曾 昕，徐大勇，曾化偉，李 峰①

（淮北師范大學 生命科學學院，安徽 淮北235000）

0 引言

2018年國家7項戰(zhàn)略性新興產業(yè)中的4項（新能源、新材料、生命科學及生物醫(yī)藥）均涉及生命科學的工程化應用，這不僅為本科生物工程專業(yè)建設及人才培養(yǎng)指明新道路，同時還提出更高的要求. 相比生命科學理科類專業(yè)（生物科學、生物技術等），生物工程培養(yǎng)更關注于應用技術的研發(fā)和工程工藝的構建，工科特點明顯［1］. 傳統師范院校大多傾向于基礎理論教學，而在實踐要求較高的工科專業(yè)人才培育上尚較薄弱［2］. 在向綜合型大學轉型的大趨勢下，如何補齊固有短板、辦好“工科”專業(yè)已成為我國師范類院校目前共同面對的問題.

培育工科專業(yè)人才，不僅需要進行系統的專業(yè)基礎知識傳授，還需要強化工程思維，加大專業(yè)實踐，生物工程專業(yè)的人才培養(yǎng)也不例外. 淮北師范大學生物工程專業(yè)課主要有微生物工程、生物工藝學、生物分離工程及生物工程設備與設計，這4 門專業(yè)課相互銜接，較系統地涵蓋整個生物制造的產業(yè)化流程［3］. 其中，生物工程設備與設計課程是其他工程類專業(yè)課的重要基礎，此課程要求學生能夠認識生物工廠中的常用儀器設備，掌握設備的工作原理，并初步具備專業(yè)設備的工業(yè)設計能力［4］. 因此，要辦好實踐性強的生物工程專業(yè)，必然要夯實專業(yè)基礎課程，而生物工程設備與設計課程教學改革已然成為生物工程專業(yè)建設中的關鍵.

1 存在的問題

1.1 學生對設備的前期感官認識薄弱

目前，生物工程設備與設計課程教學幾乎全部依賴于課堂講授，值得注意的是，傳統課堂式教學無法提供給學生接觸和操作專業(yè)設備的機會，教學效果十分有限. 一直以來，理性認識均需要建立在感性認識的基礎上. 學生在沒有見到真實儀器設備之前，很難憑空想象出設備的空間架構；而學生腦海中若沒有設備的基本畫面，要理解設備構造、設計原理及運行方式則更無從談起. 盡管課堂教學中可借助微縮模型、幻燈片、視頻、仿真軟件展示部分專業(yè)設備的外觀圖、結構圖及運行規(guī)律，但這僅可對已存在的認識加以鞏固，卻仍無法替代專業(yè)設備的現實接觸環(huán)節(jié). 因此，如何預先奠定學生對專業(yè)設備的感性認識，對后期課程教學極為重要.

1.2 教學內容多，學時少，知識點易片段化

生物工程設備與設計課程主要分為發(fā)酵原料預處理、微生物反應器、產物分離提取和輔助設備體系4部分，每部分涉及的設備種類較多，構型和運行原理差異大，若要全部講授，不僅學時不夠，還會影響教學深度和系統性，教學效果差. 此外，現實發(fā)酵生產中的一種生物產品常對應多種生產工藝和設備，如不分重點進行“滿堂灌”，將削弱設備之間的工藝聯系，使知識點片段化，進而加速遺忘，降低學生對知識的靈活運用能力，嚴重影響學生的學習積極性. 因此，如何設置教學主線，精簡教學內容，增強各生物制造環(huán)節(jié)所用設備的聯系，將是優(yōu)化教學內容的重點.

1.3 缺少操作實踐來鞏固課堂知識體系

生物工程設備與設計課程應用性強，與工業(yè)化實踐關系甚為緊密. 課程結束后，如若不進行鞏固，前期所學知識將失去落腳點而變得易遺忘，最終使得教學效果大打折扣. 同時，作為一門應用性較強的課程，其課程考核方式目前僅限于理論考試，尚沒有以學生實踐能力為導向的考核形式，如此不利于評估學生的真實能力. 課后操作實踐是解決這一問題的有效手段，其不僅可鞏固課程知識點，還可培養(yǎng)學生運用理論知識來進行設備操作的能力. 遺憾的是，現階段大部分高校資源有限，無法提供足夠的專業(yè)設備用于教學，本課程的課后實踐鞏固和實踐考核推行難度大. 如何解決實踐資源不足的問題將是知識體系課后鞏固的關鍵.

2 生物工程設備與設計課程“三位一體”教學體系的構建與實踐

2.1 傳統生物工程設備與設計課程教學體系

傳統教學體系主要包括課堂教學、課堂考勤、課后作業(yè)和期末考核. 總評成績由課堂考勤（15%）、課后作業(yè)（15%）和期末考試（70%）構成. 教學按照課程章節(jié)的順序進行，分別是生物質原料處理設備、生物反應器、產物分離設備和過程輔助設備. 本體系特點在于根據不同的生物制造環(huán)節(jié)，分別講述各環(huán)節(jié)涉及的設備特點. 由于設備種類繁多，選型和原理各異，要想學生在短短兩節(jié)課（90 min）記住多種復雜設備的結構，并理解其運行的原理，尚有一定難度. 因為課程安排的關系，一個生物制造環(huán)節(jié)涉及的設備往往需要經過2-3周的時間才能講完，此時再講授下一環(huán)節(jié)，難免會造成前后知識點的有機聯系被切斷，其多環(huán)節(jié)間的設備適配性更無從談起.

2.2 “三位一體”教學體系的構建

為全面提升生物工程設備與設計課程的教學效果，本文構建以“課前——工廠實地學習、課堂——經典主線引導、課后——虛擬仿真鞏固及考核”為基礎的“三位一體”教學體系.

圖1 “三位一體”教學體系的構建

2.2.1 校企合作拓展，課前工廠實地學習交流

高校的專業(yè)設備主要用于科研和教學，一般性能完備，精度較高，適合從事小型實驗和生產；企業(yè)中的專業(yè)設備主要用于技術放大和產品生產，實用性更強，處理量和布置規(guī)模較大，工藝連貫性強，適用于連續(xù)大規(guī)模生產. 顯然，高校和企業(yè)中的設備差別較大，但是互補性極強. 若能在本科教學中整合校企雙方的設備資源，則可為學生提供更為全面的學習素材，并在學生腦海中初步構建設備的基本構造、運行原理和相應的工藝流程，從而為后期理論學習奠定堅實的感性認識基礎［5］.

目前，我校生物工程專業(yè)已和10余家生物企業(yè)進行產學研和專業(yè)實踐基地的合作，其中不乏有安徽豐原集團這類擁有著雄厚專業(yè)設備資源的大型企業(yè). 若能借助合作企業(yè)的生產平臺來補充高校在實踐和專業(yè)設備上的短板，則能形成協同效應，從而大幅提高生物工程設備與設計課程教學質量［6］. 近年來，校企合作課程在實踐性較強的學科專業(yè)中發(fā)展迅猛［7］，已有多種校企合作課程模式成功運用于市場營銷、化學工程與工藝、通信工程等經管、化工、物電的專業(yè)課程建設上. 在生物工程課程改革方面，以蚌埠學院、湖南科技學院為代表的一些高校選擇應用性較強的課程進行“校企合作教學”試點，取得積極的成果［8-9］. 本文從淮北師范大學實際情況出發(fā)，在生物工程設備與設計課堂教學的前期引入工廠短期實地學習，以強化學生對專業(yè)設備的感性認識，為后期課堂理論教學奠定基礎.

2.2.2 以經典生物工藝學主線引導課堂教學，全流程專業(yè)設備交融

針對課堂理論教學中出現的教學內容多，學時少，知識點易片段化的問題［10］，筆者以3～4組經典生物產品制造（酒精發(fā)酵、賴氨酸發(fā)酵、檸檬酸發(fā)酵、青霉素發(fā)酵）過程為主線，根據生物工藝學中的邏輯結構將相關設備按工藝的先后順序進行串聯，以強化各設備之間的邏輯聯系. 主線的引導可突出教學重點，將機械記憶轉化為知識網記憶，提高知識的靈活性和有機聯系. 例如，在以賴氨酸發(fā)酵引導的設備教學主線中，筆者以原料的前處理設備（包括玉米原料除雜、篩選、粉碎，原料運輸，玉米淀粉糊化、糖化，培養(yǎng)基配制、高溫滅菌），生物發(fā)酵過程設備（液態(tài)發(fā)酵罐基本結構、運行原理及維護保養(yǎng)，發(fā)酵無菌空氣制備和供給），及產物分離純化設備（發(fā)酵液固液分離、離子交換、蒸發(fā)、結晶、干燥）的順序進行講授. 如此，學生不僅可將專業(yè)設備和具體的生產工序聯系起來，還能依照對應生產環(huán)節(jié)理清各設備之間的邏輯關系.基于此，面對不同的生物產品，學生可針對其特定生產流程進行“舉一反三”，進行專業(yè)設備的選型和設計，從而掌握靈活運用專業(yè)知識解決現實需求的技能.

圖2 以賴氨酸生物合成工藝學為主線的生物工程設備知識網絡

2.2.3 基于虛擬仿真實踐平臺，設置課后訓練及考核新模式

除前期預習、企業(yè)實物接觸外，生物工程設備與設計課堂上講授的理論知識還需結合后期實踐操作來鞏固. 然而，值得注意的是，大多數學生在學習該課程之前從未參加過生產實踐培訓與實習，并不具備直接操作相關設備的能力. 因此，“課后采用何種方式對課程知識體系加以鞏固”成為亟待解決的新問題.

教學e時代的發(fā)展帶來一種以網絡技術為基礎的“虛擬仿真”實踐教學新模式［11］. 該模式依賴的“虛擬仿真實踐平臺”采用HTML、3DSMAX、CGI、JAVA及Unity3D技術，對復雜的生物發(fā)酵過程進行模擬，并將生產流程和專業(yè)設備進行有機整合，這為課后進行理論知識鞏固和實踐操作訓練提供條件. 教師以電腦主機發(fā)送網絡指令，開啟某類生物產品生產線，學生通過終端平臺在電腦中如真實操作一般控制虛擬設備，完成產品的發(fā)酵、提取步驟. 不同生物產品的生產對專業(yè)設備的需求不同，而虛擬仿真平臺可以在軟件中嵌入多種生物產品發(fā)酵實例，因此，虛擬仿真實踐平臺能夠為生物工程設備與設計課程提供大量的設備學習素材，強化設備之間的聯系，幫助學生建立專業(yè)知識體系. 同時，虛擬仿真平臺還可對課程進行考核，學生需要理解整個生產流程和相關設備的運行原理，并在電腦中正確設定參數、調節(jié)開關閥門，其考核成績不僅能反映學生對設備和流程的理解程度，還能反映學生對生物產品生產過程的實際操控能力. 此外，虛擬仿真實踐平臺不受實際生產周期和場地的影響，學生可以在任何時間登陸進行學習訓練，故該模式可突破傳統教學的時空限制，使得學生的虛擬實踐更為自主、靈活和多元，有助于對前期的理論學習內容進行鞏固和深化. 目前，淮北師范大學生命科學學院已經建立生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐平臺［12］，可為本課程后期學習鞏固及操作考核提供支撐.

3 “三位一體”教學體系的應用實踐

基于前期構建的“三位一體”教學體系，本文分別采用傳統教學方式及新型教學體系，在2014 級、2015級、2016級生物工程專業(yè)本科生生物工程設備與設計課程中進行教學實踐. 以上連續(xù)3屆本科生均分為2個班，共420人，其中每個年級的1班為對照組，進行傳統體系教學，2班為處理組，借助新體系完成教學. 經比較分析，以上2組同學在年齡、性別和課程進度上均無顯著差異. 在課程全部結束后，采用調查問卷、期末理論知識筆試和虛擬仿真模擬操作的形式，來獲得各年級學生的學習反饋，并評估學生在基礎理論知識上的掌握情況和在虛擬實踐能力上的差異，以考察新型教學體系在本課程中的教學效果.

a）學生自我評估. 在課程結束后，通過讓學生填寫調查問卷以了解學生對此門課程的總體評價，主

要分為學習興趣、知識掌握程度、創(chuàng)新思維培養(yǎng)和實踐能力4各方面（表1）. 本調查結果表明“三位

一體”新教學體系可增強學生的學習興趣，提高其綜合學習能力，并取得良好的教學效果.

表1 學生自我評價情況 %

b）學生理論知識考核. 在課程結束后，筆者對2014級、2015級和2016級生物工程專業(yè)學生的生物工程設備與設計課程期末理論考試成績進行統計，并將實驗組和對照組進行比較（表2）. 結果顯示，新教學體系可顯著提高學生對本課程基礎知識的掌握程度.

表2 學生期末理論考試平均成績比較

c）學生虛擬仿真實踐能力比較. 為初步考察新教學體系在培養(yǎng)學生實踐能力上的效果，筆者在課程結束后，借助虛擬仿真實踐平臺，隨機選取4組經典生物產品制造工藝學流程，針對其中各設備的操作和維護進行上機考核，電腦將按照學生的操作情況給出分數. 如表3所示，對2014級、2015級和2016級生物工程專業(yè)學生的生物工程設備與設計課程期末理論考試成績進行統計，并將實驗組和對照組進行比較（表3）. 結果顯示，新教學體系可明顯強化學生對工藝流程的理解，并提高相關設備的實踐操作能力.

表3 學生虛擬仿真操作考核平均成績比較

4 結語

在高校生命科學相關專業(yè)中，生物工程是典型的“工科”專業(yè)，其人才培養(yǎng)不僅需要傳授生命科學理論知識，更側重提高學生的實踐創(chuàng)新能力. 針對生物工程設備與設計課程目前主要存在的3類問題，本文提出“課前-課堂-課后”三位一體綜合改革方案，即：（1）拓展校企合作，課前工廠實地學習交流；（2）以經典生物工藝學主線引導課堂教學，強化專業(yè)設備的相互聯系；（3）基于虛擬仿真實踐平臺，構建課后訓練及考核新模式，鍛煉實踐操作與應用的能力. 本課題結合我校理工科人才“產學研”協同培養(yǎng)方針，以及當前“計算機網絡”輔助教學的大趨勢，制定與應用型人才培養(yǎng)目標相適應的教學新模式，該模式近3年的實行顯著提高學生的學習興趣、知識掌握程度和實踐能力. 本教學改革研究不僅是對本科師范院校生命科學中工程類專業(yè)課程教學模式的積極探索，還將為“課前-課堂-課后”三位一體新模式在其他理工科專業(yè)教學改革中的推廣提供重要參考.