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以科研为导向的现代分离工程选论课程教学改革

2024-03-05 50 上传者：管理员

摘要：以提升研究生的科研与实践能力为目标，对化学工程与技术专业研究生课程现代分离工程选论进行课程教学改革。在理论知识讲授的基础上，拓展相关知识在科学研究中的应用，形成了以科研为导向的课程教学理念。通过优化课程内容，采用包含案例研讨、实操练习和专题文献汇报在内的多元化教学方式，使学生在掌握理论知识的同时，科研创新能力和实践能力也得到了提升，教学成效显著。

关键词：
多元化教学
教学改革
现代分离工程选论
研究生
科研导向
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在我们的日常生活中，无论是无机物还是有机物，大部分都是以混合物的形式存在，许多生物化学过程和物理过程所得到的产物也都是混合物。为了有效地利用这些物质，需要对其进行提纯或分离，而分离工程可为我们提供所需的原理或方法。分离过程主要包括原料的净化、预处理、中间产物的分离及产物的分离与提纯，是得到合格产品的关键[1]。分离操作在化工生产中占有重要地位，对于大型石油工业和以化学反应为中心的石油化工生产过程，分离装置投资费用占总投资的30%～85%；在现代基因工程产品的生产过程中，分离成本可占到产品生产总成本的60%～90%以上[2]。由此可见分离过程在现代化学与生物技术产品生产中的重要性。

现代分离工程选论是针对本校化学工程与技术专业研究生开设的专业学位课。该课程以生化分离纯化技术为核心，系统介绍了生化产物分离纯化的基本原理、分离操作、过程理论及应用。该课程具有知识面广、知识点多，且多学科交叉的特点。基于研究生本科阶段对生物化学、微生物学和化工原理等课程的学习知识积累，笔者及教学团队形成了具有综合性和应用性的科研导向型课程建设思路。本文通过对现代分离工程选论的教学理念、教学模式、教学方法以及教学反思进行改革与探索，有助于实现高层次应用型人才的研究生培养目标。

1、教学理念

现代分离工程选论是一门综合性强、应用范围广的专业学位课。在本课程的学习过程中，不仅需要学生掌握基础理论知识，还要求学生能够综合化工原理、生物化学、化工设备、生物工程设备等专业基础理论课程的知识，将其运用到现代分离工程选论课程的学习中。近年来，双水相萃取、范反胶束萃取、凝胶萃取、膜分离技术、分子印迹技术等新型高效的分离技术被广泛应用于化工、医药等领域，使得现代分离工程选论的研究生教学中，更加需要注重与时俱进、理论与实践相结合，时刻关注国内外分离技术的最新研究进展。因此，在授课过程中，不仅需要讲授课本中的基础理论知识，还需要融入科学研究，形成以科研为导向的综合性、应用性课程教学理念。

2、教学模式

整个课程共包含课堂讲授、案例分析、专题文献汇报三种教学形式，即形成了多元化教学模式。本课程共计32学时，针对三种教学形式对总学时进行安排划分，即课堂讲授20学时，案例分析6学时，专题文献汇报6学时。

课堂讲授过程的主要目标是让学生掌握本课程理论知识，尤其是重难点的理解与掌握，在此基础上，通过具体科研实验、生产实践将理论知识融会贯通。案例分析环节注重引导学生将掌握的理论知识灵活运用到具体的实验案例和生产实践中，达到学以致用，培养学生思考问题和解决问题的能力。专题文献汇报过程着重培养学生的自主学习能力、团队协作能力和口头表达能力，提升学生对本课程的学习主动性和积极性。这三个环节教学模式的实施，旨在实现研究生能够综合运用课程理论知识，提高对国内外文献的收集、阅读与整理能力，增强对科研工作的热情。

3、教学实施方案

在现代分离工程选论的教学过程中，一般以生化分子分离纯化为核心，讲解分离纯化过程中涉及的基础理论、工艺选择及设计、设备和应用等，涉及料液预处理、细胞破碎、沉淀、膜分离、萃取、吸附、色谱和结晶等相关内容。在进行本课程讲授时，应注重理论知识与实践应用相结合，将案例式教学和研讨式教学融入课程讲授过程，丰富教学方式。

3.1 优化课程内容，理论结合实践

在教学内容设计上，形成“总-分-总”结构。首先，列举几种典型的生化产品，讲解不同产品的分离纯化途径、分离过程的主要评价指标，由此引出多种分离单元操作方式。然后，分别展开介绍各个分离单元操作的基本原理、工艺流程、实际应用，以及与其它分离操作单元之间的联系。在此部分的基本理论知识讲授过程中，以语言叙述和公式推导为主，例如膜分离章节涉及的浓差极化、吸附分离章节涉及的吸附平衡理论、吸附动力学等。除此之外，教师可通过图片、动画、实验数据等形式进行补充讲解。例如，在膜分离的讲授过程中，通过展示文献报道中不同种类的膜材料及其化学结构、膜断面的物理形态、膜分离过程、膜分离设备等，让学生对分离膜材料的结构特性和分离操作形成比较直观清晰的认识，从而更好地理解和掌握膜分离技术相关理论知识。最后，将分离技术的实际应用划分为工业生产和科研两方面，设计案例探讨分析如何进行各单元操作的配合使用，加强教学内容层次上的多样性，以满足不同类型学生的需要。例如，在工业生产方面，探讨发酵液中青霉素的分离与纯化工艺流程；在实验室方面，可以设计分析植物黄酮的分离纯化过程。

3.2 丰富教学方式

3.2.1 以科研为导向进行案例式教学

在本课程讲授过程中，除了理论知识外，需要将文献收集、阅读和研讨融入进去，培养学生的自主学习能力和科学探究能力，促使学生将理论知识应用于具体的生化分离案例研讨中。在讲解萃取技术时，除了介绍液液萃取、膜萃取和超临界流体萃取等典型的萃取技术外，还可为学生讲解其它萃取新技术，如反胶束萃取、固相微萃取等，通过提供这些新型萃取技术的相关研究性论文，如萃取体系反胶束的形成、反相胶束与微乳液萃取分离金属离子、固相微萃取技术分类及其在环境污染物萃取分析中的应用等，使学生从阅读文献过程中进一步了解萃取分离技术的研究进展，激发学生的科研兴趣。在进行吸附分离过程章节中吸附原理和吸附剂相关内容的讲解时，教师选择几种具有不同类型配基的吸附剂，如短配基吸附剂、聚合物接枝型吸附剂，将其相关文献引入课堂，与学生共同探讨不同吸附剂的制备方法、配基的结构特点、在进行蛋白质吸附与传质过程中的结果讨论与机制解析等。基于教师自己的研究课题，向学生介绍几种典型的聚合物接枝型阳离子吸附剂，以及此类型吸附剂对牛血清白蛋白、溶菌酶、单克隆抗体等蛋白质的吸附性能。通过以文献为媒介的案例研讨式学习，学生不仅可以深入理解不同分离技术相关实验的研究构思和应用，还可为后续自己的研究课题中涉及的分离相关实验的开展实施奠定基础。

3.2.2 实操练习提升实践能力

在现代分离工程选论课程内容中，涉及较多的公式推导、计算和模型拟合内容。这部分内容单靠口头讲授和板书难免使学生感到枯燥乏味，难以提升对此部分内容的学习兴趣。因此，在讲解此部分内容时，适当引入实操练习，提升学生的参与感，能够使学生更加深刻地理解和掌握知识重难点。在进行吸附平衡相关内容的讲解时，着重讲解Langmuir单分子层吸附理论。为了让学生更好地理解此理论在实验中的应用，首先需要给定几组吸附剂吸附蛋白质的实验数据，然后让学生借助于Origin软件中设定的Langmuir吸附平衡方程，对给定的实验数据进行拟合，得到吸附剂对蛋白质的吸附容量和解离常数，判断吸附剂对蛋白质的吸附能力，还可通过方差分析验证此吸附平衡方程对实验数据的拟合度。例如，给出同一种阳离子交换吸附剂对两种不同蛋白质(溶菌酶和γ球蛋白)的吸附数据，让学生用Origin软件对数据进行Langmuir吸附等温线拟合，得到图1所示的拟合曲线，拟合结果显示吸附剂对溶菌酶和γ球蛋白的吸附容量分别为331 mg/mL和208 mg/mL，对溶菌酶和γ球蛋白的解离常数分别为0.018 mg/mL和0.183 mg/mL。通过对比两组数据大小，判断出吸附剂对溶菌酶具有较强的吸附能力。在进行吸附过程传质动力学相关内容的讲解时，着重讲解了两种传质模型-孔扩散模型和表面扩散模型。教师事先采用Matlab软件编制好孔扩散模型和表面扩散模型运行程序，然后给定学生几组吸附剂吸附蛋白的实验数据，让学生借助Matlab软件中的两种传质模型运行程序对实验数据进行拟合，求出蛋白质在吸附剂中的有效扩散系数。如图2所示，学生通过选取孔扩散模型拟合同一种吸附剂对菌酶和γ球蛋白的吸附动力学曲线，得出吸附剂对溶菌酶和γ球蛋白的有效孔扩散系数分别是0.23和0.04，从而判断出该吸附剂对溶菌酶的传质速率高于γ球蛋白。

图1 溶菌酶和γ球蛋白在吸附剂上的吸附等温线

图2 溶菌酶和γ球蛋白在吸附剂上的传质动力学曲线

3.2.3 专题文献汇报提升自主学习能力

基于以上所述的案例式教学、实操练习等多种教学方式，可使学生比较深刻的理解与掌握现代分离工程中涉及的基本理论与分离过程。在本课程教学周的后半段时间，将班级学生划分成不同的学习小组，以小组为单位进行专题文献汇报。首先，教师根据课程内容设计文献汇报主题，共制定萃取分离技术及应用、膜分离技术及应用、吸附与层析分离及应用三大主题，学习小组从中选取一个主题，查阅与主题相关的文献，对文献进行整理归纳，制作包含研究背景、研究内容、研究结果在内的PPT，在课堂汇报，并且鼓励学生在汇报结尾提出自己的问题或者想法。教师根据学习小组的汇报内容进行科学点评，解决学生提出的问题。在专题文献汇报进行的整个流程中，学生以小组形式分工协作，不仅能够锻炼学生的团队合作能力，还能提高学生的自主学习能力。在课堂汇报的过程中，教师的点评与答疑也会增加师生之间的互动性，达到共同学习和共同成长的效果。

3.3 考核形式多元化

由于现代分离工程属于研究生专业学位课，传统的课程考核以试卷形式考查课本知识为主，学生通常通过对课本内容的死记硬背就可以顺利通过考试，因此无法准确评估学生的专业综合素养和对理论知识的运用能力。尤其对于研究生来说，其考核目标不仅是熟练记忆理论知识，更应该着重检查学生的研究创新能力和对知识的灵活运用能力。因此，需设置多元化考核方法，其中期末考试占比50%，专题文献汇报占比30%，平时作业占比20%。其中，期末考试以开卷形式进行，考试内容覆盖了萃取分离、泡沫分离、膜分离、吸附分离等主要的分离方法，主要考察学生对于分离原理的基本理解、分离路线的设计和分离优缺点的判断等，下调试卷中理论与概念题目所占的比重，适当增加以解决实际分离问题为目的的综合性题目。专题文献汇报主要考查学生的文献收集与整理能力、汇报内容以及分析、解决实际分离工程问题的能力。平时作业包含考勤考纪、课上及课后作业完成情况。与传统的仅依据期末考试评价学生的学习效果，多元化考核方法不仅能够充分评价学生对于理论知识的学习效果，还能综合考查学生对于知识的应用能力、自主学习能力和研究创新能力。

4、教学成效分析

研究生一年级是从本科向研究生过渡的一个时期，同时也是为以后的科研课题储备理论知识的关键时期，主要以课程学习为主。但是与本科阶段的课程学习不同点在于研究生课程的专业性更强，难度更大，这也是为后续科研课题的进行奠定理论基础。此外，研究生在此阶段还面临着科研课题的选择、设计以及文献的查阅与阅读等问题。因此，在这个关键的过渡时期，培养学生的专业学习兴趣和科研探究能力对于研究生阶段的学习与科研工作的顺利进行十分必要。

表1 教学成效问卷调查结果

为了能够及时掌握现代分离工程选论课程的教学效果，对学生进行了本课程的问卷调查。问卷调查对象为本课程班85名学生，共计十个问题，内容涉及学习能力的锻炼、科研兴趣的培养、师生沟通交流和课程满意度四个方面，共计八个问题，结果如表1所示。其中，79%以上的学生认为课程体系优化有助于自己更好地理论知识，多元化授课方式提高了自己的学习积极性、自主学习能力和实践能力，92%的学生认为案例研讨式教学有助于培养自己的科研兴趣，93%的学生对于本课程的考核方式表示满意，89%的学生满意本课程的学习体验。同时，通过学生的问卷结果，也可以看出64%的学生认为本课程的教学改革有利于加深自己与老师之间的沟通交流，仍存在36%的学生认为师生之间的沟通交流有待加强。因此，在后续的课程建设中，在坚持以科研为导向的教学理念前提下，应注重与学生之间的沟通联系，定期收集学生的学习反馈情况，对于学生反映出的学习难点进行重复重点讲解，同时适当增加课堂讨论等互动环节。

5、结论

为提高研究生专业学位课现代分离工程选论的教学质量，培养学生的自主学习能力、实践能力和科研创新精神，我们以科研为导向对本课程进行教学改革。通过案例研讨、实操练习和专题文献汇报多种教学方式将理论知识融会贯通并转化为实践，提高了学生的课堂参与度和分析与解决问题的能力，也在一定程度上培养了学生对科研工作的兴趣。多元化考核方法的建立，能够综合评价学生对理论知识的学习与应用能力和研究创新能力。在以后的教学过程中，应继续优化课程教学体系和考核体系，坚持科研与教学相结合，为提升学生自主学习能力、科研创新能力和实践能力提供保障。

参考文献:

[1]熊双丽.生物化工类研究生现代分离技术课程教学改革与实践[J].科教文汇(上旬刊),2014,(10):53-54.

[2]蔡卫权,张光旭,刘小平,等.研究生高等分离工程课程绿色化提升的初步探索[J].化工高等教育,2008,(4):96-98.

基金资助:浙江科技学院2022年度研究生教改项目(2022yjsjg04);

文章来源:李宪秀,沙如意,毛建卫.以科研为导向的现代分离工程选论课程教学改革[J].广东化工,2024,51(04):191-193.