張　儒

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，湖南　湘潭　411104)

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生物工程專業(yè)《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析》教學(xué)改革與實(shí)踐*

張儒

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411104)

根據(jù)生物工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析》的課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合本校教學(xué)條件以及近5年教學(xué)改革實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行改革與探索。提出切合實(shí)際的教學(xué)改革措施與方法，我們?cè)谡n堂教學(xué)中注重案例化、任務(wù)驅(qū)動(dòng)和科研實(shí)踐于一體的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)研究與創(chuàng)新能力，在實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析；教學(xué)改革；實(shí)踐

生物工程專業(yè)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展且極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)專業(yè)之一。該專業(yè)是一門以生物學(xué)理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，融合多門學(xué)科知識(shí)，實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用型專業(yè)，其科學(xué)的內(nèi)涵屬于實(shí)驗(yàn)科學(xué)[1-2]。在生物工程相關(guān)的科學(xué)研究中，需要通過大量的試驗(yàn)研究其內(nèi)在變化規(guī)律，對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析才能得到合理科學(xué)的結(jié)論，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析是從事生物工程技術(shù)開發(fā)和研究的人員必須具備的技能[3]。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，科學(xué)地設(shè)計(jì)試驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)，并對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期得出客觀、科學(xué)的結(jié)論[3]。因而該課程是一門貫穿于生物工程科學(xué)研究工作的重要工具，對(duì)培育本專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)、撰寫和今后進(jìn)行試驗(yàn)有重要的作用，在科研能力培養(yǎng)方面具有十分重要的意義。然而，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析課程具有內(nèi)容繁多、理論性強(qiáng)、實(shí)踐應(yīng)用要求高等特點(diǎn)。學(xué)生反映是學(xué)習(xí)難度大、難有興趣的專業(yè)課程[4-5]。針對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析課程教學(xué)中存在的問題，根據(jù)該課程特點(diǎn)和生物工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際對(duì)其教學(xué)方法和手段進(jìn)行探索與實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)研究與創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

1　開展案例化教學(xué)，增強(qiáng)課程內(nèi)容的針對(duì)性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析涉及微積分、線性代數(shù)和概率論等課程，教材信息量大、學(xué)時(shí)較少，較難實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容面面俱到，加之內(nèi)容抽象、原理枯燥、推理過程復(fù)雜和計(jì)算煩瑣等，導(dǎo)致缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，使其難于感受該門課程的現(xiàn)實(shí)意義。

案例化教學(xué)具有形象化、生動(dòng)化、簡(jiǎn)單化和具體化等特點(diǎn)。能將沉悶的學(xué)習(xí)環(huán)境變成輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍，能有效避免教師滿堂灌，學(xué)生被動(dòng)接受的問題[4]。通過案例可以增強(qiáng)理論知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用性。在案例化教學(xué)模式下，教師需要積極調(diào)動(dòng)學(xué)生參與到案例中來，并引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)的理論和方法解決案例中出現(xiàn)的問題。比如我們?cè)诰C合實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)化釀酒酵母發(fā)酵產(chǎn)乙醇的工藝，需要考慮影響乙醇產(chǎn)量的因素和水平，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施、數(shù)據(jù)收集與整理、統(tǒng)計(jì)分析和得出結(jié)論等，引用專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)例，讓學(xué)生有種身臨其境做實(shí)驗(yàn)的感受，瞬間讓學(xué)生將抽象的統(tǒng)計(jì)原理聯(lián)系到實(shí)踐。再結(jié)合以前的實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)，從專業(yè)理論的角度分析，讓學(xué)生直接體會(huì)到整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析的實(shí)用性和重要性。這樣的實(shí)例不僅可以激發(fā)學(xué)生的興趣，同時(shí)也促使學(xué)生從專業(yè)角度科學(xué)的分析和判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了促使學(xué)生進(jìn)一步強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析理論并能深入聯(lián)系專業(yè)知識(shí)。我們?cè)趦?yōu)化的釀酒酵母發(fā)酵產(chǎn)乙醇的工藝條件下，探討乙醇合成酶相關(guān)基因變化情況，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用qRT-PCR的方法分析基因表達(dá)水平，并對(duì)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。也可以引導(dǎo)學(xué)生思考從發(fā)酵的酵母中分離乙醇或者其它產(chǎn)品工藝又是如何設(shè)計(jì)和分析，等等。通過一個(gè)實(shí)例引出發(fā)酵工程、基因工程、分子生物學(xué)和生物分離工程等一系列課程的相關(guān)知識(shí)，即有助于啟發(fā)學(xué)生利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法解決實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的科研問題。也為深入學(xué)習(xí)課程內(nèi)容打下堅(jiān)實(shí)的興趣基礎(chǔ)，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，使本課程成為學(xué)生能夠用掌握的方法解決實(shí)際問題，借以訓(xùn)練思維、培養(yǎng)能力的課程。

2　采用PBL教學(xué)法，培養(yǎng)解決問題和自主學(xué)習(xí)能力

PBL教學(xué)法(Problem-Based Learning)是以學(xué)生為主體，通過小組合作的形式共同解決復(fù)雜的、實(shí)際的或真實(shí)性的問題，學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識(shí)，以促進(jìn)他們解決問題、自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力的發(fā)展[6]。教師根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平、專業(yè)課程等相關(guān)方面提出的問題，對(duì)學(xué)習(xí)成果提出要求，讓每個(gè)小組的學(xué)生明確自己的任務(wù)、目標(biāo)和分工。引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)課程等豐富的教學(xué)資源解決問題，且必須達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)。

教師是實(shí)施PBL教學(xué)法的倡導(dǎo)者、設(shè)計(jì)者和具體執(zhí)行者，學(xué)生的主體性需要在教師的指導(dǎo)下逐步培養(yǎng)和發(fā)展。因此，教師運(yùn)用新教學(xué)方法的心理準(zhǔn)備、對(duì)問題的選擇與設(shè)計(jì)、對(duì)教學(xué)資源的準(zhǔn)備、調(diào)控課程教學(xué)的能力決定著教學(xué)方法的實(shí)施效果[6]。根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)理解由簡(jiǎn)到難和循序漸進(jìn)的特點(diǎn)，將本課程設(shè)計(jì)為3個(gè)方面的技能：(1)基本技能(資料收集與整理)；(2)核心技能(結(jié)果分析與判斷)；(3)綜合技能(數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與給出結(jié)論)。圍繞這3個(gè)主要項(xiàng)目，結(jié)合專業(yè)實(shí)際提出問題。比如，如何收集酵母發(fā)酵過程中的資料？如何整理？為何要對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析？如何分析？如何去看分析結(jié)果？再結(jié)合其它的簡(jiǎn)單實(shí)例，告訴學(xué)生在解決問題的過程中要深入思考問題的各個(gè)方面。比如，如何獲取資源、如何評(píng)價(jià)資源、如何根據(jù)這些資源來解決實(shí)際問題等。實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與技能培養(yǎng)的有機(jī)融合。

除了善于提出問題，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力等的不同，適當(dāng)準(zhǔn)備和設(shè)計(jì)一些教學(xué)資源，并且這些資源難易兼顧，既要考慮到基礎(chǔ)知識(shí)，也要有拓展知識(shí)，既能讓學(xué)生自主獨(dú)立、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)，也能讓其自主探究學(xué)習(xí)。

3　加強(qiáng)“任務(wù)驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生課程應(yīng)用實(shí)踐性

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析是實(shí)踐性較強(qiáng)的一門課程，單純課堂講授遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)目標(biāo)的要求，需要結(jié)合相應(yīng)的實(shí)踐才能讓知識(shí)得以鞏固。目前的教學(xué)方式主要通過完成教材中的課后作業(yè)來實(shí)踐。但是這些作業(yè)(任務(wù))相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用和拓展沒有太大的幫助。在實(shí)踐中，亦存在學(xué)生不動(dòng)腦、作業(yè)抄襲、學(xué)生間互動(dòng)少、作業(yè)應(yīng)付差事的情況。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式，即學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，圍繞一個(gè)切合實(shí)際的任務(wù)中心，在任務(wù)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，進(jìn)行自主探索和互動(dòng)協(xié)作的學(xué)習(xí)，并在完成既定任務(wù)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)的一種實(shí)踐活動(dòng)[7]。

該教學(xué)模式使學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)在探索中學(xué)習(xí)，構(gòu)建屬于自己的知識(shí)和技能，同時(shí)提高學(xué)生分析問題、解決問題能力。在完成任務(wù)的過程中，不斷獲得成就感，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的求知欲，形成自我學(xué)習(xí)的良性循環(huán)，逐步培養(yǎng)出獨(dú)立探索、勇于進(jìn)取的自學(xué)能力。將以往簡(jiǎn)單的解決問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝瓿扇蝿?wù)為目標(biāo)的探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生根據(jù)自己對(duì)問題的理解，以最積極的態(tài)度，竭盡所能的運(yùn)用各種資源和經(jīng)驗(yàn)提出方案、解決問題。

根據(jù)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的原理，結(jié)合生物工程產(chǎn)品科研生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減和調(diào)整，減少?gòu)?fù)雜抽象公式的推導(dǎo)和計(jì)算，在授課過程中加入一些專業(yè)教師科研中的一些案例，如人參皂苷合成酶基因SS的PCR引物設(shè)計(jì)和條件優(yōu)化、滲透壓等對(duì)葡萄酒酵母發(fā)酵過程中甘油合成與揮發(fā)酸生成的調(diào)節(jié)作用、人參皂苷等藥用活性成分提取分離工藝優(yōu)化、葡萄糖苷酶穩(wěn)定性分析、葡萄糖酶固定化工藝等。再對(duì)實(shí)驗(yàn)中需要的一些設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析軟件，如正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)、Design expert、SAS和SPSS等進(jìn)行重要介紹。在階段性完成某一部分內(nèi)容講授后，然后布置與上述的實(shí)例相關(guān)的任務(wù)，要求學(xué)生分組查閱相關(guān)的最新文獻(xiàn)，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行實(shí)踐和網(wǎng)絡(luò)拓展。通過指定任務(wù)督促學(xué)生將課堂講過的理論知識(shí)進(jìn)一步的消化吸收，借助任務(wù)的完成真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深入理解和靈活運(yùn)用，通過課內(nèi)引導(dǎo)和課外拓展結(jié)合彌補(bǔ)學(xué)時(shí)和教材內(nèi)容不足的局限，這樣既增強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，也訓(xùn)練學(xué)生查閱資料，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的能力。

4　充分利用科研平臺(tái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性

“教”的目的是為了學(xué)生的“學(xué)”，“學(xué)”的目的是為了用。然而學(xué)習(xí)過程需要學(xué)生能夠獨(dú)立思考和較高的主觀能動(dòng)性。通過科研活動(dòng)可以消除學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的厭煩情緒，加深了對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力、分析能力、實(shí)際運(yùn)用等方面的能力，更重要的是提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。教師如果能及時(shí)將一些研究成果帶進(jìn)課堂，深入淺出的讓學(xué)生對(duì)科研的重要性和魅力有所了解，這樣會(huì)增加學(xué)生對(duì)科研的新鮮感，也能增加學(xué)習(xí)的興趣。為了能讓學(xué)生所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)知識(shí)能廣泛應(yīng)用到生物工程專業(yè)課程實(shí)踐和應(yīng)用之中，在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的科研活動(dòng)時(shí)，教師盡可能將科研項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容密切聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，并能提出自己的建議，在合適的時(shí)候，還可以讓學(xué)生獨(dú)立完成部分科研課題，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索的興趣。

基于上述的思路，結(jié)合化學(xué)化工學(xué)院省級(jí)省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和省校企人才合作培養(yǎng)示范基地等科研平臺(tái)，開展多種形式的逐層遞進(jìn)的科研創(chuàng)新活動(dòng)：校級(jí)、省級(jí)和國(guó)家級(jí)大學(xué)科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；開放實(shí)驗(yàn)(帶著自己感興趣的課題進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室)，國(guó)家和省級(jí)挑戰(zhàn)杯大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽；湖南省大學(xué)生課外化學(xué)化工創(chuàng)新作品競(jìng)賽等；結(jié)合我校發(fā)生物工程學(xué)科特點(diǎn)，鼓勵(lì)大二以上的學(xué)生根據(jù)自己的興趣，在專業(yè)教師的指導(dǎo)下開展科學(xué)研究。積極引導(dǎo)學(xué)生參加各級(jí)科技創(chuàng)新活動(dòng)，以及各級(jí)別的挑戰(zhàn)杯大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽等活動(dòng)。近五年，生物工程專業(yè)有近100名本科生參加各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，獲國(guó)家和省級(jí)科技創(chuàng)新項(xiàng)目5項(xiàng)；校級(jí)科技創(chuàng)新項(xiàng)目20余項(xiàng)；省部級(jí)以上挑戰(zhàn)杯獲獎(jiǎng)3項(xiàng)，其它科技競(jìng)賽獲獎(jiǎng)20余項(xiàng)，學(xué)生發(fā)表論文30余篇，畢業(yè)生受到用人單位普遍歡迎。這些成果顯示我們這種教學(xué)方法的探索與實(shí)踐取得一定的實(shí)效，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性主動(dòng)性都有明顯的提高，教學(xué)效果顯著。

由于前期的教學(xué)內(nèi)容彼此銜接且循序漸進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生參與科研實(shí)踐活動(dòng)，使所學(xué)理論知識(shí)與科研實(shí)踐相互銜接、互有補(bǔ)充。我們開展的一系列科技創(chuàng)新活動(dòng)，明顯的激發(fā)學(xué)生科研興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5　結(jié)　語(yǔ)

課程教學(xué)必須適應(yīng)社會(huì)發(fā)展及人才培養(yǎng)的需要。隨著社會(huì)發(fā)展和科技的進(jìn)步，已經(jīng)開始由培養(yǎng)知識(shí)型人才向培養(yǎng)創(chuàng)新型能力型和操作型人才轉(zhuǎn)變。因此，教師的作用也應(yīng)由引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。然而，在我國(guó)各大高校的教學(xué)中重理論輕實(shí)踐的教學(xué)現(xiàn)象仍然普遍存在，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析這樣一門理論和實(shí)踐緊密聯(lián)系的課程中，此現(xiàn)象也屢見不鮮。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析是生物工程專業(yè)重要的工具課，通過探索與實(shí)踐，我們?cè)谡n堂教學(xué)中注重案例化、任務(wù)驅(qū)動(dòng)和科研實(shí)踐于一體的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生探索與主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，初步取得了良好的教學(xué)效果。在以后的教學(xué)過程中，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)模式，特別要注重解決實(shí)際問題能力的提高。為我國(guó)的生物工程工業(yè)培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的專業(yè)人才。

[1]譚之磊, 王穎麗, 賈士儒. 生物工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J]. 廣州化工, 2012, 40(19):149-150.

[2]常景玲，李蘭，郭丹釗，等．生物工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探索[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2008，6(2): 78-79.

[3]惠明, 田青. 生物工程專業(yè)《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》的教學(xué)探討[J]. 安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 37(4):117-119,122.

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[5]陳柄燦. 《食品試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析》課程教學(xué)設(shè)想[J]. 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2008,6(1):211-213.

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Teaching Reform and Practice of Experiment Design and Statistical Analysis for Biological Engineering*

ZHANG Ru

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering,HunanXiangtan411104,China)

In view of the training target of biological engineering, characteristics and existing problems in the curriculum of Experiment Design and Statistics Analysis, the content and model of teaching were reformed and explored based on the teaching condition, reformation and practice in recent 5 years in Hunan Institute of Engineering. The model of case-teaching, task-driving and research-practicing was used in the teaching courses. The innovation and exploration of teaching obviously improved the students study enthusiasm and initiative, fostered student’s capacity of scientific research and innovation, and obtained favorable result in practice.

experiment design and statistical analysis; teaching reform; practice

湖南工程學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(15059)。

張儒(1979-)，男，博士，從事生物工程方面的教學(xué)與研究。

G642

A

1001-9677(2016)01-0199-03