生物工程設(shè)備與設(shè)計課程教學(xué)改革與實踐

曾 昕，徐大勇，曾化偉，李 峰①

（淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北235000）

0 引言

2018年國家7項戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的4項（新能源、新材料、生命科學(xué)及生物醫(yī)藥）均涉及生命科學(xué)的工程化應(yīng)用，這不僅為本科生物工程專業(yè)建設(shè)及人才培養(yǎng)指明新道路，同時還提出更高的要求. 相比生命科學(xué)理科類專業(yè)（生物科學(xué)、生物技術(shù)等），生物工程培養(yǎng)更關(guān)注于應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)和工程工藝的構(gòu)建，工科特點明顯［1］. 傳統(tǒng)師范院校大多傾向于基礎(chǔ)理論教學(xué)，而在實踐要求較高的工科專業(yè)人才培育上尚較薄弱［2］. 在向綜合型大學(xué)轉(zhuǎn)型的大趨勢下，如何補齊固有短板、辦好“工科”專業(yè)已成為我國師范類院校目前共同面對的問題.

培育工科專業(yè)人才，不僅需要進行系統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)知識傳授，還需要強化工程思維，加大專業(yè)實踐，生物工程專業(yè)的人才培養(yǎng)也不例外. 淮北師范大學(xué)生物工程專業(yè)課主要有微生物工程、生物工藝學(xué)、生物分離工程及生物工程設(shè)備與設(shè)計，這4 門專業(yè)課相互銜接，較系統(tǒng)地涵蓋整個生物制造的產(chǎn)業(yè)化流程［3］. 其中，生物工程設(shè)備與設(shè)計課程是其他工程類專業(yè)課的重要基礎(chǔ)，此課程要求學(xué)生能夠認識生物工廠中的常用儀器設(shè)備，掌握設(shè)備的工作原理，并初步具備專業(yè)設(shè)備的工業(yè)設(shè)計能力［4］. 因此，要辦好實踐性強的生物工程專業(yè)，必然要夯實專業(yè)基礎(chǔ)課程，而生物工程設(shè)備與設(shè)計課程教學(xué)改革已然成為生物工程專業(yè)建設(shè)中的關(guān)鍵.

1 存在的問題

1.1 學(xué)生對設(shè)備的前期感官認識薄弱

目前，生物工程設(shè)備與設(shè)計課程教學(xué)幾乎全部依賴于課堂講授，值得注意的是，傳統(tǒng)課堂式教學(xué)無法提供給學(xué)生接觸和操作專業(yè)設(shè)備的機會，教學(xué)效果十分有限. 一直以來，理性認識均需要建立在感性認識的基礎(chǔ)上. 學(xué)生在沒有見到真實儀器設(shè)備之前，很難憑空想象出設(shè)備的空間架構(gòu)；而學(xué)生腦海中若沒有設(shè)備的基本畫面，要理解設(shè)備構(gòu)造、設(shè)計原理及運行方式則更無從談起. 盡管課堂教學(xué)中可借助微縮模型、幻燈片、視頻、仿真軟件展示部分專業(yè)設(shè)備的外觀圖、結(jié)構(gòu)圖及運行規(guī)律，但這僅可對已存在的認識加以鞏固，卻仍無法替代專業(yè)設(shè)備的現(xiàn)實接觸環(huán)節(jié). 因此，如何預(yù)先奠定學(xué)生對專業(yè)設(shè)備的感性認識，對后期課程教學(xué)極為重要.

1.2 教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時少，知識點易片段化

生物工程設(shè)備與設(shè)計課程主要分為發(fā)酵原料預(yù)處理、微生物反應(yīng)器、產(chǎn)物分離提取和輔助設(shè)備體系4部分，每部分涉及的設(shè)備種類較多，構(gòu)型和運行原理差異大，若要全部講授，不僅學(xué)時不夠，還會影響教學(xué)深度和系統(tǒng)性，教學(xué)效果差. 此外，現(xiàn)實發(fā)酵生產(chǎn)中的一種生物產(chǎn)品常對應(yīng)多種生產(chǎn)工藝和設(shè)備，如不分重點進行“滿堂灌”，將削弱設(shè)備之間的工藝聯(lián)系，使知識點片段化，進而加速遺忘，降低學(xué)生對知識的靈活運用能力，嚴重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性. 因此，如何設(shè)置教學(xué)主線，精簡教學(xué)內(nèi)容，增強各生物制造環(huán)節(jié)所用設(shè)備的聯(lián)系，將是優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的重點.

1.3 缺少操作實踐來鞏固課堂知識體系

生物工程設(shè)備與設(shè)計課程應(yīng)用性強，與工業(yè)化實踐關(guān)系甚為緊密. 課程結(jié)束后，如若不進行鞏固，前期所學(xué)知識將失去落腳點而變得易遺忘，最終使得教學(xué)效果大打折扣. 同時，作為一門應(yīng)用性較強的課程，其課程考核方式目前僅限于理論考試，尚沒有以學(xué)生實踐能力為導(dǎo)向的考核形式，如此不利于評估學(xué)生的真實能力. 課后操作實踐是解決這一問題的有效手段，其不僅可鞏固課程知識點，還可培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識來進行設(shè)備操作的能力. 遺憾的是，現(xiàn)階段大部分高校資源有限，無法提供足夠的專業(yè)設(shè)備用于教學(xué)，本課程的課后實踐鞏固和實踐考核推行難度大. 如何解決實踐資源不足的問題將是知識體系課后鞏固的關(guān)鍵.

2 生物工程設(shè)備與設(shè)計課程“三位一體”教學(xué)體系的構(gòu)建與實踐

2.1 傳統(tǒng)生物工程設(shè)備與設(shè)計課程教學(xué)體系

傳統(tǒng)教學(xué)體系主要包括課堂教學(xué)、課堂考勤、課后作業(yè)和期末考核. 總評成績由課堂考勤（15%）、課后作業(yè)（15%）和期末考試（70%）構(gòu)成. 教學(xué)按照課程章節(jié)的順序進行，分別是生物質(zhì)原料處理設(shè)備、生物反應(yīng)器、產(chǎn)物分離設(shè)備和過程輔助設(shè)備. 本體系特點在于根據(jù)不同的生物制造環(huán)節(jié)，分別講述各環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備特點. 由于設(shè)備種類繁多，選型和原理各異，要想學(xué)生在短短兩節(jié)課（90 min）記住多種復(fù)雜設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并理解其運行的原理，尚有一定難度. 因為課程安排的關(guān)系，一個生物制造環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備往往需要經(jīng)過2-3周的時間才能講完，此時再講授下一環(huán)節(jié)，難免會造成前后知識點的有機聯(lián)系被切斷，其多環(huán)節(jié)間的設(shè)備適配性更無從談起.

2.2 “三位一體”教學(xué)體系的構(gòu)建

為全面提升生物工程設(shè)備與設(shè)計課程的教學(xué)效果，本文構(gòu)建以“課前——工廠實地學(xué)習(xí)、課堂——經(jīng)典主線引導(dǎo)、課后——虛擬仿真鞏固及考核”為基礎(chǔ)的“三位一體”教學(xué)體系.

圖1 “三位一體”教學(xué)體系的構(gòu)建

2.2.1 校企合作拓展，課前工廠實地學(xué)習(xí)交流

高校的專業(yè)設(shè)備主要用于科研和教學(xué)，一般性能完備，精度較高，適合從事小型實驗和生產(chǎn)；企業(yè)中的專業(yè)設(shè)備主要用于技術(shù)放大和產(chǎn)品生產(chǎn)，實用性更強，處理量和布置規(guī)模較大，工藝連貫性強，適用于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn). 顯然，高校和企業(yè)中的設(shè)備差別較大，但是互補性極強. 若能在本科教學(xué)中整合校企雙方的設(shè)備資源，則可為學(xué)生提供更為全面的學(xué)習(xí)素材，并在學(xué)生腦海中初步構(gòu)建設(shè)備的基本構(gòu)造、運行原理和相應(yīng)的工藝流程，從而為后期理論學(xué)習(xí)奠定堅實的感性認識基礎(chǔ)［5］.

目前，我校生物工程專業(yè)已和10余家生物企業(yè)進行產(chǎn)學(xué)研和專業(yè)實踐基地的合作，其中不乏有安徽豐原集團這類擁有著雄厚專業(yè)設(shè)備資源的大型企業(yè). 若能借助合作企業(yè)的生產(chǎn)平臺來補充高校在實踐和專業(yè)設(shè)備上的短板，則能形成協(xié)同效應(yīng)，從而大幅提高生物工程設(shè)備與設(shè)計課程教學(xué)質(zhì)量［6］. 近年來，校企合作課程在實踐性較強的學(xué)科專業(yè)中發(fā)展迅猛［7］，已有多種校企合作課程模式成功運用于市場營銷、化學(xué)工程與工藝、通信工程等經(jīng)管、化工、物電的專業(yè)課程建設(shè)上. 在生物工程課程改革方面，以蚌埠學(xué)院、湖南科技學(xué)院為代表的一些高校選擇應(yīng)用性較強的課程進行“校企合作教學(xué)”試點，取得積極的成果［8-9］. 本文從淮北師范大學(xué)實際情況出發(fā)，在生物工程設(shè)備與設(shè)計課堂教學(xué)的前期引入工廠短期實地學(xué)習(xí)，以強化學(xué)生對專業(yè)設(shè)備的感性認識，為后期課堂理論教學(xué)奠定基礎(chǔ).

2.2.2 以經(jīng)典生物工藝學(xué)主線引導(dǎo)課堂教學(xué)，全流程專業(yè)設(shè)備交融

針對課堂理論教學(xué)中出現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時少，知識點易片段化的問題［10］，筆者以3～4組經(jīng)典生物產(chǎn)品制造（酒精發(fā)酵、賴氨酸發(fā)酵、檸檬酸發(fā)酵、青霉素發(fā)酵）過程為主線，根據(jù)生物工藝學(xué)中的邏輯結(jié)構(gòu)將相關(guān)設(shè)備按工藝的先后順序進行串聯(lián)，以強化各設(shè)備之間的邏輯聯(lián)系. 主線的引導(dǎo)可突出教學(xué)重點，將機械記憶轉(zhuǎn)化為知識網(wǎng)記憶，提高知識的靈活性和有機聯(lián)系. 例如，在以賴氨酸發(fā)酵引導(dǎo)的設(shè)備教學(xué)主線中，筆者以原料的前處理設(shè)備（包括玉米原料除雜、篩選、粉碎，原料運輸，玉米淀粉糊化、糖化，培養(yǎng)基配制、高溫滅菌），生物發(fā)酵過程設(shè)備（液態(tài)發(fā)酵罐基本結(jié)構(gòu)、運行原理及維護保養(yǎng)，發(fā)酵無菌空氣制備和供給），及產(chǎn)物分離純化設(shè)備（發(fā)酵液固液分離、離子交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥）的順序進行講授. 如此，學(xué)生不僅可將專業(yè)設(shè)備和具體的生產(chǎn)工序聯(lián)系起來，還能依照對應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)理清各設(shè)備之間的邏輯關(guān)系.基于此，面對不同的生物產(chǎn)品，學(xué)生可針對其特定生產(chǎn)流程進行“舉一反三”，進行專業(yè)設(shè)備的選型和設(shè)計，從而掌握靈活運用專業(yè)知識解決現(xiàn)實需求的技能.

圖2 以賴氨酸生物合成工藝學(xué)為主線的生物工程設(shè)備知識網(wǎng)絡(luò)

2.2.3 基于虛擬仿真實踐平臺，設(shè)置課后訓(xùn)練及考核新模式

除前期預(yù)習(xí)、企業(yè)實物接觸外，生物工程設(shè)備與設(shè)計課堂上講授的理論知識還需結(jié)合后期實踐操作來鞏固. 然而，值得注意的是，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前從未參加過生產(chǎn)實踐培訓(xùn)與實習(xí)，并不具備直接操作相關(guān)設(shè)備的能力. 因此，“課后采用何種方式對課程知識體系加以鞏固”成為亟待解決的新問題.

教學(xué)e時代的發(fā)展帶來一種以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的“虛擬仿真”實踐教學(xué)新模式［11］. 該模式依賴的“虛擬仿真實踐平臺”采用HTML、3DSMAX、CGI、JAVA及Unity3D技術(shù)，對復(fù)雜的生物發(fā)酵過程進行模擬，并將生產(chǎn)流程和專業(yè)設(shè)備進行有機整合，這為課后進行理論知識鞏固和實踐操作訓(xùn)練提供條件. 教師以電腦主機發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令，開啟某類生物產(chǎn)品生產(chǎn)線，學(xué)生通過終端平臺在電腦中如真實操作一般控制虛擬設(shè)備，完成產(chǎn)品的發(fā)酵、提取步驟. 不同生物產(chǎn)品的生產(chǎn)對專業(yè)設(shè)備的需求不同，而虛擬仿真平臺可以在軟件中嵌入多種生物產(chǎn)品發(fā)酵實例，因此，虛擬仿真實踐平臺能夠為生物工程設(shè)備與設(shè)計課程提供大量的設(shè)備學(xué)習(xí)素材，強化設(shè)備之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生建立專業(yè)知識體系. 同時，虛擬仿真平臺還可對課程進行考核，學(xué)生需要理解整個生產(chǎn)流程和相關(guān)設(shè)備的運行原理，并在電腦中正確設(shè)定參數(shù)、調(diào)節(jié)開關(guān)閥門，其考核成績不僅能反映學(xué)生對設(shè)備和流程的理解程度，還能反映學(xué)生對生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程的實際操控能力. 此外，虛擬仿真實踐平臺不受實際生產(chǎn)周期和場地的影響，學(xué)生可以在任何時間登陸進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，故該模式可突破傳統(tǒng)教學(xué)的時空限制，使得學(xué)生的虛擬實踐更為自主、靈活和多元，有助于對前期的理論學(xué)習(xí)內(nèi)容進行鞏固和深化. 目前，淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已經(jīng)建立生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐平臺［12］，可為本課程后期學(xué)習(xí)鞏固及操作考核提供支撐.

3 “三位一體”教學(xué)體系的應(yīng)用實踐

基于前期構(gòu)建的“三位一體”教學(xué)體系，本文分別采用傳統(tǒng)教學(xué)方式及新型教學(xué)體系，在2014 級、2015級、2016級生物工程專業(yè)本科生生物工程設(shè)備與設(shè)計課程中進行教學(xué)實踐. 以上連續(xù)3屆本科生均分為2個班，共420人，其中每個年級的1班為對照組，進行傳統(tǒng)體系教學(xué)，2班為處理組，借助新體系完成教學(xué). 經(jīng)比較分析，以上2組同學(xué)在年齡、性別和課程進度上均無顯著差異. 在課程全部結(jié)束后，采用調(diào)查問卷、期末理論知識筆試和虛擬仿真模擬操作的形式，來獲得各年級學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，并評估學(xué)生在基礎(chǔ)理論知識上的掌握情況和在虛擬實踐能力上的差異，以考察新型教學(xué)體系在本課程中的教學(xué)效果.

a）學(xué)生自我評估. 在課程結(jié)束后，通過讓學(xué)生填寫調(diào)查問卷以了解學(xué)生對此門課程的總體評價，主

要分為學(xué)習(xí)興趣、知識掌握程度、創(chuàng)新思維培養(yǎng)和實踐能力4各方面（表1）. 本調(diào)查結(jié)果表明“三位

一體”新教學(xué)體系可增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其綜合學(xué)習(xí)能力，并取得良好的教學(xué)效果.

表1 學(xué)生自我評價情況 %

b）學(xué)生理論知識考核. 在課程結(jié)束后，筆者對2014級、2015級和2016級生物工程專業(yè)學(xué)生的生物工程設(shè)備與設(shè)計課程期末理論考試成績進行統(tǒng)計，并將實驗組和對照組進行比較（表2）. 結(jié)果顯示，新教學(xué)體系可顯著提高學(xué)生對本課程基礎(chǔ)知識的掌握程度.

表2 學(xué)生期末理論考試平均成績比較

c）學(xué)生虛擬仿真實踐能力比較. 為初步考察新教學(xué)體系在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力上的效果，筆者在課程結(jié)束后，借助虛擬仿真實踐平臺，隨機選取4組經(jīng)典生物產(chǎn)品制造工藝學(xué)流程，針對其中各設(shè)備的操作和維護進行上機考核，電腦將按照學(xué)生的操作情況給出分數(shù). 如表3所示，對2014級、2015級和2016級生物工程專業(yè)學(xué)生的生物工程設(shè)備與設(shè)計課程期末理論考試成績進行統(tǒng)計，并將實驗組和對照組進行比較（表3）. 結(jié)果顯示，新教學(xué)體系可明顯強化學(xué)生對工藝流程的理解，并提高相關(guān)設(shè)備的實踐操作能力.

表3 學(xué)生虛擬仿真操作考核平均成績比較

4 結(jié)語

在高校生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)中，生物工程是典型的“工科”專業(yè)，其人才培養(yǎng)不僅需要傳授生命科學(xué)理論知識，更側(cè)重提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力. 針對生物工程設(shè)備與設(shè)計課程目前主要存在的3類問題，本文提出“課前-課堂-課后”三位一體綜合改革方案，即：（1）拓展校企合作，課前工廠實地學(xué)習(xí)交流；（2）以經(jīng)典生物工藝學(xué)主線引導(dǎo)課堂教學(xué)，強化專業(yè)設(shè)備的相互聯(lián)系；（3）基于虛擬仿真實踐平臺，構(gòu)建課后訓(xùn)練及考核新模式，鍛煉實踐操作與應(yīng)用的能力. 本課題結(jié)合我校理工科人才“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同培養(yǎng)方針，以及當(dāng)前“計算機網(wǎng)絡(luò)”輔助教學(xué)的大趨勢，制定與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標相適應(yīng)的教學(xué)新模式，該模式近3年的實行顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識掌握程度和實踐能力. 本教學(xué)改革研究不僅是對本科師范院校生命科學(xué)中工程類專業(yè)課程教學(xué)模式的積極探索，還將為“課前-課堂-課后”三位一體新模式在其他理工科專業(yè)教學(xué)改革中的推廣提供重要參考.