于 貞，姜愛莉，邢榮蓮

(煙臺大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264005)

工程思維是工科學(xué)生必備的核心能力[1]。培養(yǎng)好學(xué)生的工程思維，也是全面落實(shí)OBE理念的重要舉措。李伯聰認(rèn)為，工程思維是在以科學(xué)思維指導(dǎo)下的把工程問題求解和工程思維過程看作一個“設(shè)計出一個可行的、適當(dāng)?shù)摹墓こ坛跏紶顟B(tài)到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)的操作程序或操作路徑的過程”，所以工程教育必須以培養(yǎng)工程思維能力為核心任務(wù)和基本內(nèi)容[2]。

《生物化學(xué)工程》是將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的學(xué)科，它研究和解決的是生物反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題[3]，因而《生物化學(xué)工程》是生物工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。它的理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)，在生物工程專業(yè)課教學(xué)中占有十分重要的地位，對于提高學(xué)生的理論水平和培養(yǎng)學(xué)生的工程思維方面都起到重要的作用。

工程思維的訓(xùn)練不僅僅需要在理論課授課時要加強(qiáng)，在后面的實(shí)踐教學(xué)過程中也應(yīng)該有意識地將理論聯(lián)系實(shí)踐這一行為貫徹到底，讓學(xué)生在以后的科研和生產(chǎn)活動中自覺地將理論和實(shí)踐相聯(lián)系，使這種工程思維模式形成習(xí)慣，能夠大大地提高科研和生產(chǎn)活動的效率。實(shí)踐教學(xué)過程，本就是理論聯(lián)系實(shí)踐的過程，在訓(xùn)練學(xué)生的工程思維方面發(fā)揮著重要的作用。

1 傳統(tǒng)《生物化學(xué)工程》教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的《生物化學(xué)工程》在教學(xué)過程中存在以下幾個問題：

1)課堂教學(xué)方面。《生物化學(xué)工程》對《高等數(shù)學(xué)》的要求比較高，同時其前修課程，既包括了對數(shù)學(xué)要求很高的《物理化學(xué)》和《化工原理》，還包括《生物化學(xué)》《微生物學(xué)》等課程，因此，《生物化學(xué)工程》是一門綜合性強(qiáng)，理論性強(qiáng)和邏輯性強(qiáng)，讓學(xué)生覺得難度很大的理論基礎(chǔ)課程。該課程包含許多復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，以往的《生物化學(xué)工程》課堂教學(xué)過程中，為了解決學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)象，花費(fèi)了大量的時間講授動力學(xué)公式的推導(dǎo)過程。由于教學(xué)計劃里《生物化學(xué)工程》授課時間從64學(xué)時改為48學(xué)時，導(dǎo)致動力學(xué)理論應(yīng)用方面講的比較少，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用發(fā)生脫節(jié)，學(xué)生的科學(xué)思維模式不能有效轉(zhuǎn)變成工程思維模式。

2)實(shí)踐教學(xué)方面。首先是學(xué)生認(rèn)識上的不足。長期以來，學(xué)生重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象很普遍，主要表現(xiàn)為預(yù)習(xí)就是抄講義，沒有對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程中采用的方法進(jìn)行深入的了解；其次，在實(shí)驗(yàn)過程中只是機(jī)械地照搬操作步驟，并不關(guān)心為什么要采用這樣的實(shí)驗(yàn)步驟。這種不求甚解的學(xué)習(xí)方式在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課(因?yàn)槭球?yàn)證實(shí)驗(yàn))是可行的，但在專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)過程中卻是不可取的。另外，在實(shí)驗(yàn)報告的撰寫過程中，對于實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，學(xué)生往往用誤差來解釋，并沒有進(jìn)行深入的探究，所以很難起到工程思維訓(xùn)練的目的。

2 《生物化學(xué)工程》教學(xué)改革理論

為了更好地貫徹OBE的教學(xué)理念，強(qiáng)化學(xué)生工程思維的訓(xùn)練，我們就強(qiáng)化工程思維的教學(xué)改革在理論方面進(jìn)行了探索。

1)將《生物化學(xué)工程》與前修課程進(jìn)行融會貫通是學(xué)好該課程的前提條件。新工科的重要特征之一就是跨學(xué)科課程，表現(xiàn)為以工程活動中的數(shù)學(xué)、理化和技術(shù)問題為核心，應(yīng)用工程設(shè)計思維去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。在這個過程中，需要多學(xué)科相互融合，讓學(xué)生的科學(xué)思維模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ趟季S模式，這個轉(zhuǎn)變的過程就是理論聯(lián)系實(shí)踐的過程。

2)工程思維模式是通過課堂教學(xué)形成的?！渡锘瘜W(xué)工程》課程就是為解決生物技術(shù)轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,也就是由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)化成工業(yè)規(guī)模的工程技術(shù)問題而誕生的，所以《生物化學(xué)工程》是通過數(shù)學(xué)語言來解決工程技術(shù)問題。其描述的動力學(xué)關(guān)系就是用數(shù)學(xué)公式表示的，但在應(yīng)用之前，數(shù)理化與工程技術(shù)首先進(jìn)行融會貫通即工程化，才能成為進(jìn)行動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計和分析的依據(jù)。所以我們提出了將《生物化學(xué)工程》理論教學(xué)與前期相關(guān)課程交叉融合，結(jié)合科研項(xiàng)目和生產(chǎn)實(shí)例，對學(xué)生的工程思維模式進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練的過程就是工程化思維形成的過程，也是學(xué)生的工程意識建立的過程。

3)工程思維模式通過主動參與科研項(xiàng)目得到強(qiáng)化?！犊蒲屑寄苷n》《生物工程與工藝綜合實(shí)驗(yàn)》及《生物工程專業(yè)方向?qū)嶒?yàn)》恰恰能夠讓學(xué)生切實(shí)將發(fā)酵動力學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)思想進(jìn)一步得到夯實(shí)。這個過程，從學(xué)生查閱文獻(xiàn)開始，到設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，最后完成實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理分析等等，都是以學(xué)生為主體進(jìn)行的。這個過程不僅調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)專業(yè)的主動性和能動性，更重要的是讓學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的思維，培養(yǎng)了學(xué)生用所學(xué)理論分析問題和解決問題的能力，也就是理論聯(lián)系實(shí)踐的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

4)專業(yè)課在塑造學(xué)生思想政治意識和觀念方面同樣有著重要作用，也是高校全方位育人體系中的重要環(huán)節(jié)。因此，《生物化學(xué)工程》在授課過程中，除了注重學(xué)生工程思維模式的培養(yǎng)外，還對其中蘊(yùn)含的思政元素進(jìn)行挖掘，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、樂觀進(jìn)取的人生觀和積極向上的價值觀。

3 《生物化學(xué)工程》教學(xué)改革內(nèi)容

在上述理論指導(dǎo)下，我們課題組進(jìn)行了如下的教學(xué)改革：

1)構(gòu)建了新的《生物化學(xué)工程》的課程體系。將《科研技能課》《生物工程與工藝綜合實(shí)驗(yàn)》《計算機(jī)仿真》及《生物工程專業(yè)方面實(shí)驗(yàn)》納入到《生物化學(xué)工程》課程體系中來，將工程思維運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)過程中，使學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步強(qiáng)化工程意識和工程思維。

2)注重各學(xué)科的交叉融合，使學(xué)生的科學(xué)思維模式向工程思維模式轉(zhuǎn)變，并通過假想的科研項(xiàng)目對工程思維進(jìn)行訓(xùn)練。在講解基本概念時，先從純數(shù)學(xué)的角度對它進(jìn)行深度解析，講解數(shù)學(xué)理論與工程實(shí)踐的差異，面對復(fù)雜的工程問題，如何才能最大限度地減小誤差，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上力求將概念具體化和實(shí)踐化，即工程化，實(shí)際上是將工程化的思維模式顯性化。比如，要獲得某個反應(yīng)過程的模型參數(shù)，根據(jù)所學(xué)的動力學(xué)理論，如果是從數(shù)學(xué)的角度應(yīng)該怎么做，如果從工程的角度又應(yīng)該如何進(jìn)行變通。從而決定了具體實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計，要采集哪些數(shù)據(jù)，怎樣采集，采集的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行科學(xué)處理才能獲得正確的結(jié)果。特別是，最后作直線圖是通過5點(diǎn)作圖(而不是數(shù)學(xué)上的兩點(diǎn)作圖法)，通過直線在兩個坐標(biāo)軸上的截距來得到模型參數(shù)(而不是通過數(shù)學(xué)上的聯(lián)立求解的方式得到模型參數(shù))，將純數(shù)學(xué)方法和最小二乘法(工程方法)之間的明顯不同通過圖示加以說明，最后建立了實(shí)驗(yàn)設(shè)計題庫。通過布置類似的作業(yè)，讓同學(xué)們自己根據(jù)動力學(xué)方程設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，并列出要采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的處理方法，對工程思維方式進(jìn)行訓(xùn)練。

3)將課程思政融入到理論課授課過程中，引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化工程意識，增強(qiáng)學(xué)好理論課的緊迫感和使命感，做一個有社會責(zé)任感的高級工程技術(shù)人才。例如，青霉素工業(yè)化，是解決了溶氧和染菌的主要矛盾的基礎(chǔ)上才實(shí)現(xiàn)的，讓學(xué)生意識到在解決復(fù)雜的工程技術(shù)問題上要善于發(fā)現(xiàn)問題，抓住主要矛盾；青霉素的發(fā)酵單位從最初的 40 U/mL 到 90000 U/mL 的巨大提高[4]，讓學(xué)生體會到《生物化學(xué)工程》在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的橋梁作用，深刻體會到《生物化學(xué)工程》理論突破對生產(chǎn)力的巨大推進(jìn)作用，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)好《生物化學(xué)工程》的內(nèi)在動力和使命感。再如，以玉米為原料利用雙酶法制糖的過程中，玉米的各種成分都被制成相應(yīng)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了玉米原料的完全利用，及廢物的零排放，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的統(tǒng)一，使學(xué)生堅定成為有情懷有能力的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才的信念。

4)在實(shí)踐教學(xué)過程中，讓學(xué)生借助具體的科研課題，強(qiáng)化學(xué)生的工程思維，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的水平。

首先，將我們課題組成員自主研發(fā)的計算機(jī)仿真軟件與生物工程與工藝綜合實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。計算機(jī)仿真軟件會把《生物化學(xué)工程》的理論對實(shí)踐的指導(dǎo)作用通過仿真直觀地顯示出來。實(shí)驗(yàn)之前，讓學(xué)生對谷氨酸發(fā)酵的生產(chǎn)過程進(jìn)行計算機(jī)模擬，通過仿真環(huán)節(jié)，熟悉整個生產(chǎn)過程，了解操作要點(diǎn)，以及生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)的非正?，F(xiàn)象及處理方法。再結(jié)合實(shí)驗(yàn)講義進(jìn)行預(yù)習(xí)，加深對整個實(shí)驗(yàn)的理解。實(shí)驗(yàn)之前學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計，老師只負(fù)責(zé)工藝路線的整體設(shè)計，由學(xué)生自己根據(jù)生產(chǎn)過程的主要工藝參數(shù)制定具體的實(shí)驗(yàn)方案，并說明理由。對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，提出自己的分析，給出解決措施。實(shí)驗(yàn)室過程中，學(xué)生可以根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的走向判定自己的分析是否正確，從而進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

其次，通過特定的科研任務(wù)，在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施，不但訓(xùn)練了學(xué)生的工程思維，而且在方案的設(shè)計和數(shù)據(jù)的分析和研判過程中強(qiáng)化了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。對于《生物工程專業(yè)方向?qū)嶒?yàn)》和《科研技能課》，要求學(xué)生根據(jù)老師布置的科研任務(wù)進(jìn)行充分的資料查詢，寫出實(shí)驗(yàn)方案，并組成小組進(jìn)行討論，整個小組把討論后的實(shí)驗(yàn)方案交給指導(dǎo)教師審閱。正式實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師對該實(shí)驗(yàn)過程中所涉及到的理論知識進(jìn)行提問，對實(shí)驗(yàn)過程中可能會用到的實(shí)驗(yàn)操作讓學(xué)生進(jìn)行預(yù)演，并說明這樣做的原因，然后對實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的問題用學(xué)過的理論知識進(jìn)行解釋，最后學(xué)生自己獨(dú)立完成整個實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以隨時和指導(dǎo)教師進(jìn)行討論，充分發(fā)揮了學(xué)生的主動性、能動性，調(diào)動了學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)的積極性，鍛煉了學(xué)生的動手能力，同時訓(xùn)練了學(xué)生的科研思維。在這個過程中，學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)踐的能力得到大幅提高。

4 結(jié)語

堅持理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重的原則，在學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練學(xué)生的工程思維模式，強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力的教學(xué)理念，讓學(xué)生能夠正確地應(yīng)用所學(xué)理論分析生產(chǎn)和科研過程中出現(xiàn)的問題。教改后突出了學(xué)生的主體地位，強(qiáng)化了學(xué)生的工程思維，同時融入思政元素；以人為本，以能力培養(yǎng)為核心，把知識傳授、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提高有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生全面協(xié)調(diào)發(fā)展，有利于應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。本課題研究成果從2019年開始在煙臺大學(xué)生物工程專業(yè)的學(xué)生中使用，收到了良好的教學(xué)效果。