陳小舉 晏 娟 蔣慧慧 張鳳琴

（巢湖學院 化學與材料工程學院，安徽 巢湖 238000）

生物工程產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟中的重要產(chǎn)生，生物工程技術(shù)是當今最活躍、發(fā)展最迅速、最重要的工程技術(shù)之一，是人類認識和改造自然界、客服自身所面臨問題的可靠手段和工具[1-2]。生物工程是以生物技術(shù)研究成果為基礎、借助工程技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化為基本任務的工學學科，其基礎學科為生物學、化學與工程學。生物工程專業(yè)培養(yǎng)的學生不僅要掌握扎實的生物工程專業(yè)基礎知識，還要求學生接受嚴格的工程實踐訓練[3-4]。在生物工程技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化實施的過程中，生物工程設備與工廠設計起著至關重要的橋梁作用，先進的生物工程設備及生產(chǎn)工廠是保證生物產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量的重要前體。

筆者所在學校為 “地方應用型本科高校”，學校生物工程專業(yè)要求培養(yǎng)的學生要具備產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝設計等工程能力，因此“生物工程設備與工廠設計”是筆者所在學校生物工程專業(yè)必修的一門專業(yè)課，在人才培養(yǎng)方案中屬于專業(yè)核心能力模塊中的“工程設計能力”子模塊。本課程開設的主要目的旨在結(jié)合畢業(yè)實習及畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生使其具備較強的工程應用能力和工程素質(zhì)，完成工程師的綜合性基本訓練，使學生走上崗位后能在生物工程領域從事生物產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化設計、生產(chǎn)、管理和新技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)的工程技術(shù)人才。

1 課程改革前存在的主要問題

為了全面掌握課程授課過程中存在的問題，以便對教學內(nèi)容及教學方式進行改革，不斷提高課程教學效果，課程組教師在學期授課結(jié)束后對授課對象展開了調(diào)查研究，調(diào)研對象為2017、2018屆共152名學生，調(diào)研的主要內(nèi)容為課時是否充足、課程難易度、有無實踐經(jīng)歷、對課程的重視度等方面，反饋的問題主要如下：

（1）學時壓縮與課程內(nèi)容多的矛盾。課程組教師連續(xù)對2017、2018屆共152名學生就學時是否充足問題進行了調(diào)查（圖1）。結(jié)果顯示75.60%的學生認為課堂教學學時不足，部分內(nèi)容無法講解透徹；只有18%的學生認為課程學時基本充足或者充足，自己能跟上教師的授課進度。由此可見，學時壓縮與課程內(nèi)容多已成為本課程的一個主要矛盾。課程重點講授生物制品生產(chǎn)及生物工程研究領域中常見設備的基本原理、結(jié)構(gòu)、特點及設備設計、選型、計算的方法及生物制品工廠建設的程序、生產(chǎn)工藝設計、工藝計算、車間布置設計及管道布置設計等內(nèi)容，課程內(nèi)容繁多且抽象。生物工程設備與工廠設計原是兩門課共96課時。近五年來，隨著高等教育的改革以及學校對培養(yǎng)方案總學分及總學時的調(diào)整，課程總學時一再壓縮，直到現(xiàn)在的48學時，課程教學時間減少一半，而教學內(nèi)容除了課本的基本內(nèi)容外，還需要補充與時俱進、適應生物工程學科快速發(fā)展的新知識和新內(nèi)容，因此，很多知識點無法透徹講解，影響了學生對本課程知識的掌握與運用。同時，缺乏“生物工程設備與工廠設計”的在線開放課程資源，學生很難通過自學掌握有關知識點。

圖1 課程學時調(diào)查反饋

（2）課程難度較大。該課程是生物工程技術(shù)與化學工程技術(shù)的交叉結(jié)合體，內(nèi)容繁雜，是對生物工程專業(yè)學生前三年所學知識進行綜合運用的一門課程，課程涉及知識范圍廣，要求學生具備較好的微生物學、生物化學、化工原理、發(fā)酵工藝學、生物分離技術(shù)等知識儲備[5-6]。如果學生對以上基礎知識掌握程度不夠，就會很難理解課程中的相關內(nèi)容，進一步影響學生學習的積極性與主動性，如化工原理知識掌握不夠就會影響對生物反應器設計中的冷卻器工藝設計、攪拌器軸功率計算、結(jié)晶設備、干燥設備、蒸餾設備等內(nèi)容的準確理解；微生物學、發(fā)酵工藝學、生物化學的知識儲備就會對培養(yǎng)基制備、空氣過濾除菌設備、微生物反應器的設計及選型、動植物細胞培養(yǎng)反應器的設計與選型、生物反應器檢測與控制、工藝計算等內(nèi)容的理解產(chǎn)生影響。如圖2所示，45.4%的學生認為課程內(nèi)容在課堂教學時較難于理解與掌握，28.6%的學生表示課程內(nèi)容難，自己無法將已學過的部分知識與本課程內(nèi)容相互聯(lián)系并運用。

圖2 課程難易程度調(diào)查反饋

（3）課程內(nèi)容較為抽象，理論教學和工廠實踐不能較好地相互結(jié)合和滲透。學生在學習這門課程之前，畢業(yè)實習、畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)還沒有執(zhí)行，因此，學生接觸相關設備及工廠的實踐機會較少。即使通過課程實驗使用了個別設備，也是在教師的指導下完成操作的，很少涉及設備的結(jié)構(gòu)及工作原理。再者，本科生基本上全部為應屆高中畢業(yè)生，基本上沒有在生物制品工廠工作的經(jīng)驗，更無參與工廠建設的經(jīng)歷，學生在學習工廠設計中的“工廠基本建設程序、廠址選擇與總平面設計、工藝流程設計及工藝計算、設備的設計與選型、生產(chǎn)車間工藝布置、管路設計及布置”等[6]內(nèi)容時更是感覺抽象、枯燥乏味。盡管教師上課采用了多媒體教學，引入較多的圖片、視頻以幫助學生更好地認識設備、了解工廠，但實踐經(jīng)驗的缺乏還是極大影響了學生學習本門課程的興趣。

（4）學生對課程重視程度不夠。課程組教師分析認為學生對課程重視程度不夠的原因主要有以下三個方面的原因：一是“生物工程設備與工廠設計”課程要求學生具備一定的專業(yè)基礎理論功底及工程實踐能力，需要先修化工原理及實驗、發(fā)酵工程及實驗、生物分離工程及實驗等課程，因此本門課程開課時間為第六學期，此時學生正面臨著研究生招生考試及找工作的壓力，很多學生無法將精力用于學習，對課程的教學效果形成了一定的沖擊；二是因課程難度大、內(nèi)容抽象，學生難以掌握課程知識點，對本課程本就有“排斥”情緒，再加上研究生考試基本上無本課程的內(nèi)容，進一步造成學生對本課程的重視度遠不如微生物學、生物化學、分子生物學等基礎理論課程。圖3可以看出，只有25.5%的學生認為課程內(nèi)容可能對考研復試及找工作有幫助，與認為沒有幫助的學生比例相當，佐證了課程組的分析。三是課程考核方式為“開卷考試”，增加了學生期末考核的投機性，使學生不重視平時課堂及課后的學習，只注重學期末考核前復習，缺乏自主學習的動力。

圖3 學生對課程重視度的調(diào)查反饋

綜上所述，如何處理好教學內(nèi)容多與學時少的矛盾、處理好本課程與其他課程的銜接關系，改革現(xiàn)有的教學方法和手段是提高學生學習本課程的積極性主要手段，也是提高這門課的教學質(zhì)量的關鍵。

2 課程改革措施及效果

2.1 教學內(nèi)容改革

“生物工程設備與工廠設計”是以生物制品的工業(yè)化生產(chǎn)為目標，使學生理解與掌握生物工廠設計的意義、任務和內(nèi)容以及生物制品生產(chǎn)所需要的設備類型、工作原理和設備選型，屬于培養(yǎng)學生工程能力的應用型課程[7-8]，涉及面廣、知識點多，很難在48課時內(nèi)將所有知識點進行講解，必須要有取舍。

（1）精簡教學內(nèi)容。目前，有關“生物工程設備與工廠設計”課程改革的文獻較少。從“發(fā)酵工廠設計”課程改革文獻可以看出精簡教學內(nèi)容是授課教師解決此類課程課時不足采取的主要措施，且已有部分高校對精簡教學內(nèi)容進行了探索，采取的主要措施為對授課內(nèi)容進行重組并選擇性的講解[6，9]。此種方法雖然可以滿足學時的要求，但是有可能造成學生對部分知識點的掌握不夠理想。對課程之間教學內(nèi)容重組的案例較少。本課程組教師通過認真梳理“生物工程設備與工廠設計”與“生物分離工程”兩門課程教學大綱，發(fā)現(xiàn)兩門課程中均有膜分離技術(shù)及設備、過濾技術(shù)及設備、離心分離技術(shù)及設備、離子交換分離原理及設備、色譜分離技術(shù)及設備、離子交換技術(shù)與設備、吸附分離技術(shù)及設備等內(nèi)容，且內(nèi)容相似度較高。然后組織兩個課程組的教師對課程內(nèi)容進行多次研討與交流，在修訂2019屆課程大綱時對課程內(nèi)容進行了整合，確定離心分離技術(shù)及設備、離子交換分離原理及設備、色譜分離技術(shù)及設備、離子交換技術(shù)與設備、吸附分離技術(shù)及設備等內(nèi)容只在“生物分離工程”課程中講授，以上內(nèi)容在本課程中不再講授，膜分離技術(shù)及設備中有關膜反應器的內(nèi)容繼續(xù)在本課程中進行講授。整合后，“生物工程設備與工廠設計”要講授的內(nèi)容雖然縮減，但學生學習掌握的知識并沒有減少。

目前，網(wǎng)絡上幾乎沒有“生物工程設備與工廠設計”的在線開放課程，下一步本課程組將著力打造本課程的在線開放課程，通過在線課程學習加強學生對重組內(nèi)容的掌握，進一步解決課時不足造成的問題。

（2）突出和優(yōu)化重點教學內(nèi)容。在工廠設計方面，以往教學過程中發(fā)現(xiàn)物料衡算、能量衡算及設備選型方面所講解的計算實例較多，但是物料衡算、能量衡算及設備選型的實例很少是屬于同一個產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，設計的內(nèi)容也不是一個產(chǎn)品設計的完整內(nèi)容，學生往往就搞以清楚物料衡算時得到的一個數(shù)據(jù)在能量衡算及設備設計選型時具有什么意義，不利于學生對計算內(nèi)容、方法及步驟的掌握，但是目前將物料衡算、能量衡算、水平衡計算、設備選型、車間布置等幾部分內(nèi)容通過一個案例進行連續(xù)詳細講解的文獻鮮有。為了改變這一現(xiàn)狀，課程組教師對工廠設計方面的知識點進行優(yōu)化，講解的內(nèi)容著重培養(yǎng)學生的工程能力，就某一生產(chǎn)實例連貫性地講授工藝計算、設備設計與選型、車間布置設計等實踐性較強的內(nèi)容，突出各個內(nèi)容模塊之間的聯(lián)系。教學時重點選取燃料酒精工廠及啤酒工廠兩個例子進行物料衡算、能量衡算、水平衡計算、設備設計與選型、車間布置設計等內(nèi)容進行連貫、詳細地講解，突出工藝計算與設備選型的內(nèi)容、方法和步驟，強調(diào)計算結(jié)果與數(shù)據(jù)的連續(xù)性，讓學生了解每個計算、每個數(shù)據(jù)的目的與意義。如在啤酒工廠設計中糖化車間采用二次糖化工藝，物料衡算中計算得到的大米粉、麥芽粉用量就可以用于一次糖化時的耗熱量計算，還可以用于計算糊化鍋與糖化鍋的各種工藝參數(shù)。而課本中“味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算”“抗生素發(fā)酵車間物料衡算”等相對簡單的計算案例讓學生課外自學，既讓學生充分利用了課外時間，也鍛煉了學生獨立思考、自主學習的能力。

2.2 教學過程改革

（1）積極引導，增強互動。授課過程中，通過啟發(fā)式教學積極引導學生將所學其它課程理論知識與“生物工程設備與工廠設計”知識點融匯貫通，加強學生對理論知識的掌握及在工廠設計及設備設計與選型中的應用。如發(fā)酵設備講解過程中提問：基于所選定的發(fā)酵微生物的生長代謝特性，如何依據(jù)物質(zhì)與能量平衡提高琥珀酸的產(chǎn)量？如何利用膜反應器進行高密度發(fā)酵？對此，要求學生查閱分析有關資料，從微生物的代謝途徑出發(fā)，設計提高產(chǎn)率的新調(diào)控工藝，并要求學生討論在發(fā)酵設備上如何進行改進提高生產(chǎn)效率？這種教學模式不僅提高了學生對已學知識融會貫通、綜合運用的能力，也避免了老師唱獨角戲。

又如，課程組教師在課程的第一節(jié)課會布置某個產(chǎn)品生產(chǎn)的設計題目（如年產(chǎn)5000噸果膠生產(chǎn)線的設計），4～5人一組，讓學生隨上課內(nèi)容的進度進行同步設計與訓練，以角色扮演的形式就廠址選擇、工藝設計、工藝計算、設備設計與選型、車間布置設計等內(nèi)容進行課堂交流，這種教學改革不僅加強了學生對課程知識的掌握，還提高了學生參與課程教學的積極性，教學效果遠好于“灌輸性”教學方式。

（2）強化課外學習，培養(yǎng)學生自主學習的能力。對于教材描述詳細、學生易于掌握的知識點，具體內(nèi)容不再累述，主要通過布置課后作業(yè)，明確作業(yè)考核要求，由學生自主完成學習任務，以培養(yǎng)學生自主學習及獨立思考的能力。如基本建設程序、廠址選擇、總平面設計等章節(jié)，教材上此部分內(nèi)容描述詳細，且大部為文字描述，傳統(tǒng)方式教學時基本上是 “照本宣科”，不僅占用了學時，學生學習積極性也不高，知識掌握情況不理想。課程組教師在認真研討后，決定此部分內(nèi)容課堂教學時主要講解思路與原則，其余內(nèi)容由學生自學，但是課程組教師會給出課后作業(yè)，如“擬在安徽巢湖經(jīng)開區(qū)半湯新建單克隆抗體工廠”為例，要求學生結(jié)合教材、網(wǎng)上調(diào)研、實地考察走訪、查閱相關文獻資料，分析安徽巢湖經(jīng)開區(qū)半湯所在區(qū)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、政策支持、自然條件、技術(shù)經(jīng)濟條件等有利于建廠的優(yōu)缺點，提出建廠程序，并嘗試編寫項目申請書、可行性研究報告等文件，然后在課堂上進行匯報交流，師生展開討論，并由教師進行點評，并將結(jié)果用于期末考核。通過這種模式，學生不僅會認真地學習教師布置的自學內(nèi)容，還可以將自學內(nèi)容用于實踐鍛煉，加強了對知識的理解，相比與傳統(tǒng)的教學模式，教學效果較好。

（3）與實踐相結(jié)合，增強直觀性。一是，在ppt插入更多的圖片、flash動畫，讓學生更直觀的認知、掌握設備的結(jié)構(gòu)及工作原理。在生物反應器教學過程中，使用了大量的工廠化生產(chǎn)及實驗室研究用的機械攪拌通風發(fā)酵罐圖片及視頻，形象地給學生展示發(fā)酵罐的通氣、攪拌、消泡、冷卻、加熱、檢測等發(fā)酵罐部件，學生可以更直觀的掌握生物反應器的相關知識。在工廠總平面設計時，通過展示多幅“生物工廠平面設計效果圖”，讓學生了解平面布置設計的內(nèi)容、原則以及布置形式，更利于掌握不同廠區(qū)布置形式的適用地形及優(yōu)缺點；二是，向?qū)W生開放實驗室，在課堂教學完成后，學生可以到實驗室現(xiàn)場觀摩部分設備的結(jié)構(gòu)與操作方法，加強課堂教學內(nèi)容的消化吸收；三是，組織學生到學校附近與本專業(yè)相關的企業(yè)實地參觀，包括生物制藥企業(yè)、食品發(fā)酵企業(yè)等，由企業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場講解建廠時廠址選擇、廠區(qū)總平面布置、設備選型及功能、車間布置的設想及依據(jù)，增加學生的感性認識，熟悉生物工廠建設的流程及內(nèi)容。

2.3 考核方式改革

課程考核是教學活動中的一個重要環(huán)節(jié)，一個合理、有效的考核方式不僅能反饋學生的學習效果，對引導學生積極參與教學活動也具有重要的作用。以往的開卷考試形式主要考察學生對知識點的掌握情況，由于卷面有限，很難反映學生對知識點的綜合運用能力，尤其是在“新建工廠設計時如何運用這些知識點解決問題”的考察不到位。因此，采取更加靈活的考核方式十分必要。

考慮到“生物工程設備與工廠設計”知識覆蓋面廣、綜合性與實踐性強的特點，課程組教師對考核方式改革進行了廣泛討論，確定考核改革的主要目標為：強調(diào)學生的主觀能動性、反映考核的公平性、突出知識的綜合及實踐運用。針對以上目標，確定了2個考核環(huán)節(jié)：一是平時成績（滿分100分，占總評成績權(quán)重50%），主要由出勤率、作業(yè)撰寫、課堂報告三部分組成，分別占平時成績權(quán)重30%、30%及40%，其中課堂報告主要指的是學生對授課教師布置的自學內(nèi)容進行ppt匯報，然后由教師進行點評；二是期末考核（滿分100分，占總評成績權(quán)重50%），主要為考察題目及課堂答辯，分別占期末考核成績權(quán)重60%及40%?？疾祛}目突出以能力為主的考核機制，為增強和培養(yǎng)學生分析和解決復雜工程問題的能力，主要為主觀題類型，重心放在考核學生綜合素質(zhì)與能力上，提高學生的知識運用能力。如考核題“結(jié)合味精的生產(chǎn)工藝，給出從原料處理到最后產(chǎn)品所需要的設備及每種設備的作用和特點”，學生通過對此題的解答，基本上就能將生物工程設備中所有上、下游的設備串聯(lián)在一起，既加深了對設備的理解，也熟悉了主要生物工程產(chǎn)品的生產(chǎn)流程及每個流程常用的設備，對增強和培養(yǎng)學生分析和解決復雜工程問題的能力很有幫助。課堂答辯主要對期初布置的“產(chǎn)品生產(chǎn)的設計題目”進行答辯，由學生就工藝計算結(jié)果、設備選型、車間布置、工藝流程圖等內(nèi)容進行匯報，其他學生提問題，教師進行點評。這種考核方式改變了以往“一考定成敗”的考核制度，避免了學生考前突擊，強調(diào)了學生參與教學活動的重要性，可以充分發(fā)揮學生的主觀能動性，提高其學習興趣，并訓練學生的綜合能力。

3 改革效果

3.1 定量評價改革效果

定量評價采用對比分析課程改革前及改革后的學生總評成績分布情況評價課程改革效果（圖4）。改革后（2019屆）所授課學生總共57人，總評成績優(yōu)秀（90分以上）的占比8.8%，成績良好（80～90分）的占比47.4%，優(yōu)良比高達56.2%，比改革前提高20個百分點。通過總評成績可以看出，課程改革后學生的總評成績明顯提高，從一方面反映出課程改革是有效果的。

從學生完成的“課堂報告”考核材料可以看出，大部分學生均能積極地進行網(wǎng)上或者實地調(diào)研，了解建廠程序以及需要考慮的自然、經(jīng)濟條件，掌握工藝設計、設備選型、車間布置等關鍵知識點，同時學生在團隊協(xié)作、語言組織、溝通交流等方面的能力得到加強。從考核試卷“綜合型試題”答題情況看，多數(shù)學生能對“綜合型試題”進行正確解答，反映學生不僅對單個知識點的掌握情況較好，還能將各章節(jié)知識點連貫運用，學生的知識的綜合運用能力得到提升，分析和解決復雜工程問題的能力得到鍛煉。

圖4 改革后學生綜合考評成績分析

3.2 定性評價改革效果

定性評價采用現(xiàn)場問詢的方式調(diào)查2019屆學生對課程改革的滿意度，主要內(nèi)容為：課程知識整合的滿意度、整合知識掌握情況、教學過程改革對提高自己學習的積極性及掌握知識的影響、考核方式改革的滿意度。

調(diào)查結(jié)果表明，對課程知識整合滿意的學生為62.%（圖5），比例超過50%，表明大部分學生認同教師對課程知識的整合，其中表示非常滿意的學生為15.6%，滿意的學生為46.75%。對整合知識掌握情況的調(diào)查結(jié)果顯示（圖6），78.5%的學生表示對整合的課程知識掌握情況非常好或者好，表明課程知識整合并沒有導致學生學習掌握的知識減少。20.5%的學生認為課程教學過程改革對提高自己學習的積極性及加強知識的掌握具有非常好的效果，認為有效果的學生為48.2%（圖7），表明學生認同教師的教學過程改革做法。72.3%的學生表示認可改革后的考核方式（圖8），認為其能真實反映學生參與課堂教學的積極性、課后自學的主動性及對知識的掌握情況。

圖5 學生對課程知識整合滿意度的調(diào)查

圖6 對學生掌握課程整合知識情況的調(diào)查

圖7 對課程教學過程改革是否有效果的調(diào)查

圖8 學生對考核方式滿意度的調(diào)查

課程改革后雖然取得一定的效果，但在課程授課過程中仍存在以下兩個主要問題：一，雖然對課程內(nèi)容進行了精簡重組，仍感覺到學時不足、知識點較多，無法對重點內(nèi)容進行詳細講解，且在線開放課程資源稀缺，學生無法通過在線課程學習掌握相關課程知識；二，雖然采取了理論與實踐相結(jié)合的教學模式，通過設備展示、三維動畫、實地調(diào)研將強了學生對抽象內(nèi)容的理解，但是由于設備及動畫資源有限、實地走訪受到時間、空間、經(jīng)費制約，學生還是無法對部分設備及工廠建設程序、內(nèi)容進行充分的理解。下一步課程組將通過申報質(zhì)量工程項目逐步建設“在線精品開放課程”及“虛擬仿真實驗室”，同時加強手機等現(xiàn)代電子設備在教學過程中的應用[10]，以解決以上兩個主要問題，做到學生對課程知識的學會、學懂、會用，真正達到開設本課程的目標。

4 結(jié)語

“生物工程設備與工廠設計”是筆者所在學校生物工程專業(yè)必修的一門專業(yè)課，對培養(yǎng)學生的工程設計能力，完成工程師的綜合性基本訓練，使學生順利走向生產(chǎn)實踐工作崗位具有重要的作用。課程組教師針對課時不斷壓縮、課程內(nèi)容抽象、難度大、學生重視度不夠等情況，通過不斷思考與討論，對本課程的教學內(nèi)容、教學過程、考核方式進行改革，努力克服傳統(tǒng)教學方式中存在的問題。結(jié)果顯示，課程改革優(yōu)秀提升了本課程的教學效果，加強了學生對專業(yè)知識的掌握、運用能力，鍛煉了學生的自主學習與溝通交流能力，學生對課程改革總體滿意度較高。