养学生的工程设计能力

工程设计是新工科教育中不可缺少的环节，也是工程教育认证12条毕业要求中的一项。“酶工程”的课程小设计是酶的应用设计，是以酶催化的工艺过程为主，融合了反应器的选择和计算的初步设计。这是整门课难度最大的环节，对知识运用提出了很高的要求。课程小设计是结合项目训练同步进行的。为了让学生对设计有基本的认识，在学生学完了线上课程《酶反应器》这章后，在线下专门安排了一次设计指导课，引导学生逐步入门。