培養(yǎng)創(chuàng)新人才的高校生物工程專業(yè)實踐教學(xué)模式的探索

李由然 顧正華 張梁 丁重陽 石貴陽

【基金項目】江南大學(xué)本科教學(xué)改革研究項目JG2015022。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0240-02

作為全球性的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，生物產(chǎn)業(yè)以期高增長，高收益的產(chǎn)業(yè)特性，引領(lǐng)著世界經(jīng)濟(jì)的增長，2015年全球經(jīng)濟(jì)的增長率位3.3%，而生物產(chǎn)業(yè)的增長率卻達(dá)30%[1]。當(dāng)前該專業(yè)面臨的一個重大問題是課程體系的設(shè)置不夠成熟，尤其是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的欠缺十分顯著；部分學(xué)校甚至不具備相應(yīng)的教學(xué)條件，這些都為生物產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)帶來了極大困難。

江南大學(xué)自生物工程專業(yè)開設(shè)伊始就有針對性地對本專業(yè)的高年級本科學(xué)生開設(shè)了生物工程綜合實驗課程。概況課程的內(nèi)容要求表明，生物工程綜合實驗室一門深層次的，多學(xué)科性的和綜合性實驗技能培養(yǎng)的實踐性課程[2]。從培養(yǎng)人才的角度看，開設(shè)生物工程綜合實驗的目的在于縮短學(xué)生在所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)與實踐中解決實際問題能力之間的差距，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力。隨著2011年糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室的建成，其作為生物工程實踐教學(xué)的重要組成部分，又為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了新的探索及模式。

1.探索培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的生物工程綜合實踐教學(xué)模式的必要性

生物工程是工程型課程，在實踐教學(xué)方面，它不僅要培養(yǎng)學(xué)生實驗室的基本技能，而且要培養(yǎng)學(xué)生操作工程設(shè)備，檢測過程參數(shù)以及分析這些解決實際問題的能力。[3]由于受到傳統(tǒng)的培養(yǎng)應(yīng)用型人才教學(xué)方法的影響，其教學(xué)模式仍是以教師，課堂，教材為中心的模式；在各單元實驗中采用“照本宣科”的方式（即學(xué)生嚴(yán)格按照實驗教材中的實驗步驟進(jìn)行實驗），不需要進(jìn)行太多的思考就可以完成實驗，無法發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性和主動性。另一方面，隨著電子技術(shù)，信息技術(shù)，化學(xué)分析技術(shù)的進(jìn)展，生物工程的研究也有傳統(tǒng)的細(xì)胞外環(huán)境發(fā)展到細(xì)胞水平乃至基因水平的多參數(shù)多尺度研究。隨著人們對環(huán)境治理的重視和生物能源的開發(fā)，其應(yīng)用也越來越廣泛。這就要求我們隨著教學(xué)改革的深化，在加強(qiáng)實踐教學(xué)和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的今天，要充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，積極性和創(chuàng)新性，使學(xué)生在實踐中獲得知識，學(xué)會創(chuàng)新。

對于生物工程專業(yè)如何培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，張梁等在國內(nèi)教育類雜志上指出：需要將課程教學(xué)，專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)工程設(shè)計聯(lián)系起來，形成理論（課程教學(xué)）-實踐（專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)）-理論（專業(yè)課程）-實踐（發(fā)酵工藝實踐，畢業(yè)論文/設(shè)計）多位一體的實踐教學(xué)新模式。

2.培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的生物工程綜合實驗教學(xué)模式實踐

我們多年來不斷對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的生物工程綜合實驗教學(xué)模式的實踐模式進(jìn)行完善，具體操作如下：

（1）實驗室面向本科生開放的探索與實踐

江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室于2011年5月獲得國家發(fā)展與改革委員會批準(zhǔn)建設(shè)。建有糧食精深加工、通風(fēng)發(fā)酵、厭氧發(fā)酵、分離提取與包裝等四個中試平臺。四個中試平臺可以實現(xiàn)單體設(shè)備獨(dú)立操作，形成從原料處理到產(chǎn)品包裝（GMP水平）整各個生產(chǎn)過程的中試能力。自其建設(shè)完成，我校本科生的生物工程綜合實驗課程即安排在本實驗室中進(jìn)行。我們充分利用中試實驗室現(xiàn)有的空間，劃分成3米和6米兩種層高，3米作為學(xué)生實驗臺實驗的場所，6米層高的空間作為工藝設(shè)備的空間，分別有機(jī)整合成工藝實驗室和分析實驗室兩部分。工藝實驗室中配備了實驗所需的中，大型設(shè)備和常用分析儀器，分析實驗室配備了代表了當(dāng)代分析測試儀器國際先進(jìn)水平的各種精密儀器與設(shè)備，包括透射電子顯微鏡、液相色譜串聯(lián)四級飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀、全數(shù)字化核磁共振波譜儀、氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、離子色譜儀、微射流均質(zhì)機(jī)、流式細(xì)胞儀等。實驗室和儀器設(shè)備基于預(yù)約制度面向本科生全天候開放。實驗室中的所有儀器都附有儀器原理，使用說明和操作步驟，大型儀器還錄制簡明的樣品處理及儀器操作視頻。在教師指導(dǎo)后，由學(xué)生在教師的輔助下操作這些儀器，學(xué)生可對實驗中各種感興趣的參數(shù)隨時進(jìn)行分析表征。實驗室的開放制度雖然一定程度上增加了儀器與試劑的損耗，給實驗室的管理增加了一定難度，但多年的實踐表明，開放式的綜合實驗課程真正做到了以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新精神，增強(qiáng)了動手，動腦的能力，受到了廣大師生的歡迎。

（2）改進(jìn)和優(yōu)化實驗內(nèi)容，學(xué)生可分層次自由選擇實驗

我們重點(diǎn)從以下幾點(diǎn)改進(jìn)和優(yōu)化了已沿用多年的綜合性實驗內(nèi)容。首先，精選實驗內(nèi)容。減少固定實驗步驟的簡單重復(fù)性實驗內(nèi)容，只保留極少部分應(yīng)熟練掌握基礎(chǔ)操作的經(jīng)典實驗。同時跟蹤學(xué)科發(fā)展，把具有學(xué)科前沿性和交叉性的成熟的研究成果轉(zhuǎn)化為實驗內(nèi)容。其次，保持實驗的系統(tǒng)性和完整性。生物工程研究范圍近幾年來拓展很快，基因工程、蛋白質(zhì)工程等現(xiàn)代技術(shù)使越來越多的產(chǎn)品可通過生物法生產(chǎn)，而工藝與設(shè)備的操作往往貫穿在這些產(chǎn)品生產(chǎn)的中下游階段。為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，拓寬視野，使其今后有更大更廣闊的發(fā)展，有必要對一些非常規(guī)生物過程的認(rèn)識，如增加固態(tài)發(fā)酵、基因工程菌發(fā)酵和動植物細(xì)胞培養(yǎng)的實驗。同時結(jié)合工程實驗室中試平臺實地介紹包括工藝流程、設(shè)備選型、車間布置及工程核算等工程設(shè)計的核心內(nèi)容。再次，學(xué)生自由選擇實驗內(nèi)容。在總計16個實驗中，基礎(chǔ)性綜合實驗開設(shè)4個，每位學(xué)生可選做2個以上；文獻(xiàn)型、研究型的設(shè)計性綜合實驗開設(shè)6個，每位學(xué)生選做3個以上；探索性綜合實驗（由我院教師比較成熟的科研成果轉(zhuǎn)化）開設(shè)6個，每位學(xué)生選1個以上。具體選擇所做實驗的個數(shù)，由學(xué)生根據(jù)教學(xué)時數(shù)自行確定。

（3）構(gòu)建多層次實踐教學(xué)體系，引導(dǎo)學(xué)生開展Seminar交流活動

構(gòu)建以學(xué)生認(rèn)識專業(yè)、實習(xí)綜合實踐、課外科技活動、學(xué)科競賽、技術(shù)實習(xí)、專業(yè)技能認(rèn)證、職業(yè)技術(shù)資格證書、專項設(shè)計和畢業(yè)頂崗實習(xí)等多層次的實踐教學(xué)體系。讓學(xué)生自己選擇一個實驗，要求其從選題依據(jù)、實驗設(shè)計、實驗實施、數(shù)據(jù)分析到最終結(jié)論，完成一個完整的過程。小組合作是讓學(xué)生參與課堂的重要形式。學(xué)生完成實驗選題和實驗設(shè)計后，讓每個研究小組派出代表以幻燈片的形式宣講自己的實驗設(shè)計，讓其他同學(xué)提建議，一方面鍛煉學(xué)生的科學(xué)表述能力，另一方面可根據(jù)大家的建議進(jìn)一步完善實驗方案。環(huán)境研究法課堂授課結(jié)束后，就進(jìn)入實踐環(huán)節(jié)，實踐就是讓學(xué)生將確定好的研究方案付諸實施，讓學(xué)生親身感受實驗完整過程，同時將理論知識應(yīng)用到實際中去，最后形成一份完整的實驗報告，教師可對報告進(jìn)行檢查，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時指導(dǎo)。通過這些環(huán)節(jié)，全方位訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、科研能力、設(shè)計能力，實現(xiàn)教程、工藝合一，產(chǎn)品合一，全面提升學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力。通過多層次實踐教學(xué)，打破了傳統(tǒng)實驗課教學(xué)條塊分割的局面，將生物工程的上、中、下游技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，既減少實驗重復(fù)內(nèi)容，給予學(xué)生全局的觀念，又有利于學(xué)生開闊視野，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用生物工程技能分析問題和解決問題的能力。在實踐教學(xué)形式上，除了教師講解及演示以外。還應(yīng)該增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新性的自主學(xué)習(xí)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度定期安排學(xué)生進(jìn)行seminar。例如將班級成員分成多個小組，每組設(shè)置組長一名。每個小組根據(jù)指導(dǎo)教師講解的知識點(diǎn)自由準(zhǔn)備材料，在組長的組織下提出針對某一問題的解決方案。以幻燈片的形式展現(xiàn)，并上臺講解展示，在此過程中其他組別對其進(jìn)行提問打分。通過這樣一種形式，能夠增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新性的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)生為了準(zhǔn)備材料會查閱很多資料，也是對知識點(diǎn)的再次復(fù)習(xí)過程，同時也是理論結(jié)合實際，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。在Seminar活動討論交流后，對學(xué)生自己設(shè)計的或自帶課題的實驗，只要所設(shè)計的實驗方案合理、實驗條件許可，即允許進(jìn)入開放實驗室開展實驗。

（4）建立實踐性課程考核新體系

要全面真實地檢查學(xué)生的創(chuàng)新水平和實踐能力，就必須建立和實施以基本操作技能與創(chuàng)新能力并重的實驗教學(xué)考核體系，重視對學(xué)生實踐過程的評價。以實驗理論、實驗操作考核、平時成績、實驗報告、成果評價等多樣化考核方法，從設(shè)計思路、實驗操作能力、分析綜合能力、創(chuàng)新能力及實驗報告（或論文）等方面對學(xué)生進(jìn)行全方位綜合評價?？己藢W(xué)生在全面掌握和融合知識、培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，掌握基本技能等方面的情況，重點(diǎn)考核學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識和技能創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生實驗技能的提高?？荚u成績由平時成績，期末成績，綜合創(chuàng)新能力成績3部分組成。平時成績占實驗成績的30%，包括實驗預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)態(tài)度、科學(xué)作風(fēng)、平時操作熟練程度、結(jié)果、實驗報告等幾個方面。期末成績占實驗成績的40%，包括抽簽實際操作和抽簽回答實驗理論性問題兩部分。綜合創(chuàng)新能力成績占實驗成績的30%，考核學(xué)生的基本知識和基本技能以及綜合分析思考問題的能力?？己说囊罁?jù)是學(xué)生的實驗設(shè)計方案和綜合性的實驗論文。經(jīng)過這樣的改革，突出對實踐能力、創(chuàng)新精神及綜合能力的考核，以培養(yǎng)學(xué)生求實意識和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度，大大激發(fā)了學(xué)生技能訓(xùn)練的熱情，調(diào)動了學(xué)生重視實驗的主觀能動性，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)風(fēng)，提高了學(xué)生的動手能力和實驗基本素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱林江，鄭飛云，李永仙，等.創(chuàng)新設(shè)計型生物工程工藝大實驗的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（5）：194-196.

[2]黃敏，邱建平，張影陸，等.產(chǎn)學(xué)研合作教育是培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的有效途徑[J].江南大學(xué)學(xué)報（人文社會科學(xué)版），2004，3（2）：11.

[3]江珩，陳守文，喻子牛.以微生物學(xué)為特色的生物工程專業(yè)實驗教學(xué)改革[J].微生物學(xué)通報，2006，33（2）：172-175.

作者簡介：

李由然（1985-），男，河南鄭州人，講師，工學(xué)博士，主要從事發(fā)酵工程方面的研究。

通訊作者：石貴陽（1963-），男，浙江紹興人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事發(fā)酵工程方面的研究。