基于成果導向教育理念的生物工程綜合大實驗建設

梁曉聲 汪文俊 張 莉 張 芯

中南民族大學生命科學學院 湖北武漢 430074

作為一種目標導向的教學理念,成果導向教育理念倡導在教學過程中不再以教師為中心,而以學生為中心,以預期學習成果為出發(fā)點進行教學目標和教學過程的設計,并建立教學評價體系對教學效果與預期效果差異進行評估,并進行持續(xù)改進的教學方式[1]。2016年我國正式加入《華盛頓協(xié)議》,意味著通過我國工程教育認證體系專業(yè)的畢業(yè)生均應被其他簽約組織視為已獲得從事該專業(yè)領域工程工作的學術(shù)資格,《華盛頓協(xié)議》的加入對于推動我國工程技術(shù)人才跨境流動和執(zhí)業(yè)具有重要意義[2]。近年來,教育部推出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”“新工科建設”等一系列新舉措來提高人才培養(yǎng)質(zhì)量并貫徹成果導向的教育理念。在此背景下,生物工程綜合大實驗作為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實施過程中的重要環(huán)節(jié),為實現(xiàn)對學生實踐能力和創(chuàng)新精神的綜合培養(yǎng)目標起到了重要作用。生物工程課程內(nèi)容多而分散,專業(yè)課程按涉及產(chǎn)業(yè)部分基本可分上游、下游兩部分,上游包含細胞生物學、遺傳學、微生物學、基因工程、分子生物學等專業(yè)知識,下游包含分離工程、發(fā)酵工程、生物工程設備、發(fā)酵工廠設計等課程?？傮w而言,涉及生物產(chǎn)業(yè)上下游專業(yè)知識的傳授和培養(yǎng)方法有所共通又有所差異,缺乏與生物工程專業(yè)相匹配的綜合性實踐技能培養(yǎng),導致學生在學習過程中缺乏相關(guān)的實踐經(jīng)驗和創(chuàng)新精神,而這正是目前國內(nèi)高校生物工程實驗課程設置所欠缺的。生物工程綜合大實驗是中南民族大學生物工程專業(yè)本科生的重要實踐教學環(huán)節(jié),通過該課程的學習旨在將基礎教學及實驗部分融會貫通,培養(yǎng)學生的綜合實踐能力、工程意識及創(chuàng)新意識。該課程進行成果導向的教育理念貫徹,并按教學效果持續(xù)改進教學方法在學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)中顯得較為重要。

1 基于成果導向教育理念的課程設計

本課程內(nèi)容分為兩部分:第一部分為啤酒發(fā)酵綜合實驗,該部分學生使用小型車間設備實現(xiàn)啤酒生產(chǎn)的所有單元操作,并對釀造的啤酒進行系列指標監(jiān)測。旨在培養(yǎng)學生應用生物化學、發(fā)酵工程、化工原理、生物工程設備、分離工程等課程的相關(guān)知識,對麥芽汁制備、釀酒酵母的好氧發(fā)酵及厭氧發(fā)酵、流體輸送換熱等單元操作、實現(xiàn)各單元操作的工程設備等進行綜合性的理解和實踐。同時掌握基本的厭氧液體發(fā)酵的實現(xiàn)工藝,能根據(jù)相關(guān)課題進行簡單的工藝路線設計,培養(yǎng)學生具備生物工程下游相關(guān)領域的問題分析和解決能力。通過本部分的學習,學生能查閱發(fā)酵工程各類技術(shù)最新進展及應用前景等相關(guān)資料,提升自主學習能力。第二部分為酵母葡聚糖酶表面展示綜合實驗,該部分學生通過在大腸桿菌中改造穿梭質(zhì)粒載體并電擊轉(zhuǎn)化入酵母細胞,將展示基因重組于酵母基因組,制備微生物固定化的酶產(chǎn)品。旨在培養(yǎng)學生對基因改造、酶學性質(zhì)研究、蛋白質(zhì)誘導表達等知識以實際問題為導向進行綜合性的應用。掌握基本的酵母載體異源蛋白展示表達的基本流程,培養(yǎng)學生具備生物工程上游技術(shù)問題分析和解決能力。通過本部分的學習,學生能查閱外源蛋白表達各種技術(shù)資料,提升自主學習能力[3]。

畢業(yè)要求本課程對應畢業(yè)要求指標點如表1所示,以上述指標點為教學目標,對課程內(nèi)容進行了設計。課程教學目標如下:課程目標1:從認知生物工程綜合實驗的課程學習,使學生掌握生物產(chǎn)品生產(chǎn)的一般過程;課程目標2:通過生物產(chǎn)品制造的流程學習,使學生了解生物工程產(chǎn)品的基本特性,掌握產(chǎn)品制造的基本原理和過程;課程目標3:通過生物產(chǎn)品制造的原理、工藝條件的差異學習,掌握不同類型生物產(chǎn)品生產(chǎn)的基本原理、技術(shù)手段及工藝條件,對各種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程的合理性、實用性和局限性有清晰的認識;課程目標4:通過生物產(chǎn)品實例的學習,掌握生物產(chǎn)品制造過程中的質(zhì)量管理學習,使學生了解生物產(chǎn)品生產(chǎn)運行管理基本要求。本課程的課程目標與畢業(yè)要求對應關(guān)系如表2所示[4]。

表1 課程教學對畢業(yè)要求指標點支撐貢獻

表2 教學目標與畢業(yè)要求的對應矩陣

(1)啤酒釀造部分,麥芽汁制備上罐酵母接種。實驗內(nèi)容:麥芽粉碎、糊化糖化原理及實踐、過濾、煮沸、回旋沉降、換熱、上罐、接種及培養(yǎng)。學習要求:掌握啤酒制造工藝流程及操作流程,理解相關(guān)單元操作及設備原理,可擴展進行相似生產(chǎn)工藝初步設計。(2)啤酒指標監(jiān)測。實驗內(nèi)容:前發(fā)酵后發(fā)酵條件控制及泡沫蓋觀察、持續(xù)取樣監(jiān)測殘?zhí)前被l(fā)酵液酒精度及雙乙酰測定。學習要求:掌握啤酒釀造前發(fā)酵及后發(fā)酵的控溫條件及形態(tài)變化特點,掌握DNS法測糖及茚三酮法測氨基氮的基本原理及操作,掌握蒸餾-酒精計法測酒精度,掌握蒸餾-鄰苯二胺法測雙乙酰,掌握巴林公式計算。(3)啤酒的品鑒。實驗內(nèi)容:食品感官評定表及風味雷達圖進行啤酒感官評定。學習要求:了解食品感官評定方法。

(1)酵母表面展示部分,甘露聚糖酶酵母表達載體的構(gòu)建。實驗內(nèi)容:從微生物中擴增目標DNA片段,酶切鏈接片段和載體,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化感受態(tài)大腸桿菌,抗生素篩選陽性克隆擴增提取質(zhì)粒酶切及測序驗證。學習要求:掌握外源基因酵母表達載體的通用構(gòu)建方法,掌握感受態(tài)大腸桿菌的制備方法。(2)載體電轉(zhuǎn)化酵母及抗性篩選。實驗內(nèi)容:克隆成功表達質(zhì)粒擴增提取,表達質(zhì)粒電轉(zhuǎn)化酵母感受態(tài)細胞,涂布博萊霉素抗性平板篩選陽性克隆,菌落PCR驗證。學習要求:掌握酵母感受態(tài)制備方法,掌握酵母電轉(zhuǎn)化方法及步驟。(3)酵母表面誘導展示及酶活測定。實驗內(nèi)容:酵母擴培,更換培養(yǎng)基并加入甲醇誘導,酶活測定。學習要求:掌握酵母甲醇誘導表達法,掌握甘露聚糖酶測定方法。

2 基于成果導向的教學過程改革與實施

根據(jù)實驗教學大綱、本專業(yè)人才培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求指標點分解、學生基本素質(zhì)和專業(yè)特點以及教學條件等因素,從實驗指導書修訂、實驗內(nèi)容設置、實驗教學方法與手段的改進、實驗成績考核等方面入手,使該綜合實踐實驗的內(nèi)容更加貼近實際。在原有課程基礎上進一步細化實踐課程,調(diào)整出更具有實用性和科學性的知識點。模擬改動生產(chǎn)條件,增設綜合設計性實驗項目,培養(yǎng)學生綜合分析和解決問題的能力,提高學生對整個啤酒發(fā)酵工藝的系統(tǒng)把握和整體思考能力。采用“以學生為中心”的教學方式,通過學生獨立完成課堂教學及實驗操作、整理數(shù)據(jù)等工作來提高其分析問題、解決問題的能力。完善實驗成績考核制度,在保證基本考核內(nèi)容不變的基礎上對過程與結(jié)果進行綜合評價,增強對教學過程的管理并及時通過線上教學軟件回收學生反饋,以分組結(jié)果分析提交的方式對學生參與實驗時間、實驗操作規(guī)范程度、數(shù)據(jù)分析與處理能力等進行考核。建立和完善教師教學過程質(zhì)量監(jiān)督體系和學生學習過程質(zhì)量監(jiān)控體系。通過對學生學習成果進行跟蹤,及時調(diào)整、完善課程設計、實驗方案、教學方法和考核辦法等,根據(jù)學生在教學過程中的參與程度及學習效果進行持續(xù)改進,建立完善的過程性評價體系和學生綜合評價體系,并在課程結(jié)束后進行評估。例如,為了培養(yǎng)學生對啤酒發(fā)酵工藝相關(guān)單元操作和相關(guān)設備、原理的掌握,實驗前讓學生查閱大量資料,了解麥芽制備方法、麥芽粉碎要點并結(jié)合后續(xù)工藝解釋麥芽特殊制備方法和粉碎方法的原因。針對蛇管換熱煮沸和板翅式換熱步驟回顧換熱器換熱面積計算方法及操作條件改變工藝預測的傳熱單元數(shù)法等[5]。對過濾單元操作回顧恒壓過濾恒速過濾方程及過濾時間估算。對回旋沉降操作回顧非均相物系分離顆粒物在離心場中沉降相關(guān)計算方法,并對設備設計要點進行總結(jié)回顧。實驗過程中指導學生正確使用生產(chǎn)設備,最后讓學生獨立完成啤酒釀造上罐及酵母接種實驗。通過對工藝流程及相關(guān)設備工作原理及計算的梳理和學生實際操作,使學生對啤酒釀造有了較為系統(tǒng)和完整的了解和認識,提高了教學質(zhì)量。實驗過程中通過學習平臺分組討論、關(guān)鍵講解效果投票等方式及時獲得教學效果反饋并予以即時修正,課程結(jié)束后在此進行意見收集了解學生對這門課學習情況與本學期實驗教學改革建議以進行后續(xù)持續(xù)改進。對學生考評方式、實驗報告不再作為唯一考評依據(jù),其考評權(quán)重降低至50%以下,增加了學生參與時長評估,課堂操作表現(xiàn),學生對原理了解程度,分組提交的數(shù)據(jù)測定及數(shù)據(jù)處理是否規(guī)范等作為考評依據(jù)。此外,我們還建立了教師、實驗室人員、其他相關(guān)學科教師及其他實驗室人員共同參與的評價體系。通過評價體系來對整個實驗過程進行全程指導和評估。

結(jié)語

本文結(jié)合教學改革的經(jīng)驗,介紹了將結(jié)果導向教育理念應用于生物工程綜合大實驗課程的目標定位、課程實施和課程評價的實踐過程。通過引入成果導向教育理念,課程目標定位更加準確,可執(zhí)行性更強,課程實施更具可操作性,課程評價更具客觀性和指導性。成果導向的教育理念的落實在該課程上取得了良好的教學效果,學生踴躍開展相關(guān)課題研究,在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中多次獲獎,發(fā)表論文多篇。學生利用假期到發(fā)酵工程相關(guān)企業(yè)實習,參與公司產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn),為今后的職業(yè)發(fā)展奠定了良好的基礎。