“课程思政”示范课程优秀案例（八）
生物反应器及其生产现状
生命科学学院《生物工程设备》主讲教师 赵晨 副教授
生物反应器是生化工艺过程的核心设备，本案例主要介绍生物反应器的作用、分类、发展历史和研究现状。并对目前国内生物反应器的突出问题，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口等问题展开讨论，通过教师列举日常实例，引出对于核心技术及自主研发能力的思考，学生查找和总结专业产品的相关资料，从专业领域角度引导学生关注我国制造业的发展，并对其进行爱国主义教育，鼓励学生从自身做起，为我国的民族产业出一份力。
一、教学目标
（一）课程教学目标
该章节的主题是生物反应器概述，主要讲生物反应器的作用、地位、分类、发展历史和研究现状。课程的教学目标包括：
1.掌握生物反应器的作用、地位和分类；
2.了解生物反应器的发展历史和研究现状。
（二）思政育人目标
1.设计思路
本课程绪论部分内容介绍国内外生物反应器产业发展概况，其中主导生物工程产业的生物反应器大多为国外（如美国、德国、日本等）研发生产。近些年，我国虽然能够研发一些生物反应器，但仍然存在很多问题。比如生物反应器的核心部件，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口。核心部件的依赖必定导致整个产业的对外依赖，不利于今后提高我国生物产业的整体竞争力。因此在讲述这部分内容时，应从爱国主义和建设中国特色社会主义强国出发，鼓励学生学好专业知识，为以后掌握核心技术，强大我国民族制造业打下基础。
2.思政育人目标
使学生认识到掌握核心技术对于提高我国综合国力的重要性，从提高我国制造业市场竞争力角度培养学生学习专业课程的积极性。
3.育人主题
创新，发展民族产业等爱国主义教育。
二、教学实施过程
1.教学理念：制造业是国民经济的主体，打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。为此，政府提出“中国制造2025”的行动纲领，以最终实现制造强国的战略目标。
2.教学内容：
2.1课程知识：
2.1.1生物反应器的定义，作用及地位
生物反应器是指以活细胞或酶为生物催化剂，为细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备。其作用是提供合适的环境条件，判断生物反应进行的情况。
生物反应器是生化工艺过程的核心设备，是真正发生本质生物转化的设备，因此它是使生物技术转化为产品、生产力的关键设备。
2.1.2 生物反应器的分类
1）按催化剂类型分为：细胞反应器：微生物、动物和植物反应器
酶反应器：固定化酶、固定化细胞反应器
2）根据生物反应器结构、工作原理和用途不同可分为：机械搅拌式、气升式、自吸式、固态物料发酵罐和膜反应器。
2.1.3生物反应器的发展历史
1900年以前，以传统经验制造技术（天然发酵阶段，产品仅为酒类和醋）等厌氧发酵为主；
1900-1940年，随着纯种培养技术的成熟（初级代谢产物生产阶段，如酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇、丙酮等）出现了简单的好氧设备；
1940-1970年，随着通气搅拌技术的成熟（好氧培养阶段，抗生素大规模生产）：机械通风培养设备迅速扩大，实验室规模1-50L，中试规模50-5000L，生产规模大于5000L。厂商：西德贝朗公司（B.Braun），美国N.B.S（New_Braunwick），日本丸菱公司（B.E.Marubishi）；
1970年至今，随着代谢控制发酵技术，基因重组技术和生物催化工程发展，呈多样化发展。
2.1.4国内外研究现状
1）国外情况：著名公司西德贝朗公司（B.Braun），美国N.B.S（New_Braunwick），日本丸菱公司（B.E.Marubishi）等。
2）国内情况：生产企业主要分布在东南沿海地区，主要存在问题如下：
a.与生物反应器配套的高精度、高可靠性的传感器和自控元器件主要以来国外技术；主要表现在在位检测的pH、DO传感器性能不稳定，使用寿命短；变送器体积大、精度差。目前主要从瑞士（汉密尔顿）、德国等国家进口pH、DO传感器，从新加坡进口变送器。
b.国产不锈钢材质与高档生物反应器制造要求有较大差距；
c.生物反应器市场竞争无序，产品无统一质量标准、价格标准，无产权保护体系和意识，质量参差不齐，价格恶意竞争；
d.生物反应器基础研究和新技术开发力量分散，具有自主知识产权的核心技术偏少；主要表现在只有少数企业具有研发能力，研发力量分散于各地的高等院校和科研院所，国家投入资金少，与市场衔接不良。
2.2思政内容*：
2.2.1 引言
由热点新闻“中兴事件”入题。简述事件，起因是美国商务部禁止该国企业向中国电信设备制造商中兴通讯出售电子技术和元器件，事件影响是将激发中国产业界自强心态，不计成本加大在芯片产业的投入，变挑战为机遇。
目前国产芯片不能代替进口的只是占市场份额5-10%的高端芯片，中国的短板在制造上与美国差距至少8-10年，存在的主要问题是：尚需有经验的制造团队，芯片制造设备依赖进口，国内企业起步晚易触及国外企业已有的知识产权，国内企业对自主芯片性能和稳定性不自信。
2.2.2 案例
1）华为自主研发芯片对于国产手机发展的关键作用
华为麒麟芯片是华为公司开发高性能芯片系列，是华为旗下产品的主要芯片。 其在3G芯片大战中，以“黑马”角色出现，引起业界广泛关注。4G时代，华为麒麟芯片的技术已经逐渐向业界前段发展，凭借麒麟920实现了对高通的首次领先。随着华为手机的发展，华为自主研发麒麟芯片也证明了国产芯片的实力，更加印证核心技术与竞争力紧密相关。
2）纺织设备的关键技术
我国十几年前就实现了纺织机械的自动化，拥有世界上最先进的生产线。但是纺织机中的陶瓷探针器技术至今被日本、德国两家公司垄断，这样就使得这不到手掌大的探针盒子每年从中国带走近百亿元人民币。因此，掌握核心技术就成了纺织业发展的关键。
*相关案例均来源于网络。
2.2.3 我国制造业发展展望
制造业是国民经济的主体，打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强。自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益，因此，政府提出“中国制造2025”的行动纲领，以最终实现制造强国的战略目标。
在这样的时代背景下，同学们应该怎么做？
2.3 教学方法
2.3.1课堂教学以教师讲授和学生讨论问主，重点讨论内容包括：
1）中兴事件与生物反应器制造产业的共同点是什么？讨论点：不同行业目前面临的主要问题都是核心技术的掌握。
2）如何掌握核心技术，我们应当如何做？讨论点：扎扎实实学好当前的科学文化知识，力争以后为“中国制造”贡献自己的力量（将学习专业知识与爱国主义相结合）
2.3.2课后学生调研
1）分组：学生共分为七组，每组不超过七个人
2）主题：通用设备或专业设备的市场调研
3）调研结果
a.调研报告一份（包括图表）
参考内容：
3 国内外有哪些生产商、产地等；
4 我国在该领域自主研发的程度。
b.感悟一份（制造业发展，核心技术的掌握，自主能动性等方面）
c.PPT一份（8~10min），主要展示调研报告的主要内容和调研过程的团队协作（可附照片）
4）调研后讨论：PPT展示后，在课堂上由教师对讲解内容进行补充。
2.4教学创新
案例引导，实践感悟。本案例通过教师列举一般性产品实例，引出对于核心技术及自主研发能力的思考，学生查找和总结专业产品的相关资料，从专业领域角度引导学生关注我国制造业的发展，并对其进行爱国主义教育，鼓励学生从自身做起，为我国的民族产业出一份力。
三、教学效果
（一）案例开展的意义和价值
学生可能在目前阶段没有见过或使用过任何生物工程设备，如果直接讲其目前的发展限制，比如关键部件依赖进口，学生不能得到切身感受。以学生比较熟悉和兴趣的手机等通信设备为入题点，讲述关键技术对设备的重要性以及我国自主研发的重要性，学生更容易理解。课下学生通过查找具体某一生物工程设备的资料，了解其生产现状，加深对掌握核心技术关键性的理解。
（二) 主要成效和特色
同学通过分组，分别对目前市场上的七种设备进行调研：板框压滤机、管式离心机、离子色谱仪、膜生物反应器、微生物细胞破碎设备、摇床和啤酒发酵罐。通过搜索引擎、相关公司网页、文献报道以及广告等途径自主学习了相关设备的用途、分类、应用领域、结构及参数等知识，了解相关市场行情包括价格、生产企业等，关注了该设备的国内外发展情况，以及我国在该领域的自主研发程度。通过课外调研，同学们发现目前大多数生物工程设备的核心技术还被国外知名公司掌握，深切体会到了自主研发的重要性。一些同学认为，技术落后来源于专业人才的短缺，作为潜在的专业人才我们应该“从书本中好好学习理论知识，但是真正要掌握它们，还需要靠大量的实践工作，特别是长期的系统性的规范实习”（摘自刘中坤小组报告）。
以下摘录自部分小组的报告内容：
“由于我国对MBR（膜反应器）研究较晚，国内大部分膜组件都从国外采购，国内只有极少数的公司生产制造膜与膜组件。国内生产膜组件结构形式单一，产品质量相较于国外还存在一定的差距。另外由于国内对膜材料研究和制作技术不成熟，大部分膜材料都从国外进口，从而导致国内生产的膜在价格上相比于国外也显示不出优势。所以今后仍需要注重新型膜组件及其集装式模块化的研究与设计。以后如果能从事该方面的研究，就可以从研究出性能优良的膜这个角度出发。”
“我们调查到的许多老旧设备，它们之所以被淘汰，主要是因为无法及时地反应工业生产的相关信息，这种信息反馈的滞后性，有时候就会导致整个生产流程的低效甚至失败。我们从中深深体会到，未来的制造是信息化和智能化的，除了要学好机械本身的知识外，还要加强信息技术的学习，思考数据的处理问题和生产的智能问题。只有在此基础上创新，才能把握制造业的前沿发展方向，不至于被时代所抛弃。”
“制造业设备设计中有许多共性，其核心技术主要是设备操作的机械原理和信息反馈的数据原理。我们当然要从书本中好好学习理论知识，但是真正要掌握它们，还需要靠大量的实践工作，特别是长期的系统性的规范实习。”
“通过本次调研，我们深刻认识到了以压滤机为代表的生物工程设备的重要性，在未来我们有可能会从事相关行业，希望到时候我们能为国产生物工程设备的发展出一份力。”
本案例的特色是学生从专业产品的调研中不仅学习到了相关设备的专业知识，也体会到了大力发展我国制造业，掌握核心技术和自主研发能力的重要性。采用PPT报告的形式由小组一名成员介绍调研过程和内容，分享资源，有助于学生学习更广泛和先进的专业知识。
四、案例反思
本案例分为教师课堂讲授和学生课下调研，因为本门课程课容量大，课时相对较少，没有太多的时间对学生的调研展开过多的点评，同学的调研报告水平参差不齐，格式也不统一。有些同学只关注整理信息，收集他人观点和评论，自己的见解比较少，或者不成熟，可能与学生查阅信息的广度不够有关。可能的改进如下：1 提前准备模板，让同学按照模板写，但这样也容易形成套路，限制学生的自由发挥；2 要求注明观点出处，要求参考资料数目下线，鼓励学生多查阅资料；3 在小组的PPT展示中可以去掉相关设备的结构、参数等介绍，制成电子资料课前发班级群里传阅，课堂主要展示国内外发展情况和自主创新情况，并由此展开讨论。
报告水平参差不齐可能与小组成员的能力水平有关。本次调研采取的是自由组合，能力强的同学都聚在一起，能力稍差的同学只能在一组。下次可以采取随机组合的方式。另外，本次的调研对象为学生自由选择，由于不同的调研对象资料的查找和分析的难异程度不同，学生因缺乏经验可能会选择比较难的调研对象，因此，可以由教师规定多个备选对象，学生课堂选择，选择同一题目的同学形成一组，当然也需要考虑每组的人数均衡。
由于本专业学生本身对就业比较迷茫，也可以借此机会引导学生从相关产业的研发和生产过程中寻找就业机会，也是为我国民族产业贡献力量。