人工智能發(fā)展下的生物工程設(shè)備課程改革

馬金亮 ， 孫建瑞 ， 古紹彬

(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院 ， 河南 洛陽 471023)

生物工程是生物學(xué)與工程類學(xué)科(機電、信息、材料、化工等)技術(shù)相互交叉的一門新興學(xué)科。生物工程設(shè)備作為生物工程學(xué)科中從理論基礎(chǔ)到應(yīng)用實踐轉(zhuǎn)化的核心工程類課程，對生物相關(guān)行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。不同學(xué)校根據(jù)自己學(xué)院專業(yè)的發(fā)展特色，選擇適合自身定位的生物工程設(shè)備教材。學(xué)生通過掌握該課程涵蓋的基本理論、結(jié)構(gòu)、原理、規(guī)律、規(guī)范，獲得在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中分析和解決問題的能力，提升生物制品、食品、相關(guān)藥品的開發(fā)生產(chǎn)能力，促進生物相關(guān)行業(yè)的平穩(wěn)快速發(fā)展。但是，本課程的實際發(fā)揮效果并不能滿足社會發(fā)展的需要，在課程內(nèi)容和教學(xué)方式上仍然存在很多問題，例如，課程內(nèi)容抽象、陳舊、多而雜，教學(xué)方式局限、多學(xué)科交叉融合不足，學(xué)生自身知識儲備不足和重視程度不夠，直接導(dǎo)致大部分學(xué)生對課程缺乏興趣，很難掌握關(guān)鍵知識點。因此，需要新的教學(xué)模式解決以上問題。在“人工智能+教育”發(fā)展下，“智能”培養(yǎng)模式正在提上課程改革的日程，通過智能學(xué)習(xí)分析技術(shù)，分析學(xué)生的差異性情況，利用已儲存信息為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標和學(xué)習(xí)服務(wù)，提高學(xué)生的課程興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維，為社會的發(fā)展輸送更多的拔尖創(chuàng)新人才[1]。

1 開展啟發(fā)式教學(xué)，注重學(xué)生參與

在“人工智能+教育”背景下，利用人工智能和教學(xué)知識融合，改進教師的教學(xué)方式和理念，培養(yǎng)“人工智能+”創(chuàng)新人才。通過大數(shù)據(jù)實時跟蹤和智能測評，因材施教，實時精準、個性化調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)對象[2]。采用教師和人工智能兩者主輔搭配的“雙師教學(xué)”模式，促進師生角色轉(zhuǎn)變，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，轉(zhuǎn)變“灌輸式”傳統(tǒng)教學(xué)方式為啟發(fā)式教學(xué)。在啟發(fā)式教學(xué)模式中，由教師制定研討主題，在其引導(dǎo)和指導(dǎo)下，學(xué)生主導(dǎo)分析、總結(jié)、解決主題涉及的問題，使學(xué)生被動接受知識轉(zhuǎn)變成主動獲取知識，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

在這個過程中，注重學(xué)生參與，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀意愿，鍛煉學(xué)生深度學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的能力。例如，教師結(jié)合學(xué)生的大數(shù)據(jù)智能測評結(jié)果，科學(xué)合理地建立個性化研究小組，在學(xué)生小組的分工合作下，利用網(wǎng)絡(luò)平臺搜集生物制品和設(shè)備加工企業(yè)的網(wǎng)站、參考文獻、專利等各種資源，實地調(diào)研企業(yè)的設(shè)備，最后整理成系統(tǒng)和規(guī)范的文件。根據(jù)整理調(diào)研的資料，通過PPT匯報主題內(nèi)容，由師生專家組成的評審團進行點評和答疑，最后由教師結(jié)合生物工程設(shè)備課程的基本理論，鞏固涉及到的知識內(nèi)容。通過這樣的一個課程類相關(guān)主題的完整調(diào)研和匯報，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考的能力，讓枯燥乏味的“灌輸式”生物工程設(shè)備課程轉(zhuǎn)變成學(xué)生探索式求知的工具，提高學(xué)生的課程認知能力。

同時，充分利用校內(nèi)外實習(xí)基地，以“實踐導(dǎo)師進課堂”的形式引入企業(yè)人員講解，理論知識與實踐操作并重，使學(xué)生對生物工程設(shè)備的基礎(chǔ)原理從理性認識上升到感性認識，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)和綜合素養(yǎng)。例如，由教師聯(lián)系組織帶隊到知名企業(yè)開展工廠實習(xí)，在企業(yè)技術(shù)員協(xié)作講解下，加強學(xué)生對生物工程設(shè)備及相關(guān)知識的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

2 構(gòu)建合理的課程體系

近年來，隨著智能工業(yè)化程度不斷提高，新技術(shù)和新材料不斷涌現(xiàn)。伴隨發(fā)展的生物工程新設(shè)備也是層出不窮。教學(xué)知識需要與時俱進，補充適應(yīng)生物工程行業(yè)發(fā)展的新知識和新內(nèi)容。一方面，任課教師在課程教學(xué)準備中，盡量搜集新成果、新技術(shù)、新設(shè)備，使教學(xué)內(nèi)容更具前沿性；同時，融入人工智能對生物工程設(shè)備發(fā)展的影響，建立學(xué)生的人工智能意識形態(tài)，適應(yīng)智能化發(fā)展需求。另一方面，學(xué)院需要通過繼續(xù)深造、企業(yè)合作、人才引進等加強自身的師資隊伍，提升教師隊伍的多學(xué)科交叉能力和人工智能素養(yǎng)，提高課程知識更新能力。

在課程內(nèi)容準備中，盡量引入生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備圖片和錄像。把理論知識滲透到實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及生產(chǎn)實習(xí)等實踐教學(xué)過程中。充分利用專項經(jīng)費和國家工程研究中心，加強實驗室建設(shè)力度，開設(shè)生物工程設(shè)備大實驗，深化實踐教學(xué)，進一步提高本科生實驗設(shè)計和科研的能力。加強生物工程設(shè)備課程設(shè)計，根據(jù)工藝流程和工廠要求，開展單機設(shè)備的完整成套化設(shè)計，加深理論知識應(yīng)用。

課程體系直接決定了學(xué)生是否能夠深度理解和掌握課程知識。為了適應(yīng)課程的全面發(fā)展，學(xué)院需要開設(shè)合理的課程體系，按需選擇合適的教材，讓學(xué)生更容易了解和掌握課程內(nèi)容。該課程作為大學(xué)所學(xué)內(nèi)容的一門綜合應(yīng)用課程，需要在課程體系上設(shè)置合理的教學(xué)順序，加強微生物學(xué)、生物化學(xué)、化工原理、發(fā)酵工藝學(xué)等知識儲備。所以，生物工程設(shè)備一般設(shè)置在大學(xué)的最后一年。但是，學(xué)生處于升學(xué)和就業(yè)壓力，對課程的投入時間有限，這就要求精簡內(nèi)容。加強授課老師的聯(lián)系交流，避免和相關(guān)課程的內(nèi)容重復(fù)，結(jié)合企業(yè)選擇代表性設(shè)備重點講解，縮短教學(xué)時間。利用本課程理論知識，反過來輔助別的課程建設(shè)和發(fā)展，如生物工程工廠設(shè)計。

3 探索智能化教學(xué)模式

人工智能正促使教育的新一輪改革。2018年教育部發(fā)布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》。生物工程設(shè)備課程內(nèi)容包括很多圖表、方程式、二維圖片，由于學(xué)生無生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)歷，很難精準地理解和運用相關(guān)知識。大部分教學(xué)內(nèi)容圖片缺乏直觀性和立體效果，需要更高的空間想象力才能深入了解機械設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理。尤其是2020年開始的新冠病毒疫情，顯現(xiàn)出傳統(tǒng)的教學(xué)技術(shù)已很難滿足教學(xué)發(fā)展的需要，網(wǎng)絡(luò)化和智能化教學(xué)越來越重要。對于生物工程設(shè)備課程，需要開發(fā)立體化圖片和設(shè)備實物模型，制作視頻錄像、動畫演示、多媒體信息平臺，開展計算機仿真技術(shù)，建設(shè)在線精品開放課程，加強手機等現(xiàn)代化電子設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用。利用智能化技術(shù)，建立智慧教室，監(jiān)控、識別、分析和提取教學(xué)行為，開發(fā)“虛擬教學(xué)助理”，通過智能深度學(xué)習(xí)教師的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計評分，協(xié)作完成教師的教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)，保證了教師對學(xué)生個性化指導(dǎo)的精力，打造“人工智能+課程”教學(xué)平臺。傳統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合、智能模式融合的多元化教學(xué)模式。面對“人機共教”智能教育時代的到來，教師和人工智能需要協(xié)同共進，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者的個性化和精準化。

4 結(jié)語

生物工程設(shè)備課程的高效開展對培養(yǎng)生物相關(guān)行業(yè)的高精尖人才具有非常重要的意義。在實際教學(xué)實踐中，要求任課教師適應(yīng)人工智能時代的發(fā)展，充分利用新教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)技術(shù)，探索新的人工智能教學(xué)模式，加強以學(xué)生為中心的個性化培養(yǎng)方式，讓枯燥乏味的課程轉(zhuǎn)變成生動形象的課程，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，適應(yīng)時代的發(fā)展。