面向新工科的酶工程CDIO課程教學(xué)改革與實踐

［摘 要］酶工程技術(shù)性、應(yīng)用性極強，具有多學(xué)科交叉融合的特點。為了適應(yīng)新工科培養(yǎng)要求，更好地服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，培養(yǎng)卓越工程師，相關(guān)高校和科研機構(gòu)對酶工程課程進(jìn)行了教學(xué)改革。首先，優(yōu)化教學(xué)大綱，整合課程內(nèi)容；其次，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將線上教學(xué)和線下實踐相結(jié)合，引入虛擬仿真實驗，增加酶制劑生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研環(huán)節(jié)；再次，融入思政元素，講述酶學(xué)研究或酶制劑產(chǎn)業(yè)背后的科學(xué)及人文故事；最后，豐富授課形式，注重過程考核，多角度考查學(xué)生學(xué)習(xí)情況。這樣的教學(xué)改革有助于建立適應(yīng)新工科要求的酶工程CDIO課程教學(xué)新模式，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力、社會責(zé)任感、解決復(fù)雜工程問題能力、國際視野和家國情懷，了解學(xué)科前沿與行業(yè)發(fā)展，能夠引領(lǐng)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)酶工程技術(shù)人才。

［關(guān)鍵詞］新工科；酶工程課程；工程教育；課程教學(xué)改革

［中圖分類號］G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）12-0029-04

CDIO（conceive， design， implement和operate）是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等提出的一種新的工程教育模式，是國際工程教育改革發(fā)展的新趨勢，順應(yīng)時代發(fā)展和人才培養(yǎng)需求[1-2]。CDIO將工科類學(xué)生的培養(yǎng)大綱分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力四個層面[3]。隨著新工科的發(fā)展，CDIO教學(xué)模式逐漸受到重視，在新工科教育方面發(fā)揮著越來越重要的作用。CDIO 工程教育模式已經(jīng)被引入許多專業(yè)課程教學(xué)實踐中，比如以精密機械設(shè)計為切入點的機械相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革[4]，以食品化學(xué)為切入點的食品專業(yè)教學(xué)改革[5]，以C語言程序設(shè)計為切入點的計算機專業(yè)教學(xué)改革[6]，但在酶工程課程教學(xué)改革方面的應(yīng)用研究較少。筆者結(jié)合自己多年來在酶工程課程教學(xué)方面的經(jīng)驗，堅持以學(xué)生發(fā)展為中心，以酶的工業(yè)化生產(chǎn)為主線，基于專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，強調(diào)工科教育質(zhì)量的保障，制訂、實施了新的人才培養(yǎng)方案，創(chuàng)新了酶工程CDIO工程教育模式，以筑牢學(xué)生酶學(xué)知識基礎(chǔ)，拓寬學(xué)生酶行業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷，探索出一條符合新工科培養(yǎng)要求的、適用于新時代生物產(chǎn)業(yè)人才需求的酶工程課程教學(xué)新模式。

一、開展酶工程CDIO課程教學(xué)改革的必要性

（一）隨著生物經(jīng)濟的發(fā)展，相關(guān)企事業(yè)單位對酶工程人才有著迫切需求

酶來源于動物、植物或微生物，是生物催化的核心[7]。經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的迅速發(fā)展，酶制劑已成為一個獨立且富有活力的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，覆蓋洗滌、紡織、制革、飼料、造紙和食品等諸多領(lǐng)域，每年創(chuàng)造工業(yè)附加值達(dá)數(shù)千億元，并以大于8%的速度增長。我國是世界酶制劑生產(chǎn)大國，也是酶制劑應(yīng)用大國，酶的市場需求巨大[8]。我國《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中明確提出將綠色生物制造作為生物經(jīng)濟戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，其中，酶制劑產(chǎn)業(yè)將在綠色生物制造方面發(fā)揮重要作用。然而，酶工程專業(yè)技術(shù)人員與管理人員數(shù)量和質(zhì)量相對缺乏，在一定程度上制約著酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展離不開酶工程專業(yè)人才的創(chuàng)業(yè)實踐，企業(yè)對生物新技術(shù)和新產(chǎn)品的迫切需求，也要求高校加快酶工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)。

（二）有助于支撐新工科建設(shè)，支持工程教育專業(yè)認(rèn)證，造就復(fù)合型卓越工程師

隨著人工智能、生命科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、新能源、智能制造等一系列創(chuàng)新變革的發(fā)展，第四次工業(yè)革命悄然而至。為了應(yīng)對新的產(chǎn)業(yè)變革與科技革命，教育部于2017年形成了“復(fù)旦共識”和“天大行動”，以提高人才能力為核心，變革傳統(tǒng)工科專業(yè)，推動高校工科專業(yè)改革，助力高等教育強國建設(shè)。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，已成為新時代高等教育的使命。酶工程是一門與化學(xué)工程緊密結(jié)合的綜合性學(xué)科，涉及食品、飼料、醫(yī)藥、環(huán)保、石化等多個領(lǐng)域。酶工程專業(yè)人才不僅要具備相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)扎實的理論知識和實驗技能，而且要具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、分析和解決實際問題的能力，能夠針對具體問題拓寬知識面，實現(xiàn)相關(guān)學(xué)科知識點的融會貫通，積極融入產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與革新[9]。酶工程是生命科學(xué)領(lǐng)域最易實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的課程之一，可以通過課程改革建立新的教學(xué)體系與育人模式，培養(yǎng)一批酶工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，帶動生命科學(xué)其他學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)，推動整個生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的革新升級。

（三）現(xiàn)階段酶工程課程教學(xué)實踐有很多方面需要改進(jìn)

酶工程是酶學(xué)基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代生物、化學(xué)和工程技術(shù)相融合的一門新興科學(xué)，技術(shù)性、應(yīng)用性極強，具有多學(xué)科融合交叉的特點[10]。作為一門實踐性課程，酶工程連接著生命科學(xué)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，是實現(xiàn)基因工程、發(fā)酵工程、細(xì)胞工程、分離工程等產(chǎn)業(yè)化的橋梁和重要環(huán)節(jié)。酶工程課程教學(xué)體系已有較多改革模式，出現(xiàn)了OBE教學(xué)、PBL教學(xué)、混合式教學(xué)、辯論式教學(xué)、科教融合教學(xué)、DOM課堂、SPOC教學(xué)等多種新型教學(xué)形式。雖然上述教學(xué)形式都強調(diào)以學(xué)生為主體，強調(diào)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，強調(diào)理論知識與應(yīng)用實際相結(jié)合，但就其總體而言，往往存在以下不足：課程教學(xué)內(nèi)容陳舊，難以適應(yīng)社會的需求；偏重理論教學(xué)，對實踐能力培養(yǎng)不夠；知識點過于獨立，工程思維培養(yǎng)欠缺；內(nèi)容多為驗證性實驗，各實驗內(nèi)容之間缺乏關(guān)聯(lián)。學(xué)而難以致用是工程教育教學(xué)中存在的主要問題，部分畢業(yè)生實踐能力較差，工程思維較為缺乏，與市場需求脫節(jié)。

二、酶工程CDIO課程教學(xué)改革與教學(xué)實踐

（一）課程教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，實現(xiàn)課程內(nèi)容工程化

優(yōu)化教學(xué)大綱，整合課程內(nèi)容，更新課程知識點，增強課程不同內(nèi)容間的邏輯性、不同章節(jié)間的銜接性，提高課程內(nèi)容與工程的聯(lián)系。課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論、學(xué)科前沿及工程實踐三部分。基礎(chǔ)理論部分，將課程內(nèi)容分為酶學(xué)基礎(chǔ)（酶的命名、酶結(jié)構(gòu)與催化特點、酶催化機理、酶計算）、酶的生產(chǎn)（酶分離純化、液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶、固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶）、酶的改造（酶固定化、酶化學(xué)修飾、酶生物修飾）、酶的應(yīng)用（非水相酶、抗體酶、酶反應(yīng)器）四個進(jìn)階。這一部分著重講授酶活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系，催化反應(yīng)的化學(xué)機制，化學(xué)工程中的“三傳一反”，生物體內(nèi)酶分子表達(dá)的基本過程等相關(guān)基礎(chǔ)理論知識。學(xué)科前沿部分，以酶學(xué)發(fā)展史為主線，介紹酶工程發(fā)展不同階段的標(biāo)志性事件，講授科學(xué)大師思考、解決問題的思路與方法，給學(xué)生提供國內(nèi)外經(jīng)典學(xué)術(shù)期刊，提出具體酶工程問題，要求學(xué)生在查閱、總結(jié)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以小組形式展開討論，形成自己的論點。工程實踐部分，以飼用酶的工業(yè)化生產(chǎn)為背景，以酶工業(yè)化生產(chǎn)中的行業(yè)痛點為線索，豐富課程教學(xué)體系，通過虛擬仿真實驗、酶改造與中試實驗、工廠參觀認(rèn)知實習(xí)強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的實踐能力；充分發(fā)揮行業(yè)導(dǎo)師的作用，通過行業(yè)導(dǎo)師實踐大講堂等形式介紹酶制劑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與行業(yè)發(fā)展趨勢，引導(dǎo)學(xué)生收集素材、總結(jié)企業(yè)案例，使理論與實踐得以有機結(jié)合。如圖1所示。

（二）采用多樣化的教學(xué)形式和考核方式，提升學(xué)生解決實際工程問題的能力

豐富授課形式，采用多樣化的考核方式。綜合利用課堂講授、課堂討論、課堂報告、課下分組討論、課下合作學(xué)習(xí)、線上指導(dǎo)、線上討論等教學(xué)形式。基礎(chǔ)理論以課堂講授為主，工程實踐以課下合作學(xué)習(xí)和線上指導(dǎo)為主，學(xué)科前沿以課堂討論、課下分組討論、線上討論為主。多角度考查學(xué)生知識掌握的情況，綜合評定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。課程作業(yè)和課堂報告重點考查學(xué)生的互相協(xié)作情況、利用知識解決問題的能力。平時考核重在端正學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度，督促學(xué)生認(rèn)真完成課堂學(xué)習(xí)、主動參與課下協(xié)作、積極完成課下作業(yè)。利用多種教學(xué)軟件（如智慧樹、雨課堂等）開展課程教學(xué)與課程評價，動態(tài)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分析教學(xué)反饋結(jié)果，改進(jìn)課程教學(xué)體系。同時融入課程思政元素，講授酶學(xué)基礎(chǔ)研究或酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展背后的科學(xué)及人文故事。充分利用教學(xué)團(tuán)隊開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“草食家畜益生元工業(yè)化生產(chǎn)虛擬仿真實驗”平臺，采用線上教學(xué)和線下實踐相結(jié)合的混合式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。通過虛擬仿真實驗，支持學(xué)生線上開展菌種改造、發(fā)酵工藝流程設(shè)備認(rèn)知、發(fā)酵工藝過程體驗和常見發(fā)酵問題分析與解決，使學(xué)生能夠?qū)⒚腹こ躺现邢掠斡袡C結(jié)合起來。線下環(huán)節(jié)要求學(xué)生完成飼用酶的中試實驗，以解決發(fā)酵設(shè)備限制、場地限制，以及由部分高壓、高溫設(shè)備的風(fēng)險等因素導(dǎo)致的研究生實驗教學(xué)學(xué)時少、實操少、工程訓(xùn)練不足等問題，補齊實操實驗教學(xué)的短板，提升實踐教學(xué)訓(xùn)練效果。

（三）優(yōu)化課程教學(xué)實施與評價辦法，多方位考查學(xué)生學(xué)習(xí)效果

優(yōu)化課程教學(xué)實施辦法。教師課堂講授22學(xué)時，著重講授酶工程基礎(chǔ)經(jīng)典理論及其發(fā)展歷程，夯實學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展前沿。討論課教學(xué)安排10學(xué)時。學(xué)生課下主動學(xué)習(xí)、互助合作學(xué)習(xí)、精準(zhǔn)查閱文獻(xiàn)、準(zhǔn)備好材料，教師在線指導(dǎo)、答疑，學(xué)生自主、合作學(xué)習(xí)完成課堂討論和課程作業(yè)等。實踐教學(xué)安排16學(xué)時，包括虛擬仿真實驗、實驗室實驗、工廠參觀實習(xí)。

優(yōu)化課堂討論評價辦法。課堂討論滿分20分。學(xué)生每3人為1個小組，根據(jù)課程題目，課下收集材料、制作教學(xué)課件，課堂匯報并討論?？己朔绞綖閷W(xué)生互評打分。每次課堂討論滿分20分，其中課堂報告滿分10分，報告內(nèi)容、觀點明確的評0～2分，條理清晰、邏輯性強的評0～6分，格式美觀、圖文并茂的評0～2分。該分?jǐn)?shù)由教師根據(jù)評分要求給出10、8、6、4、2、0分。課堂辯論環(huán)節(jié)滿分10分，要求觀點明確、條理清晰、論據(jù)充分、態(tài)度積極，該分?jǐn)?shù)由學(xué)生評分小組根據(jù)評分要求給出10、8、6、4、2、0分。5次課堂討論成績的平均分為該生課堂討論的最后分?jǐn)?shù)。

優(yōu)化課程作業(yè)評價辦法。課程作業(yè)通過教師線上指導(dǎo)與學(xué)生課下學(xué)習(xí)完成。每次課程作業(yè)滿分20分，教師根據(jù)評分要求給出分?jǐn)?shù)。參照《內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報》（自然科學(xué)版）的格式，要求包括題目、作者、摘要、關(guān)鍵詞、前言（引言）、正文、結(jié)語（小結(jié)）和參考文獻(xiàn)，符合的評0～2分；字?jǐn)?shù)不少于500字，評0～2分；內(nèi)容的具有學(xué)術(shù)前沿性，邏輯性強，條理清楚，論述內(nèi)容完整，評0～10分；結(jié)論，對綜述正文部分作簡明扼要的總結(jié)，對各種觀點進(jìn)行綜合評價，提出自己的看法，指出存在的問題及今后發(fā)展的方向和展望，評0～6分。5次課程作業(yè)成績的平均分為該生課程作業(yè)的最后成績。

優(yōu)化學(xué)習(xí)過程成績評價辦法。學(xué)習(xí)過程成績滿分10分，教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度等綜合給出10、8、6、4、2、0分。遲到1次扣3分，回答問題1分/次，主動提出問題并和老師討論2分/次，積極組織同學(xué)開展互助學(xué)習(xí)和討論3分。

學(xué)校在考試周統(tǒng)一考試。期末考試卷面考試范圍為課程全部內(nèi)容，閉卷考試滿分100分。學(xué)生最終成績=期末考試卷面成績×50%+課堂討論成績×20%+課程作業(yè)成績×20%+合作性學(xué)習(xí)過程成績×10%。

三、酶工程CDIO課程教學(xué)改革與實踐創(chuàng)新點

酶工程CDIO課程教學(xué)改革與實踐強調(diào)課程基礎(chǔ)理論、實踐訓(xùn)練和學(xué)科前沿三者并重，交叉融合，互為支撐，教學(xué)實施各個環(huán)節(jié)以培養(yǎng)符合新時代要求，具有基礎(chǔ)扎實專業(yè)技能、奉獻(xiàn)精神、家國情懷的卓越工程師為目標(biāo)。課程教學(xué)改革強調(diào)以學(xué)生為本，強調(diào)教學(xué)環(huán)節(jié)與社會實踐活動緊密結(jié)合，通過構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行四融合，使學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)增長專業(yè)知識，提高工程實踐技能，積累生產(chǎn)經(jīng)驗，培養(yǎng)工程意識和品質(zhì)，強化團(tuán)隊交流與合作能力，增強終身學(xué)習(xí)能力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：龐丹丹］