基于CDIO模式的微生物工程課程改革探究

聶春雨 郎亞軍 殷亞杰 任國(guó)領(lǐng) 袁改霞 張志國(guó)

摘要 微生物工程作為生物技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)核心課程，對(duì)學(xué)生工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)具有重要作用。通過引入CDIO教學(xué)模式，以“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作”為目標(biāo)導(dǎo)向，對(duì)微生物工程課程的理論教學(xué)和考核方式進(jìn)行了改革。此次改革充分發(fā)揮了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，提高了學(xué)生對(duì)微生物工程知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，教學(xué)效果明顯。

關(guān)鍵詞 微生物工程;CDIO模式;課程改革

中圖分類號(hào) S-01-? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）13-0274-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.069

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on the Reform of Microbial Engineering Curriculum Based on CDIO Model

NIE Chun yu1，2，LANG Ya jun1，2， YIN Ya jie1，2 et al

（1.School of Biological Engineering， Daqing Normal College， Daqing，Heilongjiang 163712;2.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Oilfield Applied Chemistry and Technology， Daqing，Heilongjiang 163712）

Abstract Microbial engineering is an important core course of biotechnology major， and has an important role for cultivating the engineering design， engineering practice and innovative thinking of undergraduates. This paper introduced CDIO teaching model to make the reform on the theory teaching and assessment methods of microbial engineering course with “conceive design implement operate” as the goal orientation. This reform gave full play to the student centered teaching concept， improved students understanding and mastery of microbiological engineering knowledge， and cultivated students innovative ability， practical ability and team cooperation ability， and the teaching effect was obvious.

Key words Microbial engineering;CDIO model;Curriculum reform

21世紀(jì)初期，美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所高校提出了以學(xué)生為主體，注重學(xué)生知識(shí)-能力-素質(zhì)綜合培養(yǎng)的CDIO（conceive-design-implement-operate）教育模式[1]。該模式倡導(dǎo)“做中學(xué)”（learning by doing）和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”（project based education and learning）理念[2]。鼓勵(lì)學(xué)生參與整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中扮演不同的角色，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”;同時(shí)，以完成項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生積極投入工作并認(rèn)真思考，真正培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力[3]。CDIO模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)過程中以教師為主，重理論、輕實(shí)踐的不足，尤其是對(duì)于應(yīng)用型高校理工科專業(yè)和實(shí)踐性較強(qiáng)的工程類課程，CDIO教學(xué)理念的引入更能激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問題能力[4]。

自2008年起，我國(guó)開始開展CDIO工程教育模式的研究與實(shí)踐，2016年成立“CDIO工程教育聯(lián)盟”[5]。近年來，各高校不斷開展CDIO模式的理論課程、實(shí)驗(yàn)課程和課程群等方面的教學(xué)改革研究，均取得了一定的教學(xué)效果。對(duì)于一些地方本科院校，CDIO模式的研究仍處于起步階段，根據(jù)學(xué)緣結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)目標(biāo)開展CDIO教學(xué)模式的改革，對(duì)于地方應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有非常重要的作用。

1 微生物工程課程特點(diǎn)及CDIO教學(xué)模式的提出

微生物工程是高校生物工程、生物技術(shù)和生物制藥等專業(yè)的核心課，其與基因工程、細(xì)胞工程、蛋白質(zhì)與酶工程并稱生物技術(shù)專業(yè)四大工程課程，其中微生物工程技術(shù)是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。傳統(tǒng)上，將微生物工程課程內(nèi)容分為上游、中游和下游三大模塊，上游主要側(cè)重菌種的選育和保藏，中游以發(fā)酵過程控制及參數(shù)優(yōu)化為主，下游主要學(xué)習(xí)生物產(chǎn)品的分離純化技術(shù)。通過該課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握微生物工程相關(guān)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具備微生物工程相關(guān)領(lǐng)域工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新等方面的技能[6]。

近幾年，隨著專業(yè)認(rèn)證工作的全面開展，專業(yè)核心課學(xué)時(shí)不斷被壓縮，導(dǎo)致很多高校注重理論知識(shí)的講解，而忽視了實(shí)踐環(huán)節(jié)，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，且大部分實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力很難得到提高，同時(shí)也影響了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。微生物工程作為一門生產(chǎn)實(shí)踐和行業(yè)緊密聯(lián)系的專業(yè)核心課，其教學(xué)涉及微生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物工程設(shè)備等課程內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)繁雜，實(shí)踐性強(qiáng)。通過近10年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，單純依靠多媒體教學(xué)等傳統(tǒng)方法授課相對(duì)枯燥，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)于發(fā)酵裝置內(nèi)部構(gòu)造、工作原理和工藝流程等比較抽象的知識(shí)，學(xué)生很難理解和掌握。因此，必須要改變傳統(tǒng)的“以教師為中心、以教材為中心、以課堂為中心”的教學(xué)思想，逐漸轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心、以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)、以實(shí)踐活動(dòng)為平臺(tái)”的CDIO教學(xué)理念[7-8]。

2 基于CDIO模式的教學(xué)改革

2.1 教學(xué)理念的改革

CDIO教學(xué)模式要求以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”，教師要從“教書匠”轉(zhuǎn)變成“大學(xué)教師+準(zhǔn)工程師”的角色，不再是課堂主角的扮演者、不再以自己的結(jié)論代替學(xué)生的分析討論，而是充當(dāng)引導(dǎo)教學(xué)的角色，啟發(fā)學(xué)生去思考，讓學(xué)生大膽設(shè)計(jì)，敢于實(shí)施和運(yùn)行，提升學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力[9-10]。作為一所地方應(yīng)用型本科院校，以培養(yǎng)地方應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標(biāo)，在微生物工程課程內(nèi)容設(shè)置時(shí)不能僅僅考慮基本專業(yè)知識(shí)的傳授，更要考慮學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)崗位相關(guān)知識(shí)和技能的需求，因此教師要建立“學(xué)生-學(xué)校-企業(yè)”三明治式的教學(xué)設(shè)計(jì)和改革，切實(shí)做好應(yīng)用型人才培養(yǎng)工作[11]。

2.2 課程設(shè)計(jì)思路的改革

微生物工程課程與行業(yè)領(lǐng)域、生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合緊密。隨著我國(guó)發(fā)酵行業(yè)的不斷發(fā)展，微生物工程的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)專業(yè)人才的要求不斷提高，因此必須對(duì)傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行改革。在微生物工程上游、中游和下游三大經(jīng)典模塊學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，以發(fā)酵產(chǎn)品或獲得的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備操作、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)、質(zhì)量評(píng)價(jià)等全部過程作為學(xué)習(xí)環(huán)境，將CDIO“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)行”四個(gè)過程作為專業(yè)人才培養(yǎng)的構(gòu)架，將個(gè)人職業(yè)技能和職業(yè)道德訓(xùn)練、團(tuán)隊(duì)協(xié)作交流以及系統(tǒng)整合運(yùn)行等與理論知識(shí)有機(jī)結(jié)合并形成要點(diǎn)，并將各要點(diǎn)細(xì)化為相應(yīng)的能力，融入教學(xué)體系中（圖1）。

2.3 CDIO教學(xué)模式改革

2.3.1 理論教學(xué)環(huán)節(jié)的改革。

為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)掌握微生物工程課程的基本概念和核心知識(shí)，依據(jù)新的教學(xué)大綱和企業(yè)對(duì)技術(shù)人才培養(yǎng)的需求，要不斷整合課程內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法。在課程安排上，充分體現(xiàn)了“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)思想，采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，不斷提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，逐步將CDIO教學(xué)理念應(yīng)用到理論教學(xué)中[12]。

微生物工程理論部分由原來的48學(xué)時(shí)壓縮到目前的32學(xué)時(shí)，這樣教師無法對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，很多內(nèi)容還是學(xué)生必須要掌握的知識(shí)，基于此，應(yīng)結(jié)合CDIO教學(xué)理念，開展了任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的理論教學(xué)，讓學(xué)生利用課余時(shí)間完成任務(wù)。將整個(gè)班級(jí)分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組5～6人，學(xué)生自由組隊(duì)，全員參與，每組推薦出一名同學(xué)擔(dān)任組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)組內(nèi)的協(xié)調(diào)工作。教師在課程設(shè)置時(shí)，要根據(jù)課程內(nèi)容的重難點(diǎn)和企業(yè)對(duì)專業(yè)知識(shí)的要求，設(shè)置一些專題或任務(wù)供學(xué)生選擇，學(xué)生也可以自己設(shè)計(jì)專題。小組接到任務(wù)后，要對(duì)任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行分析和研究，最后要向全體同學(xué)進(jìn)行展示，大家積極開展評(píng)論，從而完成知識(shí)的共同學(xué)習(xí)。比如，酸奶發(fā)酵生產(chǎn)工藝這部分內(nèi)容，由于學(xué)時(shí)較少，無法全面向?qū)W生講授，但酸奶是很多家庭中必不可少的飲品，種類繁多，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也存在一定的差異，為了讓學(xué)生對(duì)酸奶及其生產(chǎn)有全面的認(rèn)識(shí)和了解，掌握酸奶發(fā)酵的相關(guān)知識(shí)，因此設(shè)置了一個(gè)專題——酸奶及其發(fā)酵生產(chǎn)工藝。小組接到這個(gè)任務(wù)后，要對(duì)如何完成這項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行構(gòu)思（conceive）。小組將構(gòu)思情況與任課教師進(jìn)行溝通，任課教師結(jié)合學(xué)習(xí)目標(biāo)和要求進(jìn)行針對(duì)性輔導(dǎo)和答疑，引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行課外查閱參考文獻(xiàn)、介紹閱讀技巧，如何圍繞選題進(jìn)行文獻(xiàn)總結(jié)分析等。學(xué)生通過查閱酸奶種類、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及發(fā)酵生產(chǎn)等資料，對(duì)要講授的內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)選和設(shè)計(jì)（design）。各小組通過整理完成方案設(shè)計(jì)后，不斷完善方案，制作PPT，并對(duì)論證報(bào)告進(jìn)行答辯，然后組內(nèi)同學(xué)需要共同參與并討論，創(chuàng)新方案，找到解決問題方法和實(shí)現(xiàn)（implement）途徑，使方案切實(shí)可行。方案確定后，再通過組內(nèi)分工、共同協(xié)作來完成項(xiàng)目的運(yùn)作（operate）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各小組撰寫實(shí)驗(yàn)論文，教師組織同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行組內(nèi)和組間評(píng)價(jià)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程形成閉環(huán)循環(huán)。通過組內(nèi)采用不同角色互換，如組長(zhǎng)、答辯人、操作者，使學(xué)生體驗(yàn)不同角色的職責(zé)和要求，突出了學(xué)生的主體地位，實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程如何換位思考，體驗(yàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。

為了保證CDIO教學(xué)質(zhì)量，初案設(shè)計(jì)完成后，教師要做好學(xué)生的指導(dǎo)工作，確保設(shè)計(jì)的方案緊密結(jié)合課程內(nèi)容、難易適中。然后，組織小組對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)選和設(shè)計(jì)，進(jìn)一步豐富和完善，確保研究?jī)?nèi)容的科學(xué)性和完整性[13]。

2.3.2 考核方式的改革。

考核是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)手段，探索CDIO教學(xué)理念下適應(yīng)微生物工程課程的考核方式，也是微生物工程課程教學(xué)改革中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的微生物工程課程考核一般由平時(shí)成績(jī)（30%）和期末成績(jī)（70%）兩部分組成;平時(shí)成績(jī)主要體現(xiàn)在上課出勤、作業(yè)和課堂表現(xiàn)，期末成績(jī)?yōu)殚]卷形式，由5～7種題型構(gòu)成。這種考核方式使學(xué)生過分關(guān)注卷面成績(jī)，而忽視平時(shí)鍛煉，導(dǎo)致學(xué)生在考試前才開始大量背題，雖然考試合格了，但學(xué)生根本沒有學(xué)到應(yīng)會(huì)的技能和知識(shí)，課程考試一旦結(jié)束，臨時(shí)背的知識(shí)也基本忘掉。為此，必須進(jìn)行考核方式的改革。

改變了過去理論部分和實(shí)驗(yàn)部分獨(dú)立考核的方式，將二者結(jié)合起來、注重學(xué)生實(shí)際能力的考核。成績(jī)?cè)u(píng)定由原來的平時(shí)成績(jī)（30%）和期末成績(jī)（70%）兩部分變?yōu)槠綍r(shí)成績(jī)（20%）、實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)（20%）和期末成績(jī)（60%）三部分。平時(shí)成績(jī)包括出勤（5%）、課堂表現(xiàn)（10%）、筆記（10%）、作業(yè)（15%）、小組匯報(bào)（20%）、實(shí)習(xí)報(bào)告（20%）和實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%）構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)主要考查學(xué)生儀器使用及實(shí)驗(yàn)操作能力，采取抽簽的方式進(jìn)行，教師根據(jù)學(xué)生儀器使用和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范情況進(jìn)行打分。期末成績(jī)采取閉卷形式進(jìn)行，主要考查學(xué)生對(duì)微生物工程相關(guān)知識(shí)的掌握情況?？己藘?nèi)容上，加大主觀題的比例，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)作為期末考試的一項(xiàng)內(nèi)容。

改革后的考核機(jī)制對(duì)于培養(yǎng)和評(píng)估學(xué)生能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)以及獨(dú)立分析問題、解決問題的能力都具有重要的意義。

3 CDIO教學(xué)模式的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

將CDIO教學(xué)模式引入微生物工程課程學(xué)習(xí)中，形成了“以學(xué)生為中心、以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)、以實(shí)踐活動(dòng)為平臺(tái)”的教學(xué)理念，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性大大提高，學(xué)生考試及格率也大大提升。在生物技術(shù)專業(yè)2014—2017級(jí)4屆學(xué)生中，共獲批微生物工程方向?qū)嶒?yàn)室開放項(xiàng)目8項(xiàng)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目6項(xiàng)，獲得全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，學(xué)生發(fā)表文章6篇，10人考取了微生物工程方向碩士研究生。

4 結(jié)語

綜上所述，微生物工程課程是一門非常重要的工程類課程，在生物技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中占據(jù)非常重要的位置，提高教學(xué)質(zhì)量非常重要。引入CDIO教學(xué)模式，通過理論教授+實(shí)際演練+小組討論+合作學(xué)習(xí)+成果展示及共享，以學(xué)生為中心，側(cè)重工作過程，在“做中學(xué)”，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，解決實(shí)際問題等教學(xué)理念，開啟學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和責(zé)任，讓每位學(xué)生獲得各自學(xué)習(xí)成長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作和學(xué)生獨(dú)立思維等能力，構(gòu)建了適用、高效的教學(xué)模式，達(dá)到學(xué)以致用，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生對(duì)工程項(xiàng)目的認(rèn)識(shí)，是符合生物技術(shù)人才培養(yǎng)方案和社會(huì)需求的一種具有良好前景的新教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)

[1] 王健，張士，王曉，等.CDIO模式在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用初探：以廣東培正學(xué)院為例[J].成都師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，35（3）：37-41.

[2] 李維娜，張旺倩，王舒寧，等.CDIO教學(xué)模式在本科生《生物制藥學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].藥物生物技術(shù)，2018，25（3）：250-252.

[3] 趙力超，方祥，潘忠禮，等.基于專業(yè)人才能力提升的食品微生物檢驗(yàn)學(xué)CDIO教學(xué)模式創(chuàng)新[J].微生物學(xué)通報(bào)，2017，44（9）：2239-2246.

[4] 顧佩華，陸小華，沈民奮.CDIO大綱與標(biāo)準(zhǔn)[M].汕頭：汕頭大學(xué)出版社，2008.

[5] 胡文龍.創(chuàng)新時(shí)代的工程教育發(fā)展：挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)——2016年“CDIO工程教育聯(lián)盟成立會(huì)議”紀(jì)要[J].高等工程教育研究，2016（2）：32-33.

[6] 余潤(rùn)蘭，曾偉民，周洪波，等.專業(yè)系列課程的開放式精品示范課堂的探索與實(shí)踐：以中南大學(xué)基于微生物工程的專業(yè)系列課程為例[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2016，7（1）：110-113.

[7] 雷娜，鄒龍慶，唐友福.基于CDIO教學(xué)理念的《石油鉆采機(jī)械》課程改革研究[J].內(nèi)江科技，2018，39（5）：145-146.

[8] 劉曉娟，趙力超，周愛梅，等.基于PBL/CDIO理念的《功能食品學(xué)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].食品工業(yè)，2018，39（2）：255-257.

[9] 張紅蓮，夏立群，劉慧玲.微生物工程課堂教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（4）：43-44.

[10] 李發(fā)宗，崔仲華，黃永青，等.汽車服務(wù)工程專業(yè)CDIO教育模式的探索與實(shí)踐[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，22（1）：128-132.

[11] 王新艷.項(xiàng)目導(dǎo)向的CDIO理念在應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)課程中的應(yīng)用[J].青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，26（6）：46-49.

[12] 閻欲曉，粟桂嬌，莫柏立，等.基于成果導(dǎo)向教育理念的“微生物工程工藝與設(shè)備”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].微生物學(xué)通報(bào)，2020，47（4）：1011-1018.

[13] 路景濤，王怡，薛紹禮，等.Seminar教學(xué)法在《生物制品學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].皖西學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，34（3）：20-24.