強化學生工程思維的《生物化學工程》課程體系的教學改革*

于 貞，姜愛莉，邢榮蓮

(煙臺大學生命科學學院，山東 煙臺 264005)

工程思維是工科學生必備的核心能力[1]。培養(yǎng)好學生的工程思維，也是全面落實OBE理念的重要舉措。李伯聰認為，工程思維是在以科學思維指導下的把工程問題求解和工程思維過程看作一個“設計出一個可行的、適當?shù)?、從工程初始狀態(tài)到達目標狀態(tài)的操作程序或操作路徑的過程”，所以工程教育必須以培養(yǎng)工程思維能力為核心任務和基本內容[2]。

《生物化學工程》是將生物技術的實驗室成果轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的學科，它研究和解決的是生物反應過程中帶有共性的工程技術問題[3]，因而《生物化學工程》是生物工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎課。它的理論性和實踐性都非常強，在生物工程專業(yè)課教學中占有十分重要的地位，對于提高學生的理論水平和培養(yǎng)學生的工程思維方面都起到重要的作用。

工程思維的訓練不僅僅需要在理論課授課時要加強，在后面的實踐教學過程中也應該有意識地將理論聯(lián)系實踐這一行為貫徹到底，讓學生在以后的科研和生產(chǎn)活動中自覺地將理論和實踐相聯(lián)系，使這種工程思維模式形成習慣，能夠大大地提高科研和生產(chǎn)活動的效率。實踐教學過程，本就是理論聯(lián)系實踐的過程，在訓練學生的工程思維方面發(fā)揮著重要的作用。

1 傳統(tǒng)《生物化學工程》教學中存在的問題

傳統(tǒng)的《生物化學工程》在教學過程中存在以下幾個問題：

1)課堂教學方面?！渡锘瘜W工程》對《高等數(shù)學》的要求比較高，同時其前修課程，既包括了對數(shù)學要求很高的《物理化學》和《化工原理》，還包括《生物化學》《微生物學》等課程，因此，《生物化學工程》是一門綜合性強，理論性強和邏輯性強，讓學生覺得難度很大的理論基礎課程。該課程包含許多復雜的數(shù)學公式，以往的《生物化學工程》課堂教學過程中，為了解決學生數(shù)學基礎薄弱的現(xiàn)象，花費了大量的時間講授動力學公式的推導過程。由于教學計劃里《生物化學工程》授課時間從64學時改為48學時，導致動力學理論應用方面講的比較少，使理論學習和實踐應用發(fā)生脫節(jié)，學生的科學思維模式不能有效轉變成工程思維模式。

2)實踐教學方面。首先是學生認識上的不足。長期以來，學生重理論輕實踐的現(xiàn)象很普遍，主要表現(xiàn)為預習就是抄講義，沒有對實驗原理和實驗過程中采用的方法進行深入的了解；其次，在實驗過程中只是機械地照搬操作步驟，并不關心為什么要采用這樣的實驗步驟。這種不求甚解的學習方式在基礎實驗課(因為是驗證實驗)是可行的，但在專業(yè)綜合實驗過程中卻是不可取的。另外，在實驗報告的撰寫過程中，對于實驗過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，學生往往用誤差來解釋，并沒有進行深入的探究，所以很難起到工程思維訓練的目的。

2 《生物化學工程》教學改革理論

為了更好地貫徹OBE的教學理念，強化學生工程思維的訓練，我們就強化工程思維的教學改革在理論方面進行了探索。

1)將《生物化學工程》與前修課程進行融會貫通是學好該課程的前提條件。新工科的重要特征之一就是跨學科課程，表現(xiàn)為以工程活動中的數(shù)學、理化和技術問題為核心，應用工程設計思維去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。在這個過程中，需要多學科相互融合，讓學生的科學思維模式轉變?yōu)楣こ趟季S模式，這個轉變的過程就是理論聯(lián)系實踐的過程。

2)工程思維模式是通過課堂教學形成的。《生物化學工程》課程就是為解決生物技術轉化成現(xiàn)實生產(chǎn)力,也就是由實驗室規(guī)模轉化成工業(yè)規(guī)模的工程技術問題而誕生的，所以《生物化學工程》是通過數(shù)學語言來解決工程技術問題。其描述的動力學關系就是用數(shù)學公式表示的，但在應用之前，數(shù)理化與工程技術首先進行融會貫通即工程化，才能成為進行動力學實驗的設計和分析的依據(jù)。所以我們提出了將《生物化學工程》理論教學與前期相關課程交叉融合，結合科研項目和生產(chǎn)實例，對學生的工程思維模式進行訓練。訓練的過程就是工程化思維形成的過程，也是學生的工程意識建立的過程。

3)工程思維模式通過主動參與科研項目得到強化?！犊蒲屑寄苷n》《生物工程與工藝綜合實驗》及《生物工程專業(yè)方向實驗》恰恰能夠讓學生切實將發(fā)酵動力學理論與實踐相結合的教學思想進一步得到夯實。這個過程，從學生查閱文獻開始，到設計實驗方案，最后完成實驗并對實驗結果進行合理分析等等，都是以學生為主體進行的。這個過程不僅調動了學生的學習專業(yè)的主動性和能動性，更重要的是讓學生養(yǎng)成科學的思維，培養(yǎng)了學生用所學理論分析問題和解決問題的能力，也就是理論聯(lián)系實踐的能力進一步增強。

4)專業(yè)課在塑造學生思想政治意識和觀念方面同樣有著重要作用，也是高校全方位育人體系中的重要環(huán)節(jié)。因此，《生物化學工程》在授課過程中，除了注重學生工程思維模式的培養(yǎng)外，還對其中蘊含的思政元素進行挖掘，引導學生樹立正確的世界觀、樂觀進取的人生觀和積極向上的價值觀。

3 《生物化學工程》教學改革內容

在上述理論指導下，我們課題組進行了如下的教學改革：

1)構建了新的《生物化學工程》的課程體系。將《科研技能課》《生物工程與工藝綜合實驗》《計算機仿真》及《生物工程專業(yè)方面實驗》納入到《生物化學工程》課程體系中來，將工程思維運用到實踐教學過程中，使學生在實踐中進一步強化工程意識和工程思維。

2)注重各學科的交叉融合，使學生的科學思維模式向工程思維模式轉變，并通過假想的科研項目對工程思維進行訓練。在講解基本概念時，先從純數(shù)學的角度對它進行深度解析，講解數(shù)學理論與工程實踐的差異，面對復雜的工程問題，如何才能最大限度地減小誤差，保證生產(chǎn)的順利進行。在此基礎上力求將概念具體化和實踐化，即工程化，實際上是將工程化的思維模式顯性化。比如，要獲得某個反應過程的模型參數(shù)，根據(jù)所學的動力學理論，如果是從數(shù)學的角度應該怎么做，如果從工程的角度又應該如何進行變通。從而決定了具體實驗方案的設計，要采集哪些數(shù)據(jù)，怎樣采集，采集的數(shù)據(jù)如何進行科學處理才能獲得正確的結果。特別是，最后作直線圖是通過5點作圖(而不是數(shù)學上的兩點作圖法)，通過直線在兩個坐標軸上的截距來得到模型參數(shù)(而不是通過數(shù)學上的聯(lián)立求解的方式得到模型參數(shù))，將純數(shù)學方法和最小二乘法(工程方法)之間的明顯不同通過圖示加以說明，最后建立了實驗設計題庫。通過布置類似的作業(yè)，讓同學們自己根據(jù)動力學方程設計實驗方案，并列出要采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的處理方法，對工程思維方式進行訓練。

3)將課程思政融入到理論課授課過程中，引導學生強化工程意識，增強學好理論課的緊迫感和使命感，做一個有社會責任感的高級工程技術人才。例如，青霉素工業(yè)化，是解決了溶氧和染菌的主要矛盾的基礎上才實現(xiàn)的，讓學生意識到在解決復雜的工程技術問題上要善于發(fā)現(xiàn)問題，抓住主要矛盾；青霉素的發(fā)酵單位從最初的 40 U/mL 到 90000 U/mL 的巨大提高[4]，讓學生體會到《生物化學工程》在生物技術產(chǎn)業(yè)化進程中的橋梁作用，深刻體會到《生物化學工程》理論突破對生產(chǎn)力的巨大推進作用，增強學生學好《生物化學工程》的內在動力和使命感。再如，以玉米為原料利用雙酶法制糖的過程中，玉米的各種成分都被制成相應的產(chǎn)品，實現(xiàn)了玉米原料的完全利用，及廢物的零排放，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的統(tǒng)一，使學生堅定成為有情懷有能力的復合型高級工程技術人才的信念。

4)在實踐教學過程中，讓學生借助具體的科研課題，強化學生的工程思維，增強學生理論聯(lián)系實踐的水平。

首先，將我們課題組成員自主研發(fā)的計算機仿真軟件與生物工程與工藝綜合實驗有機結合。計算機仿真軟件會把《生物化學工程》的理論對實踐的指導作用通過仿真直觀地顯示出來。實驗之前，讓學生對谷氨酸發(fā)酵的生產(chǎn)過程進行計算機模擬，通過仿真環(huán)節(jié)，熟悉整個生產(chǎn)過程，了解操作要點，以及生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)的非正常現(xiàn)象及處理方法。再結合實驗講義進行預習，加深對整個實驗的理解。實驗之前學生自主進行實驗內容的設計，老師只負責工藝路線的整體設計，由學生自己根據(jù)生產(chǎn)過程的主要工藝參數(shù)制定具體的實驗方案，并說明理由。對實驗過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，提出自己的分析，給出解決措施。實驗室過程中，學生可以根據(jù)真實的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的走向判定自己的分析是否正確，從而進行調整和改進。

其次，通過特定的科研任務，在查閱文獻的基礎上，設計實驗方案并實施，不但訓練了學生的工程思維，而且在方案的設計和數(shù)據(jù)的分析和研判過程中強化了學生理論聯(lián)系實踐的能力。對于《生物工程專業(yè)方向實驗》和《科研技能課》，要求學生根據(jù)老師布置的科研任務進行充分的資料查詢，寫出實驗方案，并組成小組進行討論，整個小組把討論后的實驗方案交給指導教師審閱。正式實驗前，指導教師對該實驗過程中所涉及到的理論知識進行提問，對實驗過程中可能會用到的實驗操作讓學生進行預演，并說明這樣做的原因，然后對實驗過程中可能出現(xiàn)的問題用學過的理論知識進行解釋，最后學生自己獨立完成整個實驗。在實驗過程中，學生可以隨時和指導教師進行討論，充分發(fā)揮了學生的主動性、能動性，調動了學生對實踐教學的積極性，鍛煉了學生的動手能力，同時訓練了學生的科研思維。在這個過程中，學生的理論聯(lián)系實踐的能力得到大幅提高。

4 結語

堅持理論教學與實驗教學并重的原則，在學科交叉融合的基礎上，訓練學生的工程思維模式，強調要培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實踐的能力的教學理念，讓學生能夠正確地應用所學理論分析生產(chǎn)和科研過程中出現(xiàn)的問題。教改后突出了學生的主體地位，強化了學生的工程思維，同時融入思政元素；以人為本，以能力培養(yǎng)為核心，把知識傳授、能力培養(yǎng)與素質提高有機結合，促進學生全面協(xié)調發(fā)展，有利于應用型、復合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標。本課題研究成果從2019年開始在煙臺大學生物工程專業(yè)的學生中使用，收到了良好的教學效果。