成果導(dǎo)向教育理念在《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》課程中的應(yīng)用

閻欲曉，粟桂嬌，蔣承建，金健

廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（南寧 530004）

成果導(dǎo)向教育（Outcome-based education）理念也稱(chēng)為OBE教育理念，是一種以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果（Learning outcomes）為導(dǎo)向的教育理念，認(rèn)為教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)教育過(guò)程所取得的學(xué)習(xí)成果[1]。注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出進(jìn)行分析，反向設(shè)計(jì)學(xué)生的教育結(jié)構(gòu)以及相關(guān)評(píng)價(jià)體系，注重培養(yǎng)學(xué)生把學(xué)術(shù)知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題的能力。該理念下教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是緊緊圍繞學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)施的，在創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面具有十分重要意義[2]。

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)生物工程專(zhuān)業(yè)的人才需求由理論研究型人才的需求逐漸轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)用創(chuàng)新型人才的需求，用人單位在人才的引進(jìn)上越來(lái)越傾向“知識(shí)、能力、素質(zhì)”綜合發(fā)展的具有一定創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才。OBE模式的理念適應(yīng)社會(huì)，特別是企業(yè)界對(duì)人才培養(yǎng)的需求，即學(xué)生的技能與能力應(yīng)以可觀(guān)察、可測(cè)量及可應(yīng)用的模式呈現(xiàn)[3-4]，因此構(gòu)建并實(shí)施成果導(dǎo)向式教學(xué)模式和課程考核及評(píng)價(jià)機(jī)制勢(shì)在必行。

1 成果導(dǎo)向教育模式在《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》課程的實(shí)施

對(duì)于工科專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)體系的一個(gè)重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)技能的重要手段，也是培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑[5-6]?！渡锕こ叹C合實(shí)驗(yàn)》是將生物工程多種技術(shù)串聯(lián)起來(lái)的綜合性專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程，學(xué)生在掌握生物工程領(lǐng)域的理論知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上綜合已學(xué)的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)，是一種對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的復(fù)合型實(shí)驗(yàn)[7]。廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院獨(dú)立設(shè)課的《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》遵循OBE“學(xué)生中心”“成果導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)”的核心理念[8]，以綜合性、系統(tǒng)性、研究性、應(yīng)用性為構(gòu)建思路和原則[9-10]，設(shè)計(jì)一批綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采取任務(wù)為主線(xiàn)、教師為主導(dǎo)、學(xué)生自主探索為核心的教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀(guān)能動(dòng)性，建立學(xué)生工程意識(shí)，提高學(xué)生知識(shí)運(yùn)用的綜合能力和融合能力。

1.1 構(gòu)建課程的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出

根據(jù)成果導(dǎo)向教育模式，學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出先于教學(xué)內(nèi)容而存在，首先明確學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，反推教學(xué)過(guò)程再進(jìn)行評(píng)估，形成閉環(huán)的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。結(jié)合2015版工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中的12條畢業(yè)要求，構(gòu)建該課程支撐生物工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和9個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)，見(jiàn)表1。

學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果包括知識(shí)性成果、技術(shù)性成果和能力成果。生物工程綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)涵蓋生物工程學(xué)科的主要內(nèi)容與通用技術(shù)，學(xué)生可在掌握生物工程領(lǐng)域基礎(chǔ)理論知識(shí)（知識(shí)成果）和實(shí)驗(yàn)技能（技術(shù)成果）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，應(yīng)用知識(shí)和技術(shù)成果來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題（能力成果），是對(duì)學(xué)生由知識(shí)性成果→技術(shù)性成果→能力成果的綜合檢驗(yàn)過(guò)程。

表1 《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》課程支撐專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)

1.2 實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)產(chǎn)出

為將成果導(dǎo)向（OBE）教學(xué)模式更好地滲透到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，教師團(tuán)隊(duì)以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，項(xiàng)目為主體、任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)生物工程綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和課程考核及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行探索與實(shí)踐。

1.2.1 構(gòu)建模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

開(kāi)設(shè)的《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》包括發(fā)酵工程、酶工程和基因工程3個(gè)模塊大實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表2。這3個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)均以產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝為主線(xiàn)，其中多個(gè)設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)子項(xiàng)目穿插于主線(xiàn)中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)均從立題到查資料、從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到具體實(shí)施、從分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到撰寫(xiě)論文所構(gòu)成。模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)可提高學(xué)生的探究能力和實(shí)驗(yàn)技能綜合運(yùn)用能力。

選擇開(kāi)設(shè)“酒精發(fā)酵工藝”實(shí)驗(yàn)是順應(yīng)中國(guó)提出利用非糧原料進(jìn)行生物質(zhì)能的生產(chǎn)的方向，結(jié)合廣西資源特色，以非糧原料糖蜜、木薯淀粉為原料生產(chǎn)酒精，具有實(shí)用性和應(yīng)用性，學(xué)生的興趣高。

“米曲霉固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)中性蛋白酶及其分離純化和應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)涵蓋三部分實(shí)驗(yàn)，從“米曲霉固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)蛋白酶”實(shí)驗(yàn)出發(fā)，進(jìn)而“中性蛋白酶的分離與純化”實(shí)驗(yàn)，并延續(xù)“蛋白酶粗酶液水解植物蛋白制備活性多肽實(shí)驗(yàn)”。教學(xué)內(nèi)容充實(shí)，學(xué)科交叉顯著，呈現(xiàn)給學(xué)生從“菌種接種→固態(tài)培養(yǎng)→產(chǎn)物生成→產(chǎn)物提純→產(chǎn)物應(yīng)用”的完整工藝實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

“基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)耐高溫α-淀粉酶”實(shí)驗(yàn)是科研反哺于教學(xué)，依托廣西大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研成果，開(kāi)設(shè)“基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)耐高溫α-淀粉酶實(shí)驗(yàn)”。出發(fā)菌株為：地衣芽孢桿菌→提取菌株基因組DNA→克隆耐高溫α-淀粉酶基因→目的基因在大腸桿菌中表達(dá)→獲得產(chǎn)耐高溫α-淀粉酶基因工程菌→5 L發(fā)酵罐中發(fā)酵表達(dá)，定時(shí)取樣菌體濃度、pH、溶解氧及底物利用與產(chǎn)物生成情況。把分、切、接、轉(zhuǎn)、篩、表等基因工程課程的核心內(nèi)容綜合起來(lái)，通過(guò)產(chǎn)淀粉酶細(xì)菌的上罐發(fā)酵將發(fā)酵工程和酶工程實(shí)驗(yàn)完美結(jié)合，形成有序的生物工程上中下游的“鏈”式知識(shí)體系。

表2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

1.2.2 設(shè)計(jì)性子項(xiàng)目貫穿于實(shí)驗(yàn)的綜合主線(xiàn)中

堅(jiān)持教學(xué)與研究相統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，在綜合主線(xiàn)上開(kāi)設(shè)具有設(shè)計(jì)性、可操作性和探索性的子項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)子項(xiàng)目的探究，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高檢索文獻(xiàn)和歸納資料的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力、分析問(wèn)題能力，還有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力。

“酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的綜合主線(xiàn)是以酒精發(fā)酵的原料選擇為起點(diǎn)，采取固定化酵母細(xì)胞和游離酵母細(xì)胞兩種方式進(jìn)行發(fā)酵。在這條主線(xiàn)中，學(xué)生的設(shè)計(jì)性模塊項(xiàng)目及重點(diǎn)問(wèn)題包括：（1）發(fā)酵培養(yǎng)基原料的選擇。每組選取不同原料（如木薯淀粉、糖蜜），查閱資料確定原料預(yù)處理方法，并配制好相應(yīng)的發(fā)酵培養(yǎng)基；（2）固定化細(xì)胞載體材料的選擇。選擇不同的固定化載體（海藻酸鹽、明膠、瓊脂糖、聚丙烯酰胺等），鼓勵(lì)采用新型載體材料制備固定化酵母細(xì)胞，并進(jìn)行固定化細(xì)胞發(fā)酵和游離細(xì)胞發(fā)酵的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對(duì)固定化細(xì)胞的制備實(shí)驗(yàn)興趣高，項(xiàng)目具有很強(qiáng)的實(shí)用性和應(yīng)用性，有助于開(kāi)拓學(xué)生專(zhuān)業(yè)視野，對(duì)學(xué)生就業(yè)能力的提高有所幫助。

“米曲霉固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)中性蛋白酶并分離純化和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”在固態(tài)培養(yǎng)基配方和蛋白酶分離純化環(huán)節(jié)設(shè)置2個(gè)探究性子實(shí)驗(yàn)。（1）固態(tài)培養(yǎng)基配方選擇。要求每組設(shè)計(jì)不同的固態(tài)培養(yǎng)基配方，通過(guò)對(duì)不同培養(yǎng)基成分及配比對(duì)米曲霉產(chǎn)蛋白酶活力的影響進(jìn)行分析，確定適宜的產(chǎn)酶培養(yǎng)基。（2）粗酶液的分離純化。生物產(chǎn)物的分離純化方法眾多，建議學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)室可操作性強(qiáng)，科研、應(yīng)用意義強(qiáng)的技術(shù)方法進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。如采用雙水相萃取技術(shù)和鹽析法，科研成果豐富，文獻(xiàn)資料充足，操作簡(jiǎn)單，可行性強(qiáng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于生物產(chǎn)品的分離純化[11]；雙水相萃取法的關(guān)鍵是選取何種雙水相體系及體系濃度的確定，每組選擇一種雙水相體系，探究3～4個(gè)體系濃度，確定出最佳萃取條件。分離純化過(guò)程是生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，強(qiáng)化學(xué)生發(fā)酵產(chǎn)物提取分離技術(shù)的訓(xùn)練，提高學(xué)生解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的能力。

1.3 評(píng)估學(xué)習(xí)產(chǎn)出

實(shí)驗(yàn)課程所承擔(dān)的任務(wù)，除了加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握外，更重要的是能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)。為了更好地對(duì)學(xué)生綜合能力和素養(yǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)?cè)u(píng)定由實(shí)驗(yàn)方案制定（總分20分）、操作過(guò)程表現(xiàn)（總分20分）、報(bào)告撰寫(xiě)（總分50分）及小組匯報(bào)（總分10分）4部分組成。采用科學(xué)的評(píng)價(jià)方法即課程達(dá)成度計(jì)算法[12-15]，通過(guò)設(shè)計(jì)考核環(huán)節(jié)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)表（表3），根據(jù)考核內(nèi)容、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與需要考核的畢業(yè)要求，建立起合理而全面的關(guān)聯(lián)，對(duì)學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果進(jìn)行整體評(píng)估。

表3 考核環(huán)節(jié)與指標(biāo)體系的關(guān)聯(lián)及指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度

考核環(huán)節(jié)與指標(biāo)體系的關(guān)聯(lián)表包含4個(gè)部分考核環(huán)節(jié)的總分值以及考核環(huán)節(jié)對(duì)指標(biāo)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)此表可計(jì)算指標(biāo)點(diǎn)分項(xiàng)達(dá)成度，方法如式（1）所示。達(dá)成度的計(jì)算，可以全面評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，分析能力與素養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)與不足，指明課程改進(jìn)的方向，達(dá)到改善教學(xué)質(zhì)量的目的，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)的理念。

以指標(biāo)點(diǎn)4.1為例，通過(guò)學(xué)生成績(jī)的原始數(shù)據(jù)采集，具體描述該指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度的計(jì)算過(guò)程。課程對(duì)各個(gè)指標(biāo)點(diǎn)分項(xiàng)達(dá)成度計(jì)算公式為：

從表3和表4可知，指標(biāo)點(diǎn)4.1的達(dá)成度是由實(shí)驗(yàn)方案和報(bào)告撰寫(xiě)2個(gè)環(huán)節(jié)確定。實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)：總分20分，該環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)4.1指標(biāo)點(diǎn)的權(quán)重為0.3，學(xué)生平均得分為16.63分；報(bào)告撰寫(xiě)環(huán)節(jié)：總分50分，該環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)4.1指標(biāo)點(diǎn)的權(quán)重為0.2，學(xué)生平均分為42.07分；按式（1）計(jì)算可得指標(biāo)點(diǎn)4.1的達(dá)成度為（16.63×0.3+42.07×0.2）/（20×0.3+50×0.2）=0.84。

通過(guò)對(duì)廣西大學(xué)生物工程專(zhuān)業(yè)2014級(jí)《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》課程對(duì)支撐畢業(yè)要求的9個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表3），其中有3項(xiàng)指標(biāo)，即指標(biāo)4.2（實(shí)驗(yàn)操作）、指標(biāo)9.1（獨(dú)立完成）和指標(biāo)9.2（團(tuán)隊(duì)協(xié)作）達(dá)成度較高，超過(guò)0.85；但是指標(biāo)3.1（實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)）、指標(biāo)3.2（創(chuàng)新能力）、指標(biāo)4.3（分析問(wèn)題能力）以及指標(biāo)10.1和10.2（交流表達(dá)能力）的達(dá)成度相對(duì)較低，說(shuō)明學(xué)生的知識(shí)性成果和技術(shù)性成果達(dá)成較好，但能力成果的培養(yǎng)達(dá)成需要進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和補(bǔ)充。

表4 支撐指標(biāo)點(diǎn)4.1的考核環(huán)節(jié)原始數(shù)據(jù)采集

2 結(jié)語(yǔ)

《生物工程綜合實(shí)驗(yàn)》課程作為生物工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中的一門(mén)重要的實(shí)踐教學(xué)課程，承擔(dān)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)掌握和驗(yàn)證及學(xué)生工程意識(shí)培養(yǎng)的任務(wù)。通過(guò)基于成果導(dǎo)向教育理念指導(dǎo)下的改革探索與實(shí)踐，堅(jiān)持以學(xué)生為本體和中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向，以持續(xù)改進(jìn)為動(dòng)力，根據(jù)課程支撐的畢業(yè)要求制定教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)手段，制訂課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)策略，學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和工程意識(shí)得到不斷提高。