地方院校生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

張湑澤， 王久利， 王克宙， 王雪韌， 沈迎芳

(1.青海民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院， 西寧 810007；2.青海省特色經(jīng)濟(jì)植物高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810007；3.國(guó)家民委青藏高原資源化學(xué)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810007)

增強(qiáng)大學(xué)生的責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)和家國(guó)情懷，建立實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)機(jī)制，努力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，以專業(yè)實(shí)踐強(qiáng)化大學(xué)生創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)是目前高等教育研究的重點(diǎn)[1]。生物工程專業(yè)是以生物學(xué)技術(shù)手段解決工程學(xué)問題的綜合性學(xué)科，是把生命科學(xué)領(lǐng)域研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力的重要環(huán)節(jié)，要培養(yǎng)具備生物學(xué)專業(yè)知識(shí)，同時(shí)具備良好的工程素質(zhì)、實(shí)踐能力及工程應(yīng)用能力的人才[2]。目前生物工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，生物工程專業(yè)本科生如能掌握扎實(shí)的理論技能，具備創(chuàng)新實(shí)踐能力，將在以后發(fā)展中具有優(yōu)勢(shì)。然而，目前生物工程專業(yè)行業(yè)就業(yè)率普遍不高，而較高專業(yè)素養(yǎng)的生物工程專業(yè)人才奇缺[3]。在應(yīng)用轉(zhuǎn)型背景下，如何培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生物工程專業(yè)人才具有重要的意義。

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)之一。對(duì)工科專業(yè)來說，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題、掌握專業(yè)技術(shù)的重要手段，也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)[4]。但目前生物工程實(shí)踐教學(xué)存在的主要問題是理論和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，陳舊的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵和原理理解不夠深入，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不透徹，限制了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。此外，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多來自教材，與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系不緊密，學(xué)生參與度不高。開展綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力[5]，讓每位學(xué)生都能參與其中，滿足新工科形勢(shì)下創(chuàng)新型應(yīng)用型人才培養(yǎng)。因此，提出以生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)為主要實(shí)踐課程的生物工程專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐課程體系[6]。通過在實(shí)踐課程中引入新的教學(xué)模式改革傳統(tǒng)課堂，培養(yǎng)兼具實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才。

鑒于生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)課程的特殊性，我們?cè)谇捌谡{(diào)研的基礎(chǔ)上引入基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式(project-based Learning，PBL)作為生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，學(xué)生需綜合所學(xué)專業(yè)知識(shí)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將生物工程多種技術(shù)串聯(lián)以進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維[7-8]。實(shí)踐表明，基于PBL教學(xué)模式的生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)課程明顯激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯提升，綜合實(shí)踐能力、合作能力、創(chuàng)新思維以及工程素養(yǎng)都得到很好的鍛煉[9]。

1 基于PBL的課程建設(shè)思路

1.1 PBL教學(xué)理念及課堂教學(xué)思維

PBL是由加拿大學(xué)者Barrows[10]提出的一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，以專業(yè)學(xué)習(xí)中存在的問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，通過問題規(guī)劃學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，將問題項(xiàng)目化，引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題尋求解決方案。在生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求提出科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，通過學(xué)生項(xiàng)目小組，開展團(tuán)隊(duì)協(xié)作，建立開放實(shí)驗(yàn)體系，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)全過程多元化考核體系[11-12]。這種教學(xué)模式為學(xué)生提供在課程中完成從設(shè)計(jì)理念到具體產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)踐的機(jī)會(huì)(圖1)。

1.2 PBL課程設(shè)計(jì)原則

生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)是為適應(yīng)現(xiàn)代生物工程技術(shù)不斷發(fā)展而設(shè)立的一門綜合性實(shí)驗(yàn)，面向生物工程專業(yè)高年級(jí)本科生開設(shè)，屬于創(chuàng)新實(shí)踐課程群課程，同時(shí)也是發(fā)酵工程和生物分離工程理論課的配套實(shí)驗(yàn)課。

生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了生物工程專業(yè)本身所具有的應(yīng)用性與綜合性兩大特點(diǎn)[13]，我們以青藏地方特色產(chǎn)品為主線，設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)，采用多種技術(shù)手段完成實(shí)驗(yàn)。通過綜合性、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)融合學(xué)科教學(xué)與科研能力培養(yǎng)，體現(xiàn)了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)-設(shè)計(jì)性試驗(yàn)-探究性試驗(yàn)完美結(jié)合，從而達(dá)到培養(yǎng)具備科學(xué)思維、動(dòng)手能力強(qiáng)的優(yōu)秀生物工程人才的目的。

2 教學(xué)方法與內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本課程于2019—2020學(xué)年第1學(xué)期開設(shè)，3學(xué)分，3課時(shí)/周。指導(dǎo)老師在開課前積極查閱文獻(xiàn)，結(jié)合地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要設(shè)置選題作為綜合實(shí)驗(yàn)指南(表1)；開課后，學(xué)生每3～4人組成實(shí)驗(yàn)小組，根據(jù)自己興趣選擇綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可在與指導(dǎo)老師交流的過程中提出自己感興趣的問題；確定選題后，學(xué)生利用1～2周查閱文獻(xiàn)，完成實(shí)驗(yàn)方案并與指導(dǎo)老師討論修改；實(shí)驗(yàn)方案確定后，下?lián)軐?shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，學(xué)生自行管理經(jīng)費(fèi)，購(gòu)置原料及部分試劑耗材。常規(guī)試劑及分析檢測(cè)設(shè)備由教學(xué)團(tuán)隊(duì)提供支持。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間，生物工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)本科生全天開放，任課教師隨時(shí)答疑解惑。

圖1 生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)PBL教學(xué)設(shè)計(jì)模式圖Figure 1 Schematic chart of integrated design of comprehensive experiment of bioengineering

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與進(jìn)展

生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)重視實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)用性和綜合性，盡可能選用地方特色原料進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過科學(xué)合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)產(chǎn)品開發(fā)過程中實(shí)驗(yàn)條件易變性和條件控制的重要性。開展綜合大實(shí)驗(yàn)，最終篩選出對(duì)乙醇、SO2和葡萄糖耐受性較強(qiáng)的酵母菌株，分解纖維素能力較強(qiáng)的菌株，開發(fā)出“小沙杞”沙棘枸杞保健酒、“肆?xí)r三渡”青稞香型白酒、“名兒”系列白蘭地(圖3)；優(yōu)化鹽析法提取果皮中果膠的工藝，優(yōu)化檸檬酸發(fā)酵發(fā)酵條件，篩選玉米乙醇發(fā)酵最佳發(fā)酵工藝等。

表1 生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)將以往的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力。主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及實(shí)驗(yàn)條件的篩選、實(shí)驗(yàn)過程的參數(shù)監(jiān)控、產(chǎn)物的初步鑒定以及產(chǎn)品的提取、分離、純化、檢測(cè)等，實(shí)驗(yàn)時(shí)間不分課內(nèi)課外，要求任課老師和實(shí)驗(yàn)室管理人員認(rèn)真監(jiān)管，共同完成實(shí)驗(yàn)室開放管理工作。教師雖不需要在課堂上親自動(dòng)手操作，但卻需要花費(fèi)3～4倍時(shí)間完成學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案選題，參與實(shí)驗(yàn)全過程指導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)室全天開放中的實(shí)驗(yàn)室管理工作，對(duì)教師責(zé)任心是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行梳理，核查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與學(xué)生討論形成論文撰寫思路及提綱，與學(xué)生交流論文撰寫進(jìn)度，保障課程論文完成質(zhì)量[14]。

2.3 多元化考核評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

單一的考核評(píng)價(jià)無法體現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的全方位考核，不利于形成良好實(shí)驗(yàn)氛圍。生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)改革以往單一的成績(jī)考核模式，構(gòu)建生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)考核模式。這種考核模式以實(shí)驗(yàn)全過程考核，院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大賽評(píng)分以及實(shí)驗(yàn)課程論文考核構(gòu)成，具體為平時(shí)成績(jī)占25%，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)占20%，中期考核占10%，項(xiàng)目答辯占20%，期末論文成績(jī)占20%，團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)占5%。平時(shí)成績(jī)注重課程過程化考核，在教學(xué)過程中不定期開展實(shí)驗(yàn)過程匯報(bào)，重視實(shí)驗(yàn)原始記錄，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告原始記錄作為平時(shí)成績(jī)的重要參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)考核點(diǎn)為文獻(xiàn)調(diào)研情況，方案的可行性、完整性和創(chuàng)新性。中期考核是指在第12周考核項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。項(xiàng)目答辯為參加生物工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽時(shí)的評(píng)委打分成績(jī)，通過學(xué)院專家評(píng)價(jià)來獲得更合理的項(xiàng)目完成分。期末論文考查學(xué)生最終實(shí)驗(yàn)完成情況、創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)論文格式、小組成員參與度等。團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)加分是在生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)每個(gè)人的貢獻(xiàn)度評(píng)分。

3 教學(xué)改革創(chuàng)新

生物工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課以每堂課開展單個(gè)實(shí)驗(yàn)為主，主要是演示性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，經(jīng)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握或?qū)W習(xí)某種儀器的使用方法為目的，無法系統(tǒng)地訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)。綜合性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，實(shí)驗(yàn)方法和手段多樣、綜合，注重對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)?；赑BL模式的生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)在完成過程中形成了以下教學(xué)改革創(chuàng)新點(diǎn)：(1)由學(xué)生成立研究小組，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，各研究小組共同協(xié)作完成；(2)項(xiàng)目化管理，讓本科生有機(jī)會(huì)全程參與完成科研項(xiàng)目，獨(dú)立思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，撰寫項(xiàng)目總結(jié)，匯報(bào)答辯；(3)多元化考核，重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄，組織創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大賽，全面考核實(shí)驗(yàn)情況；(4)開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室對(duì)授課學(xué)生全面開放，任課教師全程參與指導(dǎo)。

4 教學(xué)改革成效

生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中側(cè)重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性和應(yīng)用性，多個(gè)知識(shí)點(diǎn)綜合交叉，實(shí)驗(yàn)方法多樣、綜合，注重對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。在教學(xué)過程中，學(xué)生能夠積極主動(dòng)查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分工協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和創(chuàng)新意識(shí)，學(xué)生在提升實(shí)驗(yàn)操作能力的同時(shí)，綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力也得到提高，團(tuán)隊(duì)意識(shí)有明顯加強(qiáng)。

圖 2 “肆?xí)r三渡”青稞香型白酒工藝Figure 2 Production process of highland barley flavor liquor named ‘Sishisandu’

對(duì)生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中完成的課程論文，根據(jù)作品性質(zhì)鼓勵(lì)學(xué)生積極申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、參加各級(jí)各類競(jìng)賽、申報(bào)專利并在校內(nèi)外進(jìn)行成果展示。通過綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)代生物工程產(chǎn)品研發(fā)水平的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生開展課外自主創(chuàng)新實(shí)踐的能力。在2019年院級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大賽上，本課程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)參加比賽，獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。基于生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)參加第六屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽青海賽區(qū)決賽，獲銀獎(jiǎng)、銅獎(jiǎng)各1項(xiàng)，部分成果已申請(qǐng)專利。

5 總結(jié)與展望

近年來，青海民族大學(xué)生物工程專業(yè)針對(duì)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行一系列創(chuàng)新改革[15]，如將成果導(dǎo)向教育應(yīng)用在生物工程實(shí)踐教學(xué)中，將實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)置為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程群-專業(yè)實(shí)踐課程群-綜合實(shí)踐課程群。做到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)著重基礎(chǔ)操作，專業(yè)實(shí)驗(yàn)著重專業(yè)核心技術(shù)運(yùn)用，綜合實(shí)踐著重能力提升和創(chuàng)新訓(xùn)練?；A(chǔ)-專業(yè)-綜合循序漸進(jìn)。注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力。實(shí)踐證明，生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)多維度教學(xué)改革體系的實(shí)施，有效地促使學(xué)生從“被動(dòng)學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(xué)”，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合。

創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)是新時(shí)代高校改革轉(zhuǎn)型的重要問題[16-17]。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。地方高校在教學(xué)過程中應(yīng)該著力培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力及查閱文獻(xiàn)資料的能力。通過綜合實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生把基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析及論文撰寫，使學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐更好地結(jié)合，最終達(dá)到提出問題、分析問題、解決問題的目的，培養(yǎng)出創(chuàng)新能力強(qiáng)，適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的工程技術(shù)人才。