新工科背景下生物工程五層次實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

馮遠(yuǎn)航，陳濤，財(cái)音青格樂(lè)，張傳波，盧文玉

天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350

2017年，教育部提出：為深化工程教育改革，推進(jìn)新工科的教育和發(fā)展[1]。在加快建設(shè)和發(fā)展新工科的“復(fù)旦共識(shí)”后，天津大學(xué)提出了“天大行動(dòng)”，重點(diǎn)把握學(xué)與教、實(shí)踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、本土化與國(guó)際化3個(gè)任務(wù)，努力在推動(dòng)協(xié)同育人、人才培養(yǎng)與國(guó)家需求相適應(yīng)、讓工程教育回歸工程方面有所突破[2]。

在“新工科”中，“新”包含新興、新型和新生，其中“新型”是指對(duì)傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的 (舊) 學(xué)科進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)，包括對(duì)內(nèi)涵的拓展、培養(yǎng)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變或提高、培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新等，而形成的新學(xué)科[3]。

生物工程專業(yè)作為新型工科，如何繼承與創(chuàng)新，面對(duì)新理念、新要求、新途徑，值得我們思考。2019年生物工程專業(yè)通過(guò)了國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證，在教學(xué)理念、知識(shí)體系、人才培養(yǎng)方面都有所改革和提高，增強(qiáng)了畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力。增強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是新工科建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)之一，生物工程專業(yè)注重延展實(shí)踐育人平臺(tái)，強(qiáng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)實(shí)踐、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，構(gòu)建合理的實(shí)踐教學(xué)體系，保障培養(yǎng)實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

新工科實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，不僅開(kāi)設(shè)專業(yè)理論課程牢固基礎(chǔ)，還遵循實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建原則[4]。構(gòu)建基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、科研實(shí)踐、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等五層次教學(xué)體系，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、國(guó)際科技競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、企業(yè)教學(xué)基地實(shí)習(xí)、校企聯(lián)合的畢業(yè)論文等內(nèi)容相融合，搭建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)[5]，一方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與意識(shí)，同時(shí)也鼓勵(lì)專業(yè)教師、企業(yè)導(dǎo)師投身其中，將科學(xué)研究與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的卓越人才。推進(jìn)“產(chǎn)-學(xué)-研融合”、“國(guó)內(nèi)-國(guó)際培養(yǎng)融合”、“教-研-學(xué)融合”，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)形成一個(gè)整體。

1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，夯實(shí)實(shí)踐基礎(chǔ)

1.1 改進(jìn)基礎(chǔ)驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)課堂組織模式，培養(yǎng)良好科研習(xí)慣

按照理論知識(shí)同實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐緊密結(jié)合的原則，從生物工程人才培養(yǎng)的系統(tǒng)性出發(fā)，以畢業(yè)要求達(dá)成為目標(biāo)，科學(xué)系統(tǒng)地設(shè)置了適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成一個(gè)有機(jī)整體[6]。

化學(xué)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在大一、大二學(xué)年開(kāi)設(shè)，均為二人一組，使學(xué)生掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的基本操作技能，深入理解化學(xué)有關(guān)的基本理論，通過(guò)實(shí)踐操作、數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算和書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研態(tài)度，使學(xué)生在學(xué)習(xí)生物知識(shí)前打牢化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，理解生命過(guò)程中的化學(xué)問(wèn)題，為解決生命過(guò)程的復(fù)雜工程問(wèn)題奠定化學(xué)基礎(chǔ)。

生物類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重良好科研習(xí)慣的培養(yǎng)，如生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果必須經(jīng)任課或?qū)嶒?yàn)教師簽字確認(rèn)無(wú)數(shù)據(jù)修改，讓學(xué)生明白原始數(shù)據(jù)的重要性，培養(yǎng)實(shí)事求是的科研態(tài)度。將啟發(fā)式教學(xué)、反轉(zhuǎn)課堂引入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣，如微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)嘗試讓學(xué)生自己分離土壤菌株，在一系列的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中同步鑒定，最終確認(rèn)菌株基本情況。建立課程微信群，學(xué)生把觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果拍照上傳，教師對(duì)其結(jié)果點(diǎn)評(píng)指導(dǎo)，同時(shí)方便學(xué)生交流討論[7]。

1.2 綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)科研教學(xué)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)“教-研-學(xué)融合”

化工技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備全部由教師依托科研項(xiàng)目自主開(kāi)發(fā)完成，內(nèi)容包括化工安全知識(shí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)，流體流動(dòng)過(guò)程、傳熱、精餾、吸收、萃取、干燥等綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生意識(shí)到理論與化工過(guò)程實(shí)踐之間的聯(lián)系和區(qū)別，在實(shí)踐過(guò)程中意識(shí)到不斷學(xué)習(xí)的必要性，從而具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。

基因工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中“基因敲除實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目由任課教師的973項(xiàng)目“生物基材料生物合成新途徑的設(shè)計(jì)與組裝”轉(zhuǎn)化而來(lái)，教師在科研工作中緊跟專業(yè)的最新研究進(jìn)展，將其引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，使課堂教學(xué)的內(nèi)容更具有前沿性。

生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)為生產(chǎn)模擬綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、按照生產(chǎn)工藝路線安裝和連接實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面的技能，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的總結(jié)提升，其中基因重組大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)綠色熒光蛋白的實(shí)驗(yàn)由任課教師的科研課題轉(zhuǎn)化而來(lái)，實(shí)驗(yàn)條件成熟，可重復(fù)性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果良好。

將科研成果與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，將國(guó)際前沿科技進(jìn)展及時(shí)有效地融入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生展現(xiàn)最新研究理念和科研成果，使學(xué)生的前沿知識(shí)水平和科研創(chuàng)新能力大幅提高。

2 強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)工程管理能力

《化工傳質(zhì)與分離過(guò)程課程設(shè)計(jì)》是在學(xué)生具備了“高等數(shù)學(xué)”、“物理化學(xué)”、“計(jì)算技術(shù)”、“化工流體流動(dòng)與傳熱”、“化工原理”等課程的基礎(chǔ)知識(shí)后的一次綜合性、實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。本課程要求學(xué)生選擇“蒸發(fā)”、“精餾”、“吸收”、“干燥”、“結(jié)晶”任一過(guò)程，針對(duì)任務(wù)完成相應(yīng)的工藝流程設(shè)計(jì)、非定型設(shè)備的設(shè)計(jì)和定型設(shè)備的選型。學(xué)生通過(guò)此課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，能夠設(shè)計(jì)滿足特定需求的單元，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。將生物工程與化學(xué)工程等內(nèi)容交叉融合，拓寬培養(yǎng)目標(biāo)，強(qiáng)化工程能力培養(yǎng)，讓工程教育回歸工程。

《專業(yè)課程設(shè)計(jì)》以生物反應(yīng)工程為基礎(chǔ)，通過(guò)運(yùn)用生物工藝學(xué)的方法，進(jìn)行生化反應(yīng)過(guò)程的工程分析與開(kāi)發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和操作規(guī)范設(shè)定。圍繞設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，大家互相討論，互相解答困惑，讓知識(shí)點(diǎn)更加印象深刻，提供設(shè)計(jì)效率。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

圖1 生物工程專業(yè)五層次實(shí)踐教學(xué)體系Fig.1 Five-level practical teaching system of bioengineering.

3 搭建科研實(shí)踐平臺(tái)，訓(xùn)練前沿科研創(chuàng)新能力

生物工程專業(yè)建有系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津市生物與制藥工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，這些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向生物工程專業(yè)本科生開(kāi)放。學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、iGEM、BioMod等國(guó)際高水平競(jìng)賽、畢業(yè)論文、畢業(yè)設(shè)計(jì)階段可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與課題學(xué)習(xí)，為本科生的培養(yǎng)提供強(qiáng)有力的支撐平臺(tái)。豐富了學(xué)生海外學(xué)術(shù)交流經(jīng)歷，拓展學(xué)生全球視野。

推行暑期彈性學(xué)習(xí)，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、iGEM和BioMod國(guó)際競(jìng)賽以項(xiàng)目為紐帶，實(shí)施全程導(dǎo)師制，實(shí)行研究興趣小組學(xué)習(xí)計(jì)劃、輪值組長(zhǎng)制，本科生直接參與國(guó)家重大重點(diǎn)前沿科研項(xiàng)目。項(xiàng)目實(shí)施階段，以學(xué)術(shù)卓越為導(dǎo)向，通過(guò)頭腦風(fēng)暴、團(tuán)隊(duì)合作、項(xiàng)目實(shí)踐，使學(xué)有余力的學(xué)生從大二開(kāi)始接受科研訓(xùn)練，有利于貫通本、碩、博學(xué)習(xí)[8]。學(xué)生的學(xué)術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)造力、組織協(xié)調(diào)力、領(lǐng)導(dǎo)力得到大幅提高。

本專業(yè)畢業(yè)論文針對(duì)生物工程領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合科研和實(shí)際需求，選取生物分離工程、系統(tǒng)與合成生物學(xué)、生物醫(yī)藥、納米材料、代謝工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程、現(xiàn)代中藥等方向課題供本科生選擇，使本科生能夠參與到各種科研項(xiàng)目中，以實(shí)際問(wèn)題推動(dòng)學(xué)習(xí)進(jìn)程，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決相關(guān)實(shí)際問(wèn)題，掌握查閱文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等能力，全面提高其科研綜合素質(zhì)。

4 建設(shè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力

本專業(yè)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)包括認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和生物制藥仿真實(shí)習(xí)。

認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)內(nèi)容包括兩部分。一是在校內(nèi)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)基地參觀，包括各種常用化工設(shè)備如各種塔器、換熱器、泵、風(fēng)機(jī)的實(shí)物和模型，合成氨現(xiàn)場(chǎng)流程模擬等，增加同學(xué)對(duì)各種單元設(shè)備的認(rèn)識(shí)。二是在校外實(shí)習(xí)基地現(xiàn)場(chǎng)參觀，學(xué)生在教師和工程技術(shù)人員的帶領(lǐng)下，參觀生產(chǎn)流程，增加對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為即將學(xué)習(xí)的化工原理課程和其他學(xué)科基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)奠定感性基礎(chǔ)，實(shí)踐證明效果很好。

生產(chǎn)實(shí)習(xí)包括在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)并撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告。內(nèi)容包括了解企業(yè)基本情況、熟悉生產(chǎn)工藝流程、工藝控制方案、各種安全管理制度、進(jìn)行主要設(shè)備的工藝計(jì)算、查定和工藝設(shè)計(jì)、帶控制點(diǎn)生產(chǎn)工藝流程圖的繪制、對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)的看法等，使學(xué)生將理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)，培養(yǎng)分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

生物制藥仿真實(shí)習(xí)主要利用“青霉素生產(chǎn)工藝仿真軟件”進(jìn)行訓(xùn)練，內(nèi)容包括工藝流程介紹、主要操作參數(shù)的說(shuō)明和控制系統(tǒng)說(shuō)明，使學(xué)生掌握間歇反應(yīng)的基本原理和操作流程，熟練進(jìn)行開(kāi)、停車。掌握間歇反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況能熟練進(jìn)行生產(chǎn)的控制調(diào)節(jié)，能迅速辨別并解決系統(tǒng)設(shè)定的事故。

依托學(xué)校優(yōu)質(zhì)教學(xué)科研資源，協(xié)同校外企業(yè)實(shí)踐中心等資源，建立基于系統(tǒng)與合成生物學(xué)、新生物醫(yī)藥、新型環(huán)境生物技術(shù)、清潔生物能源等新工科不同研究方向的校企聯(lián)合實(shí)踐基地5個(gè)。基地每年接待本科生50余人，解決了學(xué)生的企業(yè)實(shí)習(xí)空間。實(shí)習(xí)、實(shí)踐內(nèi)容豐富，企業(yè)管理規(guī)范，取得了良好的實(shí)習(xí)、實(shí)踐效果。

通過(guò)與校內(nèi)外企業(yè)合作共建實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)基地，本專業(yè)在教學(xué)過(guò)程中為全部學(xué)生提供了參與工程實(shí)踐的平臺(tái)，部分學(xué)生能夠到科研實(shí)訓(xùn)基地做畢業(yè)設(shè)計(jì)，實(shí)行雙導(dǎo)師制[9]，強(qiáng)化企業(yè)導(dǎo)師從課程學(xué)習(xí)到畢業(yè)答辯的全程參與，使學(xué)生得到充分的工程鍛煉。

5 結(jié)語(yǔ)

天津大學(xué)生物工程專業(yè)作為首批進(jìn)入卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的專業(yè)[10]，長(zhǎng)期致力于以提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目標(biāo)的工程教育改革。新工科時(shí)代對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提出了更高要求，生物工程專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)進(jìn)程中，完善了培養(yǎng)方案，進(jìn)行了課程體系調(diào)整，設(shè)置多層次實(shí)踐教學(xué)體系，加強(qiáng)校企聯(lián)合，使培養(yǎng)的學(xué)生更適應(yīng)時(shí)代需求。

教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、與時(shí)俱進(jìn)的工作，天津大學(xué)生物工程專業(yè)將繼續(xù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革，探索新工科時(shí)代卓越人才的培養(yǎng)模式，服務(wù)生物產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)。