《生物工程工藝實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革與實(shí)踐

王常高 杜馨 林建國 趙澤鑫 蔡俊

（湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢 430068）

根據(jù)《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，生物工程是應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程技術(shù)等方法，按照人類需要利用、改造和設(shè)計(jì)生物體的結(jié)構(gòu)與功能，從而經(jīng)濟(jì)、有效、規(guī)?；刂圃旄鞣N產(chǎn)品，是以生物技術(shù)研究成果為基礎(chǔ)、借助工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化為基本任務(wù)的工學(xué)學(xué)科。因此，生物工程專業(yè)主要是培養(yǎng)生物產(chǎn)業(yè)化的專業(yè)人才。生物工程專業(yè)的教學(xué)主要是以培養(yǎng)學(xué)生掌握生物產(chǎn)品大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)上、中、下游相關(guān)理論知識和實(shí)踐技能為目的，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力為最終目標(biāo)。

理論教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生掌握豐富的基礎(chǔ)和專業(yè)理論知識，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)和支撐，那么實(shí)踐教學(xué)則是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的直接方法和手段。目前各高校的實(shí)踐教學(xué)主要有社會實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)（包括基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，如機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)、化工原理課程設(shè)計(jì)，和專業(yè)課程設(shè)計(jì)）、實(shí)習(xí)（包括認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)等）、實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）等教學(xué)環(huán)節(jié)。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生在大學(xué)階段創(chuàng)新意識和工程能力培養(yǎng)的重要手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)一般是針對特定的理論課程開設(shè)的，如微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)分析實(shí)驗(yàn)、基因工程實(shí)驗(yàn)、生物分離工程實(shí)驗(yàn)和酶工程實(shí)驗(yàn)等等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是以一些單元基礎(chǔ)操作為主，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握一些基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方法和操作技能。綜合實(shí)驗(yàn)則主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識和掌握的單元實(shí)驗(yàn)技能解決實(shí)際問題的能力。我校的生物工程專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)是在第七學(xué)期開設(shè)的《生物工程工藝實(shí)驗(yàn)》，目的是讓學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對生物產(chǎn)品生產(chǎn)全工藝流程的掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生在生物產(chǎn)品生產(chǎn)全工藝過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的工程實(shí)踐能力。本文主要就我校生物工程專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)-《生物工程工藝實(shí)驗(yàn)》在工程教育認(rèn)證期間所進(jìn)行的一些改革探索進(jìn)行敘述。

一、加大建設(shè)投入，改善實(shí)驗(yàn)條件

完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果的先決條件。以前，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，工藝綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程都是將學(xué)生分配到各指導(dǎo)老師的科研實(shí)驗(yàn)室中，一個(gè)老師的名下可能會有6-8 名學(xué)生或更多，而科研實(shí)驗(yàn)室里同型設(shè)備，特別是一些大型的專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的臺套數(shù)有限，很難以保證小組的每位同學(xué)都有動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會。2019 年我校生物工程專業(yè)成功申報(bào)國家工程教育認(rèn)證，學(xué)校和學(xué)院對本專業(yè)的建設(shè)給予了大力的投入和支持，尤其是對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了重點(diǎn)建設(shè)。學(xué)校和學(xué)院共投入了400 多萬元進(jìn)行建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室面積有130m2，購置了10 升機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐全套系統(tǒng)8 套，20 升氣升式發(fā)酵罐系統(tǒng)1 套，30 升固體發(fā)酵罐1 套，帶尾氣分析的10-100 升機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐系統(tǒng)1 套，恒溫恒濕培養(yǎng)箱2 臺，7 升大容量高速冷凍離心機(jī)2 臺，臺式高速冷凍離心機(jī)3 臺，板框過濾機(jī)6 臺，冷凍干燥機(jī)和真空干燥箱各2 臺，萬能粉碎機(jī)1 臺，超微粉碎機(jī)2 臺，還有用于微生物菌種培養(yǎng)的滅菌鍋、生物安全柜、全溫培養(yǎng)箱、全溫?fù)u床等各3-4 臺。所有設(shè)備基本上涵蓋了生物產(chǎn)品制備上、中、下游所需的各種基本設(shè)備，設(shè)備的臺套數(shù)和種類也可滿足多個(gè)小組不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件的改善，不僅可以保證每個(gè)學(xué)生都有動手操作的機(jī)會，也可極大提高學(xué)生參與的積極性，同時(shí)也為后面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)模式和考核方式改革提供了有力的支撐。

二、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容

生物工程工藝實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生熟悉和掌握生物產(chǎn)品制備的全工藝過程，以最終得到一定數(shù)量和質(zhì)量的生物產(chǎn)品為目標(biāo)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容至少包含了微生物學(xué)、發(fā)酵工程、酶工程、生物分離工程、專業(yè)分析等專業(yè)理論知識和單元實(shí)驗(yàn)操作技能，是典型的綜合性專業(yè)大實(shí)驗(yàn)。以前的工藝大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上都是指導(dǎo)老師根據(jù)自己或團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目來確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，但每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容都差不多是相同的，小組之間很容易相互借鑒甚至抄襲，不利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和積極性，很多的學(xué)生都是跟著一起混過去了。也有老師將一個(gè)項(xiàng)目分解成不同的部分分別由不同的小組來完成，最后將不同小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合成一個(gè)完整的工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告。每個(gè)小組的同學(xué)其實(shí)并沒有訓(xùn)練和掌握產(chǎn)品制備的全工藝過程，難以達(dá)到工藝綜合大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)條件的限制也是很重要的原因之一。實(shí)驗(yàn)條件得到改善之后，結(jié)合教學(xué)模式的改革，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上不再只局限一個(gè)大題目，而是要求每個(gè)小組選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如不同小組選擇相同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，則在實(shí)驗(yàn)方案或步驟上至少有50%以上的差異性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要由指導(dǎo)老師提供，一般都是以具體生物產(chǎn)品的制備為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，可以結(jié)合自己或團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目，也盡量提供一些產(chǎn)業(yè)化成熟的產(chǎn)品項(xiàng)目或熱門的產(chǎn)品項(xiàng)目。我們也進(jìn)一步放開要求，部分小組可以根據(jù)自己的興趣愛好或以前參與過其他老師的科研項(xiàng)目來自己確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，指導(dǎo)老師結(jié)合工藝實(shí)驗(yàn)室和學(xué)院其他實(shí)驗(yàn)室條件及安全性進(jìn)行審核后一般都會予以同意。

三、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

生物工程工藝大實(shí)驗(yàn)雖然在內(nèi)容上屬于綜合性大實(shí)驗(yàn)，但在以前的教學(xué)條件和教學(xué)模式下，由于全班都是一個(gè)大項(xiàng)目，且通常是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的科研項(xiàng)目，指導(dǎo)老師都會給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)講義或指導(dǎo)書，里面有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生只需按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，且都能得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的綜合性，也鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，學(xué)生也有一定的成就感或獲得感，整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的管理也很完善。但這種教學(xué)模式卻不能培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性，不能從根本上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。現(xiàn)有的教學(xué)模式，更能充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的工程教育專業(yè)認(rèn)證理念。指導(dǎo)老師不再提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，只是提出基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和管理要求。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組選定自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，自己上網(wǎng)查找項(xiàng)目相關(guān)文獻(xiàn)資料，小組成員共同協(xié)商擬定實(shí)驗(yàn)方案和初步操作步驟，在全班進(jìn)行公開開題答辯，由指導(dǎo)老師（一般2 名）和其他同學(xué)提出質(zhì)疑和指導(dǎo)修訂意見后進(jìn)行定稿。后面的藥品和耗材清單編制、儀器設(shè)備的選擇、全流程實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和分析等全部由學(xué)生自己獨(dú)立操作為主，老師適當(dāng)指導(dǎo)為輔。老師主要負(fù)責(zé)藥品和耗材的購買，以及實(shí)驗(yàn)開始前大型儀器設(shè)備的集中培訓(xùn)和考核。這種設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程基本上都是由學(xué)生獨(dú)立自主來完成，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種想象和問題以及問題的解決，實(shí)驗(yàn)失敗的原因及改進(jìn)重新實(shí)驗(yàn)等都由學(xué)生自主決定和解決，老師只是進(jìn)行適當(dāng)?shù)膯l(fā)和指導(dǎo)。從實(shí)驗(yàn)方案和步驟的制定、實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的過程中，甚至是失敗的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷中，才能從根本上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。新的教學(xué)模式受到了學(xué)生的普遍歡迎，學(xué)生的積極性得到了很大的提高，學(xué)生也普遍反映很多方面都得到了較好的鍛煉，收到了較好的教學(xué)效果。

四、加強(qiáng)過程考核管理

如何客觀、公正地考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛟u價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也是綜合性專業(yè)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。以前的教學(xué)模式下，實(shí)驗(yàn)課程的最終成績簡單地由平時(shí)考勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績兩部分組成，不僅不能反映每位學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑢τ谀切┱J(rèn)真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生甚至有些不公，影響學(xué)生的積極性。在工程教育認(rèn)證理念的指導(dǎo)和要求下，過程考核基本上成了工程專業(yè)課程教學(xué)的必達(dá)要求，綜合性專業(yè)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求更高。我們將實(shí)驗(yàn)總評成績的考核分為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告四個(gè)模塊進(jìn)行考核，所長比重分別為30%、30%、20%和20%。其中，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備考核模塊又從文獻(xiàn)查閱與方案擬定、實(shí)驗(yàn)方案與步驟的開題答辯與修訂、實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作培訓(xùn)與考核四個(gè)方面進(jìn)行考察與成績評定；實(shí)驗(yàn)過程考核模塊主要從實(shí)驗(yàn)操作（包含了實(shí)驗(yàn)過程中觀察、分析、判斷和解決實(shí)驗(yàn)過程中的各種現(xiàn)象和問題）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和團(tuán)隊(duì)合作三個(gè)方面進(jìn)行考察與成績評定；實(shí)驗(yàn)總結(jié)考核模塊主要從總結(jié)答辯過程中對實(shí)驗(yàn)流程和步驟匯報(bào)及答辯、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析匯報(bào)及答辯、對實(shí)驗(yàn)方案和過程以及設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)思路匯報(bào)與答辯三個(gè)方面進(jìn)行考察與成績評定；實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核模塊主要從學(xué)生報(bào)告撰寫內(nèi)容詳盡與否、格式是否規(guī)范以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論是否深入及是否得出合理有效的結(jié)論等方面進(jìn)行考察與成績評定?，F(xiàn)有的考核模式從全流程、多方位和角度對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和效果進(jìn)行考核，不僅客觀、真實(shí)和公正，也極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性和主觀能動性。

五、加強(qiáng)教學(xué)反饋，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)

持續(xù)改進(jìn)是工程教育認(rèn)證最基本的理念。生物工程工藝大實(shí)驗(yàn)每一屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，都會從各個(gè)方面進(jìn)行反饋調(diào)查和總結(jié)，并將其用于后面的教學(xué)持續(xù)改進(jìn)過程。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后我們都會設(shè)計(jì)和發(fā)放生物工程工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)問卷調(diào)查表，從學(xué)生的角度充分了解每次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果或存在的問題和不足之處。如學(xué)生反映的四周教學(xué)時(shí)間有點(diǎn)緊張，特別是如果中途實(shí)驗(yàn)失敗，需要重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，時(shí)間會很慌亂。針對這一點(diǎn)，計(jì)劃在后面的教學(xué)過程中，將實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作在實(shí)驗(yàn)計(jì)劃教學(xué)周提前2-3 周，利用課外時(shí)間讓學(xué)生完成分組和選題，將任務(wù)和基本要求分配下去，讓學(xué)生利用課余時(shí)間提前查閱文獻(xiàn)資料，擬定實(shí)驗(yàn)方案和初步操作步驟，并列出所需藥品和設(shè)備清單，通過網(wǎng)絡(luò)提前發(fā)給指導(dǎo)老師和實(shí)驗(yàn)老師，老師也可提前進(jìn)行審閱和準(zhǔn)備工作，這樣就可以為后面的實(shí)驗(yàn)過程留出充足的時(shí)間。以前的工藝大實(shí)驗(yàn)一般安排在第七學(xué)期的期末，與學(xué)生考研在時(shí)間上存在一定的沖突，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，學(xué)生反映很突出，后來將工藝大實(shí)驗(yàn)提前到第七學(xué)期的7-10 周進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)老師在課后也會進(jìn)行總結(jié)和討論，對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和總結(jié)，在后面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。如學(xué)生對一些大型儀器設(shè)備操作不規(guī)范，安全意識不夠強(qiáng)等。

總之，借助工程教育認(rèn)證的契機(jī)，我們對生物工程工藝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多方面的改革，取得了較好的教學(xué)效果，我們在今后的教學(xué)過程中也將進(jìn)一步持續(xù)改進(jìn)，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)合格的生物工程專業(yè)人才提供有力支撐。