新工科背景下生物學(xué)實踐教學(xué)模式探究

司曉棠，于孟飛，劉慶華

（中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 & 武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護與利用湖北省重點實驗室 &醫(yī)學(xué)生物研究所，武漢 430074）

新工科要求把新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新方法和新質(zhì)量等元素融入到工科建設(shè)中，旨在大力培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新及應(yīng)用型人才.美國麻省理工學(xué)院（MIT）成立之初，就確立了理論與實踐相結(jié)合，且致力于研究以應(yīng)用為本的理念［1］.國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，迫切呼喚新工科人才［2］.新冠疫情發(fā)生也為生物學(xué)新工科建設(shè)提供了新的需求，探究改革生物學(xué)實踐教學(xué)模式更是重中之重，因為實踐教學(xué)是工科生實踐能力和創(chuàng)新能力生成的關(guān)鍵所在，也是我國高等工科教育的薄弱環(huán)節(jié)［3］.顧明遠(yuǎn)指出：實踐教學(xué)是相對于理論教學(xué)的各種教學(xué)活動的總稱，包括實驗、實習(xí)、設(shè)計、工程測繪、社會調(diào)查等［4］.實踐既驗證理論，更是探索發(fā)現(xiàn)新問題的途徑，是創(chuàng)新的起點也是創(chuàng)新的重點.國外一流工科院校注重實踐教學(xué)，“手腦并重”，把實踐與理論教學(xué)的模式始終貫穿于人才培育的整個過程中［3］.本文結(jié)合中南民族大學(xué)（以下簡稱：本校）生物學(xué)工科實踐教學(xué)實際，借鑒國外名校實踐教學(xué)經(jīng)驗，探究適合新工科發(fā)展的實踐教學(xué)模式.

近兩年，本校為了加快新工科認(rèn)證，在生物學(xué)新工科實踐教學(xué)方面加大投入：增加實踐經(jīng)費，加強師資培訓(xùn)，購置實驗設(shè)備，改革課程（理論與實踐）設(shè)置比例等，但與新工科認(rèn)證的目標(biāo)仍有差距：（1）對實踐教學(xué)體系重視不夠，影響學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力；（2）實驗實踐教學(xué)內(nèi)容單一、更新不及時，制約學(xué)生理論聯(lián)系實際應(yīng)用水平的發(fā)揮；（3）大型儀器設(shè)備、綜合性實驗平臺等硬件建設(shè)滯后，限制了學(xué)生實踐創(chuàng)新的激情；（4）實踐師資力量的提升與培訓(xùn)欠缺，達(dá)不到實踐要求應(yīng)有的效果.以上等因素嚴(yán)重地阻礙了新工科的認(rèn)證進(jìn)程.針對這些困境，本文依新工科“五新”范式，從轉(zhuǎn)變理念、探索新的教學(xué)模式與評價方法、借鑒新的培養(yǎng)方式等方面提高實踐教學(xué)質(zhì)量.

1 對實踐教學(xué)的重視

過去，“重論文、輕設(shè)計、缺實踐”，同時也忽視對實踐教育的評價；如今，必須轉(zhuǎn)變觀念，從弊端中走出來，在教學(xué)中強化實踐訓(xùn)練，提升設(shè)計能力，加強創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)方法的培養(yǎng)，因為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)均來源于實踐.鳳凰衛(wèi)視拍攝的紀(jì)錄片《常青藤零距離》中的斯坦福大學(xué)在這方面成績斐然：該校在鼓勵學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐中形成了成熟的“一條龍”服務(wù)（實踐創(chuàng)新成果—申請專利—創(chuàng)業(yè)開公司），在其驅(qū)動下，學(xué)生實現(xiàn)夢想，學(xué)校占有股份，從某種程度上說，美國國家經(jīng)濟的繁榮有賴于此.有報告顯示：斯坦福等名校近年來催化落地的創(chuàng)業(yè)公司達(dá)4000 多家，為社會提供工作崗位110 萬余個.可見，大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐對社會的發(fā)展、經(jīng)濟的繁榮作用顯著.因此，理論與實踐教學(xué)不是主從關(guān)系，而是相互依存、相互轉(zhuǎn)化的辨證統(tǒng)一關(guān)系.

2 改革實驗實踐教學(xué)模式

2.1 依行業(yè)發(fā)展或需求更新實驗內(nèi)容

2.1.1 實驗內(nèi)容注重應(yīng)用

課程內(nèi)容多聯(lián)系企業(yè)案例，強調(diào)實用性.以生物學(xué)課程實踐——《工廠實習(xí)》來說，這門實踐課對大多數(shù)學(xué)生而言有走馬觀花之嫌：理論與實踐脫節(jié)，因為他們平時的課堂實驗內(nèi)容與現(xiàn)實企業(yè)生產(chǎn)關(guān)聯(lián)度不夠，即實驗課程的現(xiàn)實應(yīng)用性弱.鑒于此，應(yīng)在實習(xí)前，先從該企業(yè)的產(chǎn)品中選1～2 個設(shè)計為課堂實驗內(nèi)容的一部分，讓學(xué)生提前熟悉其實驗（小試）過程，然后通過實習(xí)實踐（大生產(chǎn)）掌握該實驗的現(xiàn)實應(yīng)用.以湖北華大瑞爾科技有限公司生產(chǎn)的唯特菌康（豬、禽及水產(chǎn)專用型微生態(tài)制劑）為例，此產(chǎn)品市場認(rèn)可度很高.課程依此制劑配方（枯草芽孢桿菌、糞腸球菌及地衣芽孢桿菌等），選擇相應(yīng)的生物發(fā)酵工藝，設(shè)計成課堂實驗，得到實驗產(chǎn)物1，與在企業(yè)生產(chǎn)實習(xí)（大生產(chǎn)）得到的產(chǎn)品2進(jìn)行比較，鑒別其異同并分析原因，激發(fā)學(xué)生的實踐熱情和創(chuàng)新激情，鍛煉他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的應(yīng)用能力，增加實驗實踐的吸引力.又如：湖北東信藥業(yè)儀器分析室的儀器無論是在數(shù)量上還是在精密程度上都不及本校，但它完全能為企業(yè)所有的產(chǎn)品服務(wù)并符合藥典相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)，這體現(xiàn)了企業(yè)注重的是實用性：“金銀花露”中芳樟醇的含量測定選用氣相色譜儀；“藿香正氣水”選用液相色譜儀測定產(chǎn)品中的厚樸酚、和厚樸酚（厚樸）及陳皮苷（陳皮）的含量，選用薄層掃描儀檢測處方中其他幾味中藥主要成分；對乙酰氨基酚酸則應(yīng)用紅外和紫外光譜儀進(jìn)行檢測或含量測定.啟發(fā)學(xué)生選用不同儀器的原理是由以上制劑處方中藥材主要成分的化學(xué)性質(zhì)而定，如此實習(xí)實踐，大大提高了學(xué)生理論聯(lián)系實際、優(yōu)化儀器選擇與規(guī)范操作的能力，真正做到了學(xué)以致用.

2.1.2 實驗內(nèi)容注重環(huán)保

生物實驗過程中產(chǎn)生的“三廢”對環(huán)境的負(fù)面影響引起社會關(guān)注，推廣無毒無害溶劑或不用溶劑進(jìn)行實驗或仿真實驗等是生物實驗優(yōu)化的首要條件，爭取零排放，從源頭上減少污染，比如生物學(xué)核酸電泳實驗中，用GoldView 替代溴化乙錠（EB）；葉綠素提取分離實驗中，采用毒性小的石油醚-二氯甲烷層析系統(tǒng)替代劇毒致癌物苯的使用［5］；食品專業(yè)“微量凱氏定氮法測蛋白質(zhì)含量”實驗中，消化產(chǎn)生的有害氣體SO2，可以通過改進(jìn)消化儀的冷凝水裝置對其進(jìn)行吸收，這些措施大大降低了實驗對環(huán)境和實驗人員的危害.

2.1.3 實驗內(nèi)容緊跟時代

減少驗證性實驗，增加創(chuàng)新性、跨學(xué)科性、綜合設(shè)計性實驗，及時將學(xué)科發(fā)展的新技術(shù)、新成果引入到實驗課程的教學(xué)中.2020年新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）肆瘧人類，社會急需“招之能來，來之能戰(zhàn)”的生物學(xué)應(yīng)用人才，這對生物學(xué)工科專業(yè)建設(shè)提出了更緊迫的要求，實驗課程應(yīng)適應(yīng)時代變化，選擇與社會需求及熱點相關(guān)的實驗內(nèi)容，開設(shè)與病毒鑒定及檢測相關(guān)的基礎(chǔ)性實驗項目，如：快速核酸提取方法、DNA和RNA測序、實時熒光定量PCR檢測核酸片段、動物血清抗體的酶聯(lián)免疫吸附（ELISA）檢測等.此外，利用計算機模擬和仿真實驗，幫助學(xué)生了解和掌握抗病毒靶向藥物的設(shè)計原則，以及疫苗研發(fā)的主要流程.這樣的實踐更貼近時代需求，因為21世紀(jì)最偉大的創(chuàng)新將來源于基于解決人類面臨的挑戰(zhàn)問題而不是追求利潤的創(chuàng)新［6］.

2.1.4 國外實驗課程啟示“他山之石，可以攻玉”

國外的實踐教學(xué)［7-9］給予的啟發(fā)很多：（1）國外（如英國、德國）名校的大學(xué)沒有固定的實驗實踐教材，它們更傾向于將本學(xué)科最新最前沿的成果或進(jìn)展傳授給學(xué)生，及時更新教學(xué)內(nèi)容，介紹最新專業(yè)技術(shù)、企業(yè)的真實案例、產(chǎn)品的營銷方案等［10］，具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值，更易服務(wù)社會；（2）側(cè)重培養(yǎng)通識型人才，因為相對狹窄的知識面必然制約人們發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力；（3）培養(yǎng)團隊通力協(xié)作能力，不同學(xué)科領(lǐng)域的團結(jié)協(xié)作對解決具有較大綜合性的原創(chuàng)性科研課題來說，是一種非常有效的手段；（4）實踐課程占比很高，有的理論與實驗課比達(dá)到1∶3.本校生物課程之間整合不足，實驗內(nèi)容重復(fù)突出，理論課程多，擠占了學(xué)生實踐時間，這顯然與新工科培育新型應(yīng)用人才的要求相悖.

2.2 視學(xué)生興趣或愛好探究教學(xué)方式

2.2.1 積極探索網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)方式

因疫情學(xué)生“停課不停學(xué)”，網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)成主流：阿里釘釘、騰訊課堂、QQ、企業(yè)微信都參與在線直播，為實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合提供契機.沒有網(wǎng)絡(luò)化，實驗教學(xué)肯定會僵化，新工科建設(shè)也會虛化.生物學(xué)科應(yīng)借鑒渥太華大學(xué)實踐教學(xué)方式：教師提前將相關(guān)實驗（尤其是綜合性實驗、畢業(yè)設(shè)計實驗及跨學(xué)科的競賽實驗等）中涉及到的知識點，實驗儀器原理等信息以文檔或短視頻方式發(fā)到網(wǎng)上供學(xué)生學(xué)習(xí)參考［9］，學(xué)生檢索查找相關(guān)信息，將實驗設(shè)計和檢索的全過程制成小視頻，借助網(wǎng)絡(luò)或虛擬技術(shù)展示個人實驗設(shè)計或構(gòu)思，實驗設(shè)計相近的學(xué)生組成實驗小組，在課程討論區(qū)與老師進(jìn)行交流探討，共同完善實驗方案；線下在實驗室中進(jìn)行實踐操作，驗證設(shè)計實驗內(nèi)容，未得到預(yù)期的實驗結(jié)果時，師生共同分析并解決可能存在的問題，這樣的實驗過程或許會有新的創(chuàng)意或突破，創(chuàng)新的思維往往來源于此.這種線上互動線下操作的實驗課程體系一定會激發(fā)學(xué)生實驗熱情，鍛煉同學(xué)們的實踐思考和創(chuàng)新能力.同時這種網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)方式也大大提高了師生們討論的自由度和參與度，碎片化時間的利用率得到最大優(yōu)化.

2.2.2 倡導(dǎo)開放式實驗教學(xué)模式

開放性（全天24 小時開放）實驗教學(xué)模式延深了網(wǎng)上實驗設(shè)計與討論的自由性，為同學(xué)們提供線下綜合實驗的平臺，自主學(xué)習(xí)探究實驗的操作空間.學(xué)生通過開放實驗?zāi)Ｊ降挠?xùn)練，綜合素質(zhì)可以得到較全面的提升：（1）線上查閱資料、設(shè)計最佳實驗方案；（2）篩選實驗方法，選擇相關(guān)實驗儀器；（3）創(chuàng)建實驗團隊，協(xié)調(diào)團隊分工合作；（4）分析實驗結(jié)果，總結(jié)實驗成果，提出可行性改進(jìn)意見.總之，開放實驗教學(xué)模式涵蓋面廣，既開放儀器資源，也面向各專業(yè)學(xué)生開放，更面向跨學(xué)科的綜合實驗開放；既是課程設(shè)計，也是畢業(yè)設(shè)計，更是大學(xué)生生物各項競賽實施的載體［11］.

2.3 隨時代變化或變革創(chuàng)新實踐形式

2020 年新冠疫情倒逼課程創(chuàng)新實踐教學(xué)形式，刻不容緩，突出體現(xiàn)在工科生的工廠實習(xí)環(huán)節(jié)，為轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的到崗實習(xí)為形式多樣的脫崗模擬實習(xí)，可借助快手、抖音、主播、音響視頻、仿真實驗等手段或工具來達(dá)到可視化、可及化實踐效果.首先，收集整理學(xué)生對實習(xí)單位、實習(xí)內(nèi)容的要求和他們的實習(xí)期望，選擇有代表性、可行性的工廠實習(xí)內(nèi)容、實習(xí)項目及實習(xí)流程作為實踐載體.然后安排學(xué)生分組、分時間段線上實踐，此時在工廠端，由專業(yè)教師或?qū)嵺`導(dǎo)師現(xiàn)場講解工廠實習(xí)內(nèi)容、原理、流程、產(chǎn)品及相關(guān)注意事項等細(xì)節(jié)并制成工廠實習(xí)視頻，鼓勵視頻模仿“直播帶貨”方式在線與學(xué)生互動，隨問隨答并現(xiàn)場操作演示，對參與實習(xí)同學(xué)采用激勵淘汰機制，激發(fā)學(xué)生在線實踐興趣.這種方式既靈活又高效.最后，總結(jié)學(xué)生線上工廠實習(xí)心得及反饋意見，進(jìn)一步改進(jìn)完善實踐環(huán)節(jié).一旦現(xiàn)場實習(xí)條件允許，可以爭取在較短的時間內(nèi)完成線下工廠實習(xí)，使線上的模擬在現(xiàn)實中得以實操，定能達(dá)到事半功倍的效果，這種線上線下模式可為實踐改革提供有力支撐.

2.4 應(yīng)公平公正或科學(xué)評價實踐考核

許多高校并沒有將實踐考核成績納入評價體系，使實踐考核未得到應(yīng)有的重視.有些高校對實驗水平、動手能力等方面的考核往往僅作為參考或被忽略不計，仍采取傳統(tǒng)的一考定乾坤的模式［12］.本校生物學(xué)科雖將實驗實踐成績納入考核系統(tǒng)，但其占比較低，而且實踐評價環(huán)節(jié)也存在諸多不公因素，達(dá)不到實踐課程的最終教學(xué)目標(biāo).鑒于新工科對新型人才的要求不同，美國工程與技術(shù)認(rèn)證委員會（ABET）對21世紀(jì)新的工程人才提出了11條評估標(biāo)準(zhǔn)，促使本校在實踐教學(xué)的考核方面應(yīng)采取新的舉措：（1）增加職業(yè)性評價方式，注重實踐的現(xiàn)實應(yīng)用性，而不只是以實驗項目、畢業(yè)設(shè)計及答辯的完成情況考核評價學(xué)生的實踐能力；（2）增加過程性評價權(quán)重，提高對實驗儀器的選擇與規(guī)范操作、獨立完成實驗和思考實驗中遇到的問題、團隊協(xié)助提出問題和解決問題的能力等方面評價的比例，因為能力的培養(yǎng)本身就是過程的積累；（3）增加企業(yè)性評價內(nèi)容，體現(xiàn)社會評價標(biāo)準(zhǔn)的價值傾向，契合崗位實際和社會市場需求［13］.

2.5 重師資培訓(xùn)或提升優(yōu)化實驗隊伍

高水平的實驗教師團隊是培養(yǎng)符合行業(yè)需求工科人才的有力保障，是新工科認(rèn)證的必備要素.加拿大、美國的高校對實踐教師的要求相當(dāng)高：前者在聘任教師時，除了學(xué)歷、研究成果以外，與工程相關(guān)的專業(yè)教師一定要有企業(yè)工作經(jīng)歷和項目研究基礎(chǔ)，為了跟上行業(yè)時代步伐，他們還被要求每3 年必須重返業(yè)界實踐，了解業(yè)界最新的發(fā)展動態(tài)；后者不僅要求應(yīng)用型院校教師對所授技術(shù)課程有一年以上的工作經(jīng)驗或相關(guān)領(lǐng)域5年以上的實際經(jīng)驗，還要求他們具備獨立研判和擔(dān)任顧問的能力［8-9］.本校實驗教學(xué)團隊往往是由實驗技術(shù)人員與專業(yè)教師組成，學(xué)歷參差不齊，指導(dǎo)實驗的教師多為毫無企業(yè)實踐經(jīng)歷的博士生，整體實踐能力較弱，指導(dǎo)學(xué)生實踐能力亟待提升.為適應(yīng)新工科發(fā)展，借鑒國外高校實踐教學(xué)經(jīng)驗，可邀請業(yè)內(nèi)名師、專家、企業(yè)家和擁有豐富實踐經(jīng)驗的工程師參與實踐教學(xué)，同時加大力度送出實驗教學(xué)人員，參加行業(yè)培訓(xùn)和進(jìn)修，完善其理論知識與實踐能力的結(jié)構(gòu)，建立校企業(yè)合作平臺，以此實現(xiàn)打造“雙師雙能”型［14］或組建“理論和實踐兼修”型實踐教師隊伍，提升實驗教學(xué)團隊的綜合能力.

2.6 倡導(dǎo)創(chuàng)新實踐團隊和校企合作的特色實踐教學(xué)格局

生物學(xué)專業(yè)因?qū)W科的特殊性，必須與實踐應(yīng)用相伴而行.國外高校工科實踐培育經(jīng)驗和國內(nèi)新工科建設(shè)探究均充分肯定了創(chuàng)新實踐團隊和校企合作是工科學(xué)生實踐能力提升必不可少的重要的環(huán)節(jié).創(chuàng)新實踐團隊在提高學(xué)生實踐能力的同時也加強了團隊間多學(xué)科融合能力與團隊合作能力.校企合作更貼近市場需求，培育契合社會需求的工科人才.2019 年6 月教育部通知“引導(dǎo)行業(yè)、企業(yè)和學(xué)校積極開展學(xué)徒培養(yǎng)”要求：專業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求對接、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對接，落實雙導(dǎo)師團隊建設(shè)重點任務(wù)，推廣學(xué)校教師和企業(yè)師傅共同承擔(dān)教育教學(xué)任務(wù)的雙導(dǎo)師制度.本校生物學(xué)新工科發(fā)展應(yīng)抓住當(dāng)前機遇，與研究或生產(chǎn)病毒疫苗、生物制藥、食品安全檢測、快速檢測試劑（盒）等相關(guān)企業(yè)加深加寬合作，共同面對生產(chǎn)或研究過程中出現(xiàn)的問題、解決困難，服務(wù)社會，造福人類.增加學(xué)生專業(yè)認(rèn)同感，提升實踐能力培養(yǎng)的成就感.目前，以上合作形式有待進(jìn)一步加強，須倡導(dǎo)借鑒國外的由政府調(diào)控、高校和企業(yè)共同培育大學(xué)生的實踐教育模式［15-16］，使國家、企業(yè)參與度更高，因為解決工科實踐教學(xué)不僅是學(xué)校一家之事，更是社會相關(guān)部門通力合作之事.

2.7 嘗試新工科精英班培育模式

為積極推進(jìn)生物學(xué)專業(yè)新工科論證建設(shè)，效仿2020 年國家“強基計劃”（主要目的是選拔培養(yǎng)有志于服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求且綜合素質(zhì)優(yōu)秀或基礎(chǔ)學(xué)科拔尖的學(xué)生）做法，建議本校生物學(xué)工科嘗試精英班教學(xué)，突出實踐與應(yīng)用環(huán)節(jié)的培育.本校生物育種小班教學(xué)實踐證明：小班學(xué)生在理論水平、實驗動手能力、競賽得獎率、考研上線率及重點學(xué)校研究生錄取比例等方面均優(yōu)于普通班.所以創(chuàng)建新工科精英小班教學(xué)的嘗試是可行的，所謂“精英小班教學(xué)”，是指在大一新生入學(xué)時，經(jīng)各方面篩選擇優(yōu)錄取20 人組建小班，在其培養(yǎng)過程中，注重基礎(chǔ)課程的開設(shè)并由教授來講授，適當(dāng)減少演示性、驗證性實驗，增加綜合性、設(shè)計性實驗.平時要求學(xué)生多參與生物學(xué)科的科研、學(xué)術(shù)講座，積極參加競賽項目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實訓(xùn)練習(xí)，側(cè)重學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng).在其實踐教學(xué)中，引入實踐項目研究，組建老師+學(xué)生+企業(yè)工程老師團隊模式，借鑒德國亞琛工業(yè)大學(xué)的實踐教學(xué)方式［17］，鍛煉學(xué)生在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，為其創(chuàng)新意識的樹立提供實踐基礎(chǔ).走一條類似于“錢班”（錢學(xué)森力學(xué)班）［18］或Olin College of Engineering（歐林工學(xué)院）的辦學(xué)經(jīng)驗［6］之路，為探究新工科實踐教學(xué)模式提供實踐和理論依據(jù).

3 結(jié)語

與國外高校的實踐教學(xué)相比較，本校生物學(xué)新工科建設(shè)應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念，與時俱進(jìn)，體現(xiàn)實踐在現(xiàn)實中的應(yīng)用價值，因為無論是美國的通才還是德國的專才實踐培養(yǎng)模式，其共同點都是符合當(dāng)前國情之需，重點關(guān)注實踐教育這一關(guān)鍵環(huán)節(jié).因此本文建議本校生物學(xué)工科實踐教育要圍繞時代需求，改革實踐內(nèi)容，創(chuàng)新實踐形式，健全實踐評價體系，提升實踐師資能力，走一條特色鮮明、學(xué)校企業(yè)高度融合的實踐教學(xué)之路，為社會培養(yǎng)出更多的新型應(yīng)用人才.