我国轻工技术与工程一级学科涵盖发酵工程、制糖工程、制浆与造纸工程和皮革化学工程等4个二级学科。根据教育部学位与研究生教育发展中心发布信息,全国共有16所高校开设轻工技术与工程学科,第四轮评估结果为江南大学排名第一。江南大学制糖工程专业始建于1952年,设在食品工程系,主要从事甘蔗和甜菜制糖方面的教学和科研工作;后来经过院系学科调整,制糖工程专业(研究生)调整到生物工程学院,并于2009年筹建教育部糖化学与糖生物技术重点实验室[1]。制糖工程学科是以解决生命过程中必需的糖源问题为目标而发展起来的传统学科,早期主要为制糖产业培养人才和进行技术攻关[2]。随着现代科学技术进步,人们发现糖类与蛋白质、核苷酸、脂类等物质一样在生命过程发挥重要作用。目前,制糖工程学科与化学、生物学、医学、药学等进行多学科交叉融合,形成了糖化学、糖生物学、糖工程等相关研究领域(图1),涉及理科、工科和医科,促进了糖科学与技术的快速全面发展[3]。由于糖科学具有多学科交叉特点,中国化学学会、生物化学与分子生物学会、生物工程学会和生物物理学会等都相应增设糖相关专业委员会,促进了制糖工程学科的发展。目前全国累计有四家与糖相关的省部级重点实验室,从事糖科学研究的学者队伍逐渐扩大。
图1 糖科学与糖工程的研究领域
Fig.1 Research fields of glycoscience and glycoengineering
随着我国科学技术的迅速发展, 高等教育事业也在不断的发展,各高校研究生的招生规模正不断扩张。高层次人才培养的研究生教育,不应只强调其科研能力的培养,更应该注重其综合素质的提高,为国家培养创新型人才。目前有关生物工程、发酵工程、食品科学与工程等相关专业教学和人才培养方面的教改研究论文和成果较多,而针对制糖工程专业人才培养的研究较少。根据多年在制糖工程学科方面的教学和研究生培养经验,笔者对制糖工程专业创新型研究生的培养方式进行研究和探索。
1 糖科学与糖工程学科的兴起及特点
糖链是除了蛋白质和核酸外体现生命的第3大生命物质,对糖类的研究也是对生命现象探索的进一步解码[4]。早在1992年英国牛津大学于生化系设立Glycobiology Institute,开展糖生物学的研究。同期,日本实施“糖工程前沿计划”,美国佐治亚大学成立复合糖研究中心(Complex Carbohydrate Research Centre,CCRC),建立糖复合物结构数据库(Complex Carbohydrate Structure Database,CCSD)[5]。在开展糖生物学研究时,发现一些来源于基因工程表达的蛋白药物的糖基化影响其生物活性,这些问题也产生了一门新的学科——糖基化工程,或糖工程。由于糖生物学是将糖化学和生物化学的原则与现代细胞与分子生物学对聚糖的研究相结合建立的一门新兴交叉学科,其涉及到的基础学科领域包括有机化学的分支——糖化学、生物化学、分子生物学、细胞生物学和微生物学等基础学科,因此该专业的课程设置和选修课方面需要综合考虑,构建灵活的知识体系。
2 制糖工程专业人才培养现状
制糖工程属于二级学科,是教育部批准设立的研究生学位授予点[6]。但是,目前我国高校并未设置制糖工程的本科专业,因此制糖工程专业研究生报考相对冷门,每年研究生招生第一志愿招生较少,大部分录取为调剂生源,考生专业覆盖包括生物工程、生物技术、食品科学与工程、食品安全、应用化学等。多种专业来源的招生背景给制糖工厂研究生培养带来一定难度,特别是糖化学领域研究生的培养。制糖工程专业虽然是工科专业,但是糖科学与糖工程研究需要化学、生命科学、食品科学与工程、生物技术等不同专业背景的人员参与。因此,制糖工程专业所招收研究生的专业背景复杂,也限制该学科发展和研究生培养质量。为了进一步提升江南大学生物工程学院制糖工程学科发展,学院对本科的生物技术专业开设课程进行调整,增设了糖生物制造、糖生物工程、糖生物材料等糖相关的核心课程和选修课,以期为制糖工程研究生培养选拔生源。
在教师队伍和学科平台上,江南大学打造糖科学研究一流研究团队,从国内外引进多名糖科学领域的专家教授和青年博士,并吸引多位日本籍糖生物学专家到学院工作,为制糖工程学科发展添砖加瓦。另外,教育部糖化学与糖生物学重点实验室的学术委员也邀请国内知名糖科学专家担任。在学术交流方面,国内糖相关的重要学术会议,包括全国糖生物学会议、全国糖化学会议和糖科学青年论坛,这些学术交流促进了糖科学与糖工程学科的发展,也给青年学者带来很多学习交流机会。在科研平台上,江南大学生物工程学院在公共平台配置糖芯片仪、液质联用仪、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF-MS)、离子色谱、糖合成仪等高端设备,在硬件上满足研究生培养和深度科研的需要[7]。
2019江南大学的教育部糖化学与糖生物技术重点实验室开展国际评估会议,邀请来自于日本大阪大学、美国北卡罗莱纳州立大学、美国伦斯勒理工大学、美国纽约州立大学石溪分校、帝国理工大学、雅典农业大学的10位国际一流高校的知名学者作为评估专家,并一致认为实验室在糖生物学、糖化学、糖合成生物学和糖生物制造等方面取得了国际一流的学术成绩,尤其是将基础研究与应用研究相结合具有鲜明特色。2020年教育部通过了糖化学与糖生物技术重点实验室的验收,被正式批准立项建设。在教学成就方面,2018年由江南大学生物工程学院和食品学院共同完成的 “三融合二递进——轻工食品类本科创新人才培养体系的构建与实践”获得高等教育国家级教学成果二等奖,针对糖科学方面新开课程的“基于需求驱动分析的《糖生物工程》课程创新型人才培养体系建设与实践”获得校级教学成果二等奖。另外,在2020年,全面开设系列糖科学相关课程的生物技术专业获批国家级一流本科建设专业。
尽管如此,制糖工程专业人才培养仍然面临一些困难,主要包括:(1)相对于蛋白质、核苷酸研究已有成熟技术,糖链结构复杂多样,给糖科学相关研究造成一定困难;(2)糖生物合成涉及糖苷供给、能量再生和糖基转移酶专一性等难题;(3)糖科学相关研究所需的高端仪器设备需要进口,价格昂贵,操作门槛较高,阻碍了部分科研单位糖相关学科发展和人才培养。另外,大多数人对糖科学研究领域还不完全了解,专业吸引力方面还需进一步宣传和普及。
3 多学科融合交叉对制糖工程创新型人才培养方式探索
高新科技人才的培养是支撑创新型社会发展的关键。2018年,习近平总书记在全国教育大会上的重要讲话中明确指出,高校要“着重培养创新型、复合型、应用型人才”,创新型国家的根基在于培育创新型人才。制糖工程学科的高新技术人才应该既有扎实的专业理论基础,又有丰富的实践经验,并且具有创新思维能力,以达到多学科交叉融合的创新型人才的要求。现代制糖工程以扎实的理论为基础,立足创新性和创造性,从科技发展和人类健康需求出发,以解决问题服务社会为最终目的,对创新型研究生培养要求更高。笔者围绕培养理念、师资队伍、课程体系、教学体系、教学平台等方面(图2),开展对制糖工程学科研究生培养方式的研究与探索,并对培养效果进行总结。
图2 多学科融合交叉对制糖工程创新型人才培养方式探索
Fig.2 Exploration on the cultivation of innovative talents in carbohydrate engineering through multi-disciplinary integration
3.1 树立多学科交叉融合的创新型人才培养理念
人才培养,理念先行。江南大学以“笃学尚行,止于至善”为校训,以“彰显轻工特色,服务国计民生;创新培养模式,造就行业中坚”为理念办学。江南大学生物工程学院制糖工程专业经过长期的实践、总结与提升,秉持“以学生为中心”,立德树人,为社会培养大量创新型、复合型人才培养。由于制糖工程学科与生命、健康、营养等息息相关,因此,该学科研究生培养理念上要树立多学科交叉理念,通过融合交叉促进制糖工程学科发展,以提升研究生的培养质量[8],并吸引更多科研人员参与糖科学领域的研究。学科交叉融合是解决人类重大问题的需要。随着信息技术和人工智能的飞速发展,知识的生产和演变方式出现了重大变化。特别是针对人类健康方面,医学、生物学、材料科学、工程学相互融合已经产生了重大成果[9]。例如新冠病毒小分子特效药的开发需要计算机、化学、生物学、药学、医学等学科人才的努力才能实现[10]。此外,江南大学药学院糖基材料研究团队、食品学院益生菌研究团队和江南大学附属医院烧创伤诊疗中心深度合作,成立教育部创面修复技术教育部工程研究中心,通过与生物材料、细菌微生态、营养、生物工程学科的交叉与合作,促进了学校整体学科建设水平的跨越式发展。
3.2 配置多学科交叉融合的高水平师资队伍
教师是教学活动的主导者,是培养创新型人才的基础。江南大学生物工程学院在制糖工程学科方面的研究生导师为17名,其中2名为全职外籍科学家;包括10位教授,7位副教授。教师专业涵盖了糖生物学、糖化学和糖工程等领域,师资队伍呈现多学科交叉的特点。但是,相比其他高校和科研院所的糖科学领域的师资配置,江南大学在糖生物学、糖化学领域的教师偏少,大部分教师从事糖工程领域的研究,这也和江南大学生物工程学院大部分教师同时从事发酵工程学科领域研究有关。相比发酵工程学科庞大的师资队伍,制糖工程学科的师资队伍较为薄弱。为此,制糖工程学院教师联合国外的专家学者(日本、德国等)进行联合培养研究生,也培养了多名优秀的博士生(表1)。国外主要合作导师包括德国马克斯·普朗克研究所的“糖之父”Seeberger教授、美国北卡罗莱纳大学的刘键教授、英国帝国理工学院Chai Wengang教授等。另外,制糖工程早期是由食品学院转到生物工程学院,食品学院仍然有较多从事糖工程方面的研究人员,包括功能糖合成、糖酶和食品胶体等领域的专家,相关的机构有江南大学国家功能食品工程技术研究中心。此外,由于糖科学与生命健康息息相关,尤其功能糖可作为益生元并干预肠道菌群,因此江南大学糖科学相关研究也联合无锡医学院、江南大学附属医院的科研人员进行联合攻关,并共同培养研究生,取得双赢效果。
表1 制糖工程专业多学科交叉创新型人才培养成果案例
Table 1 Typical cases of multi-disciplinary and interdisciplinary innovative talents training in carbohydrate engineering
研究生创新型人才培养成果2017级李博士为一名多学科交叉背景博士生(本科计算机,硕士动物营养,博士发酵工程),“BGR仿生肠道反应器”获得全国互联网+银奖,全国博士后创新大赛获银奖,发表5篇SCI论文,获得多项国际和国内专利。2016级顾博士围绕重构枯草芽孢杆菌糖转运途径及中心代谢网络高效合成N-乙酰氨基葡萄糖,取得了系列创新性成果,发表SCI论文7篇,申请专利10项,2021年获江苏省优秀博士学位论文。2014级李博士在中国和日籍教授组成的学科交叉团队中从事真核细胞蛋白N-糖基化的合成调控研究,在Nature Communications等期刊发表多篇高水平论文,获得江苏省优秀博士论文,在亚洲糖科学会议作报告。2015级田博士在中国、德国两国教授指导下,从事幽门螺旋杆菌糖缀合物的合成工作,在Angewandte Chemie等期刊发表多篇高水平论文,获得校长特别奖。2018级硕士生在生物工程学院、食品学院、纺织工程学院等三位不同学科教师指导下,完成多功能纤维织物课题,发表SCI论文1篇,获得授权专利1项。
3.3 加强研究课题多学科交叉选题
培养新兴前沿交叉领域的创新开拓者,要在研究生教育中强化学科交叉融合。面向未来,我国现代化进程强大的客观需求和知识技术体系的内在矛盾,正孕育着以绿色、智能、泛在为特征的新一轮科学革命和技术革命,呈现以数字为核心的融合与赋能特征,主导技术以技术群落的形式出现,科技创新具有多主体协作、多学科融合的网络迸发特点[11]。针对研究生培养,可通过参与课题的科研实践,获得独立科研能力训练,是研究生培养重要目标。制糖工程专业研究生在选题时,可加强导向多学科交叉方面的选题,重点布局与社会发展、学科进步、人类健康等相关的交叉课题。可与相关学科校内外导师共同设置课题和指导,由不同专业背景的教师组成学术团队,以多学科融合的思路,利用多学科交叉融合的团队模式,促进研究生的创新精神,拓宽视野,有利于创新型研究生人才的培养[8]。如本研究室一个相关课题是通过与纺织工程学院、食品学院、医学院的教师通力合作,共同指导,使得该研究生顺利完成课题和毕业,发表一区SCI论文一篇,并获得授权专利1项。
3.4 构建创新型人才培养的实践教学体系
学科交叉融合的创新人才培养运行是一项系统化工程,需要建立适应学科交叉融合的创新人才培养实践教学体系。实践教学作为高校实现培养人才目标的重要环节,是将理论知识转化为能量的必要途径,对提高学生综合素质、培养学生创新意识和能力具有特殊作用。针对制糖工程学科特点,开设多门实验课程,包括《仪器分析》《生化分离》等实验课,以及开设《糖结构解析》《糖生物制造》等与糖科学研究直接相关的课程。另外,生物工程学院教师还不定期邀请校外相关领域的学者讲学,拓宽研究生知识面和视野,并鼓励研究生多参加国内外学术会议,争取做大会报告[12]。此外,通过引导和鼓励学生参加各种创新创业训练大赛,培养团队协作能力。例如本研究室一名博士生参加全国互联网+获得银奖,入职博士后以后获得全国博士后创新创业大赛获银奖,在实践教学中获得良好的训练,各方面能力显著提升。在研究生培养国际交流方面,生物工程学院与国外知名大学(如韩国庆北大学等)每年举行研究生学术论坛,通过学术交流提升创新型人才培养质量。
3.5 建立多学科交叉融合的实践教学平台
创新人才的培养是一项全方位、多平台协同育人的系统工程,在学科建设、课程建设外,还需要借助各方面的平台和项目开展协同创新育人。在平台方面,实践教学平台是夯实学生专业基础、培养学生实践能力的重要工具。江南大学生物工程学院利用211建设经费和“一流学科”配套经费,建立了多学科交叉融合、多专业共享,集教学、科研于一体的实践教学平台,另外整个学校其他学院的平台也可以通过大型仪器共享平台进行预约使用。在未来,为了进一步促进学科发展和研究生人才培养,可以针对某一些使用频率较高、预约时间较长的仪器设备进行数量增加和技术升级,提高科研效率[13]。另外,还可以通过与其他科研单位、生物服务外包平台合作,推进学科交叉,提高科研绩效。在项目方面,鼓励研究生申报江苏省研究生培养创新工程研究生科研与实践创新计划,分设博士生和硕士生2个层次,并设立省立资助项目和省立校资助2个级别,调动研究生积极性,通过撰写申请书锻炼研究生的参与项目能力,有利于促进创新人才培养。在奖励资助方面,除了国家奖学金,生物工程学院还引入各种社会奖学金,对拥有较好科研成果和积极参与公共服务方面的研究生进行综合打分和奖励,也充分调动了研究生的科研积极性。
4 展望
高校是人才培养的基地,不仅要满足社会发展的需要,更要引领科学进步。随着我国综合实力增强和参与国际竞争,高端创新型人才是国家创新力的重要根基。在迈入新世纪,随着教育普及和互联网知识信息快速传递、人口老年化及老年病频发,人们对生活质量和健康更加重视,生命、健康和医药也成为重要发展方向,而糖科学、糖工程与此紧密相关。在生物技术、新医药快速发展的时代背景下,大力发展制糖工程,将传统的制糖工程学科发展为与现代医药、大健康相关的高科技专业,培育适应新时代发展的制糖工程专业人才,是我国实施科教兴国战略,实现中华民族的伟大复兴和实现中国梦的要素之一。
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