生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高階能力培養(yǎng)路徑

付暢，劉玉芬，滿朝來，郭東林

（哈爾濱師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

在當(dāng)前全球激烈競(jìng)爭(zhēng)的背景下，培養(yǎng)具備高階能力的人才成為教育的重要使命.高等教育課程教學(xué)是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑，一流課程的建設(shè)成為高等教育改革的重要內(nèi)容之一.提升高階性、突出創(chuàng)新性和增加挑戰(zhàn)度是一流課程建設(shè)的基本原則[1-2].課程的高階性主要體現(xiàn)在課程教學(xué)以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的高階能力發(fā)展為宗旨.我國(guó)關(guān)于高階能力培養(yǎng)的研究于2004 年起步，從2016 年起進(jìn)入發(fā)展熱潮，本科高階能力培養(yǎng)研究起步較晚，始于2013 年[3]182，184.目前，主要從理論、實(shí)踐以及評(píng)價(jià)等方面對(duì)高階能力培養(yǎng)展開研究[3]184-185.生物工程下游技術(shù)課程是生物技術(shù)專業(yè)的核心專業(yè)課，具有技術(shù)種類豐富、技術(shù)原理抽象、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn).因此，生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程在生物技術(shù)人才的培養(yǎng)中起到重要的支撐作用.各高校在現(xiàn)有的生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)進(jìn)行了一定的探索，但缺乏對(duì)高階能力培養(yǎng)的系統(tǒng)性研究與實(shí)踐.本文探索了在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生高階能力的策略和實(shí)現(xiàn)路徑，以促進(jìn)生物技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升.

1 高階能力與課程高階性的內(nèi)涵

能力有高低之分，低階能力是指運(yùn)用低階思維完成記憶任務(wù)、解決良構(gòu)問題的心理特征，而高階能力是指以高階思維為核心，解決劣構(gòu)問題或復(fù)雜任務(wù)的心理特征[4].高階能力包括高階思維能力、高階社會(huì)情感能力及高階動(dòng)作技能，其中高階思維能力是高階能力的核心[1，5].目前，對(duì)高階思維能力的界定有2類主流方法，第1類是將高階思維能力界定為在布盧姆認(rèn)知目標(biāo)分類中位于高層級(jí)的認(rèn)知思維能力[6]55.布盧姆教育目標(biāo)分類法將認(rèn)知目標(biāo)劃分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等6 個(gè)從低到高的層級(jí)[7].高層級(jí)認(rèn)知目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要以低層級(jí)認(rèn)知目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ).前3 個(gè)層級(jí)一般被歸為低階認(rèn)知目標(biāo)，后3 個(gè)層級(jí)一般被歸為高階認(rèn)知目標(biāo)[1]19，也有研究者將記憶歸為低階思維能力，將其它5 個(gè)復(fù)雜度較高的層次均歸為高階思維能力[6]56.第2類界定方法是根據(jù)高階思維能力特點(diǎn)將高階認(rèn)知思維能力界定為問題求解、決策制定、批判性思維和創(chuàng)造性思維的能力.2類界定方法的出發(fā)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)雖然不同，但界定出的高階思維能力的核心交集是一致的，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造是問題求解、決策制定、批判性思維和創(chuàng)造性思維能力的核心基礎(chǔ)[8].布盧姆情感目標(biāo)層次分類將對(duì)特定現(xiàn)象的注意、接受、積極反應(yīng)歸類為低階社會(huì)情感能力，將價(jià)值評(píng)價(jià)、組織形成價(jià)值體系及價(jià)值體系個(gè)性化歸類為高階社會(huì)情感能力[1]20.辛普森動(dòng)作技能目標(biāo)層次分類將通過感官觀察客體的知覺，對(duì)特定行動(dòng)或經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)備定勢(shì)，需要原型示范和指導(dǎo)的簡(jiǎn)單動(dòng)作技能，對(duì)刺激和情境做出的機(jī)械動(dòng)作反應(yīng)等歸類為低階動(dòng)作技能，將從事復(fù)雜動(dòng)作技能、改變動(dòng)作活動(dòng)以及創(chuàng)造新的動(dòng)作模式以適應(yīng)新情境歸類為高階動(dòng)作技能[1]20.

課程目標(biāo)是指培養(yǎng)學(xué)生形成在某一領(lǐng)域的思維結(jié)構(gòu)和解決問題的能力.課程的高階性體現(xiàn)在課程教學(xué)目標(biāo)以發(fā)展學(xué)生的高階思維為核心的高階能力為目標(biāo)[9]，在教學(xué)過程中通過運(yùn)用恰當(dāng)?shù)牟呗院吐窂剑瑢?shí)現(xiàn)高階能力培養(yǎng)目標(biāo).在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中課程教學(xué)往往缺乏對(duì)高階能力目標(biāo)的明確設(shè)定，也沒有對(duì)學(xué)生的高階能力發(fā)展進(jìn)行充分的、有針對(duì)性的、系統(tǒng)性的訓(xùn)練，導(dǎo)致了學(xué)生的高階能力發(fā)展不足.當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展迫切需要具有高階能力的人才，探索高階能力培養(yǎng)策略和實(shí)現(xiàn)路徑，發(fā)展適配學(xué)生高階能力發(fā)展的教學(xué)模式來支撐高階能力人才的培養(yǎng)成為高等教育課程改革的重要內(nèi)容之一.

2 生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階能力培養(yǎng)策略

2.1 以先進(jìn)的教學(xué)理念引領(lǐng)高階能力培養(yǎng)

成果導(dǎo)向（Outcome-Based Education，OBE）教育是新時(shí)代高等教育教學(xué)改革發(fā)展的主流理念，以學(xué)生通過學(xué)習(xí)取得的能力成果作為教學(xué)目標(biāo)[10].為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中，以培養(yǎng)學(xué)生的高階能力為課程的最高教學(xué)目標(biāo)，落實(shí)OBE 理念.

2.2 以科學(xué)的學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)高階能力培養(yǎng)

能力類別的劃分以及能力目標(biāo)層次的劃分應(yīng)遵循學(xué)習(xí)和發(fā)展規(guī)律.以布盧姆認(rèn)知目標(biāo)分類、布盧姆情感目標(biāo)層次分類和辛普森動(dòng)作技能目標(biāo)層次分類為理論依據(jù)確定了生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階能力目標(biāo).在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生達(dá)成高階能力培養(yǎng)目標(biāo)還需要明確達(dá)成高階能力目標(biāo)的原理.將哈蒂學(xué)習(xí)模型、比格斯SOLO 模型、深度學(xué)習(xí)理論等高階學(xué)習(xí)理論融入生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)活動(dòng)的安排從表層學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)，再將原理和技術(shù)遷移到實(shí)踐情境中，進(jìn)一步延伸遷移到小組任務(wù)和個(gè)人課程設(shè)計(jì)任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)從低階到中階再到高階的能力培養(yǎng)目標(biāo).

2.3 以靶向的教學(xué)體系支撐高階能力培養(yǎng)

高階能力培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要以靶向的教學(xué)體系支撐.在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以能力目標(biāo)劃分理論界定能力發(fā)展階段，結(jié)合課程地位和教學(xué)內(nèi)容，明確課程的高階能力培養(yǎng)目標(biāo)，精選和組織課程教學(xué)內(nèi)容支撐高階能力培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)方法靶向高階能力培養(yǎng)，設(shè)計(jì)并組織與高階能力培養(yǎng)目標(biāo)相匹配的高階學(xué)習(xí)活動(dòng)，包括能推動(dòng)學(xué)生調(diào)用高階思維活動(dòng)的問題求解訓(xùn)練、小組協(xié)作設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)任務(wù)、個(gè)人課程設(shè)計(jì)任務(wù)等高階學(xué)習(xí)活動(dòng).建立高階能力培養(yǎng)的評(píng)價(jià)體系，用以循環(huán)改進(jìn)高階能力培養(yǎng)教學(xué)體系.

3 生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階能力培養(yǎng)路徑

3.1 設(shè)定課程教學(xué)目標(biāo)中的高階能力培養(yǎng)目標(biāo)

將生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的目標(biāo)確定為學(xué)生能夠應(yīng)用分離純化技術(shù)及儀器實(shí)施分離純化操作，能夠運(yùn)用理論知識(shí)和技術(shù)基礎(chǔ)分析問題、解決問題；學(xué)生能夠樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)責(zé)任感和使命感，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，發(fā)展善于溝通的協(xié)作精神.實(shí)現(xiàn)高階能力目標(biāo)是生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的最高目標(biāo).

3.1.1 高階思維能力目標(biāo) 高階思維能力目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要以低階思維能力目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ).因此，在布盧姆認(rèn)知目標(biāo)分類法的基礎(chǔ)上，設(shè)定了低階（記憶、理解）、中階（應(yīng)用、分析）和高階（評(píng)價(jià)、創(chuàng)造）認(rèn)知目標(biāo)層次，采用進(jìn)階式教學(xué)模式，從初階目標(biāo)開始逐步進(jìn)階到高階目標(biāo).高階思維能力培養(yǎng)目標(biāo)確定為：（1）能夠?qū)ι锛夹g(shù)產(chǎn)品的分離純化過程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；（2）能夠?qū)ι锛夹g(shù)產(chǎn)品的分離純化過程進(jìn)行設(shè)計(jì).初階目標(biāo)（能夠闡明分離純化技術(shù)的基本概念、基本原理及基本流程，形成基本的分析判斷能力）和中階目標(biāo)（能夠應(yīng)用分離純化技術(shù)完成目標(biāo)物質(zhì)的分離純化，能夠通過分析生物分離過程的原理及流程解決問題）是進(jìn)階實(shí)現(xiàn)高階思維能力目標(biāo)的重要基礎(chǔ).

3.1.2 高階社會(huì)情感能力目標(biāo)（1）能夠?qū)ι锛夹g(shù)產(chǎn)品的分離純化技術(shù)及工藝過程進(jìn)行價(jià)值評(píng)價(jià)；（2）將生物技術(shù)產(chǎn)品分離純化技術(shù)革新、生物技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的使命感、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、善于溝通的協(xié)作精神融入個(gè)人價(jià)值體系.

3.1.3 高階動(dòng)作技能目標(biāo)（1）應(yīng)用分離純化技術(shù)及儀器實(shí)施分離純化復(fù)雜操作；（2）建立能夠根據(jù)需要改變分離純化操作的動(dòng)作活動(dòng)或創(chuàng)造新的動(dòng)作模式以適應(yīng)新情境的意識(shí).

3.2 生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容體系

通過精選生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，建立了以大腸桿菌堿性磷酸酯酶的分離純化為核心的綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系.實(shí)驗(yàn)1 對(duì)大腸桿菌堿性磷酸酯酶進(jìn)行分離制備，通過對(duì)大腸桿菌發(fā)酵培養(yǎng)，采用離心技術(shù)對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行菌體收集，用不同方法破碎細(xì)胞，離心收集上清液后經(jīng)鹽析沉淀，透析除鹽，從大腸桿菌中制備出堿性磷酸酯酶的粗提液.實(shí)驗(yàn)2 對(duì)大腸桿菌堿性磷酸酯酶進(jìn)行離子交換柱層析純化，通過運(yùn)用離子交換柱層析技術(shù)，從大腸桿菌堿性磷酸酯酶粗提液中純化大腸桿菌堿性磷酸酯酶.實(shí)驗(yàn)3 對(duì)大腸桿菌堿性磷酸酯酶進(jìn)行凝膠過濾柱層析純化，通過運(yùn)用凝膠過濾柱層析技術(shù)，對(duì)制備的大腸桿菌堿性磷酸酯酶離子交換純化產(chǎn)物進(jìn)行凝膠過濾除鹽，進(jìn)一步純化和濃縮酶蛋白.由實(shí)驗(yàn)1～3 組成的綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系系統(tǒng)完整，貫穿了生物工程下游技術(shù)一般工藝過程，有利于學(xué)生在實(shí)踐中深入理解和建構(gòu)生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化過程，掌握高階實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)作技能，有利于學(xué)生將分離純化過程遷移應(yīng)用于其它生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化，對(duì)分離純化過程進(jìn)行系統(tǒng)性創(chuàng)新改進(jìn)，發(fā)展高階思維能力和高階社會(huì)情感能力.

3.3 設(shè)計(jì)組織與高階能力培養(yǎng)目標(biāo)匹配的高階學(xué)習(xí)活動(dòng)

3.3.1 促進(jìn)高階思維能力的高階學(xué)習(xí)活動(dòng) 在傳統(tǒng)教學(xué)方式下，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，高階思維活動(dòng)沒有得以調(diào)動(dòng)，高階能力沒有得到發(fā)展.為了培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，首先，奠定低階思維能力基礎(chǔ)，通過給學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源和答疑輔導(dǎo)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)大腸桿菌磷酸酯酶分離純化技術(shù)的基本概念、原理及流程、形成基本的分析判斷能力，實(shí)現(xiàn)低階思維能力目標(biāo).其次，以問題導(dǎo)向教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生思考如何確定大腸桿菌堿性磷酸酯酶的分離純化條件，分析分離純化結(jié)果與樣例結(jié)果之間的差異，探討如何優(yōu)化分離純化條件.通過問題推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行中階思維活動(dòng)，主動(dòng)將技術(shù)原理遷移應(yīng)用于實(shí)踐情境下問題的解決.最后，在完成大腸桿菌堿性磷酸酯酶分離純化的實(shí)踐操作后，進(jìn)一步組織學(xué)生進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)，布置學(xué)生以小組為單位完成納豆激酶分離純化工藝過程的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)任務(wù).通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生將分離純化技術(shù)從大腸桿菌堿性磷酸酯酶遷移到其它生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化中，引導(dǎo)學(xué)生制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)小組設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步布置學(xué)生完成自主的生物技術(shù)產(chǎn)品分離純化過程個(gè)人課程設(shè)計(jì)，推動(dòng)學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新能力.

3.3.2 促進(jìn)高階社會(huì)情感能力的高階學(xué)習(xí)活動(dòng) 引導(dǎo)學(xué)生以大腸桿菌堿性磷酸酯酶分離純化為例，對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化技術(shù)及工藝過程進(jìn)行價(jià)值評(píng)價(jià)，建立生物技術(shù)產(chǎn)品分離純化技術(shù)革新、生物技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的使命感.在完成實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析的過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，在實(shí)驗(yàn)過程和小組拓展任務(wù)中發(fā)展小組成員之間善于溝通的協(xié)作精神.培養(yǎng)學(xué)生將專業(yè)使命感、科學(xué)態(tài)度、協(xié)作精神融入個(gè)人價(jià)值體系.

3.3.3 促進(jìn)高階動(dòng)作技能的高階學(xué)習(xí)活動(dòng) 給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)儀器操作示范視頻和實(shí)驗(yàn)過程操作示范視頻，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)可以掌握簡(jiǎn)單的低階實(shí)驗(yàn)操作技能，并建立復(fù)雜的高階分離純化操作技能基礎(chǔ).在學(xué)生應(yīng)用柱層析技術(shù)及儀器實(shí)施分離純化復(fù)雜操作的過程中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行具體的指導(dǎo)，促成學(xué)生掌握高階動(dòng)作技能.在實(shí)踐情境下，對(duì)有助于學(xué)生達(dá)成大腸桿菌堿性磷酸酯酶分離純化目的改進(jìn)的分離純化操作或創(chuàng)新的操作給予開放支持的態(tài)度和空間.

3.4 高階能力培養(yǎng)的評(píng)價(jià)方式

評(píng)價(jià)體系是持續(xù)改進(jìn)高階能力培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障.在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)相關(guān)概念和原理的記憶和理解等低階思維能力采用客觀性測(cè)試的評(píng)價(jià)方法，基于學(xué)生應(yīng)用分離純化技術(shù)操作技能取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析和討論對(duì)應(yīng)用和分析等中階思維能力進(jìn)行表現(xiàn)性評(píng)價(jià).基于學(xué)生通過拓展學(xué)習(xí)完成的小組設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)任務(wù)，以及個(gè)人課程設(shè)計(jì)對(duì)評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高階思維能力進(jìn)行表現(xiàn)性評(píng)價(jià).對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的科學(xué)態(tài)度、協(xié)作精神等高階社會(huì)情感能力進(jìn)行表現(xiàn)性評(píng)價(jià).在表現(xiàn)性評(píng)價(jià)的過程中，均預(yù)先設(shè)置評(píng)價(jià)等級(jí)和分值標(biāo)準(zhǔn)，以減少主觀性評(píng)價(jià)中的偏見和誤差.

4 結(jié)語(yǔ)

隨著OBE 理念在高等教育改革中日益普及，課程教學(xué)的中心正從教師轉(zhuǎn)向?qū)W生.生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程在生物技術(shù)人才培養(yǎng)中起到重要的支撐作用，將以學(xué)生為中心落到實(shí)處需要對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行系統(tǒng)性變革.在課程目標(biāo)的設(shè)定中明確高階能力培養(yǎng)目標(biāo)，在科學(xué)的學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下建立與高階能力培養(yǎng)匹配的教學(xué)體系，才能真正支撐高階能力的培養(yǎng).