梁曉聲 汪文俊 張 莉 張 芯

中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430074

作為一種目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)理念,成果導(dǎo)向教育理念倡導(dǎo)在教學(xué)過程中不再以教師為中心,而以學(xué)生為中心,以預(yù)期學(xué)習(xí)成果為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)過程的設(shè)計(jì),并建立教學(xué)評價體系對教學(xué)效果與預(yù)期效果差異進(jìn)行評估,并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)方式[1]。2016年我國正式加入《華盛頓協(xié)議》,意味著通過我國工程教育認(rèn)證體系專業(yè)的畢業(yè)生均應(yīng)被其他簽約組織視為已獲得從事該專業(yè)領(lǐng)域工程工作的學(xué)術(shù)資格,《華盛頓協(xié)議》的加入對于推動我國工程技術(shù)人才跨境流動和執(zhí)業(yè)具有重要意義[2]。近年來,教育部推出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”“新工科建設(shè)”等一系列新舉措來提高人才培養(yǎng)質(zhì)量并貫徹成果導(dǎo)向的教育理念。在此背景下,生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)作為“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施過程中的重要環(huán)節(jié),為實(shí)現(xiàn)對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的綜合培養(yǎng)目標(biāo)起到了重要作用。生物工程課程內(nèi)容多而分散,專業(yè)課程按涉及產(chǎn)業(yè)部分基本可分上游、下游兩部分,上游包含細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、基因工程、分子生物學(xué)等專業(yè)知識,下游包含分離工程、發(fā)酵工程、生物工程設(shè)備、發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)等課程?？傮w而言,涉及生物產(chǎn)業(yè)上下游專業(yè)知識的傳授和培養(yǎng)方法有所共通又有所差異,缺乏與生物工程專業(yè)相匹配的綜合性實(shí)踐技能培養(yǎng),導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新精神,而這正是目前國內(nèi)高校生物工程實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置所欠缺的。生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)是中南民族大學(xué)生物工程專業(yè)本科生的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),通過該課程的學(xué)習(xí)旨在將基礎(chǔ)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)部分融會貫通,培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、工程意識及創(chuàng)新意識。該課程進(jìn)行成果導(dǎo)向的教育理念貫徹,并按教學(xué)效果持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法在學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)中顯得較為重要。

1 基于成果導(dǎo)向教育理念的課程設(shè)計(jì)

本課程內(nèi)容分為兩部分:第一部分為啤酒發(fā)酵綜合實(shí)驗(yàn),該部分學(xué)生使用小型車間設(shè)備實(shí)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)的所有單元操作,并對釀造的啤酒進(jìn)行系列指標(biāo)監(jiān)測。旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用生物化學(xué)、發(fā)酵工程、化工原理、生物工程設(shè)備、分離工程等課程的相關(guān)知識,對麥芽汁制備、釀酒酵母的好氧發(fā)酵及厭氧發(fā)酵、流體輸送換熱等單元操作、實(shí)現(xiàn)各單元操作的工程設(shè)備等進(jìn)行綜合性的理解和實(shí)踐。同時掌握基本的厭氧液體發(fā)酵的實(shí)現(xiàn)工藝,能根據(jù)相關(guān)課題進(jìn)行簡單的工藝路線設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生具備生物工程下游相關(guān)領(lǐng)域的問題分析和解決能力。通過本部分的學(xué)習(xí),學(xué)生能查閱發(fā)酵工程各類技術(shù)最新進(jìn)展及應(yīng)用前景等相關(guān)資料,提升自主學(xué)習(xí)能力。第二部分為酵母葡聚糖酶表面展示綜合實(shí)驗(yàn),該部分學(xué)生通過在大腸桿菌中改造穿梭質(zhì)粒載體并電擊轉(zhuǎn)化入酵母細(xì)胞,將展示基因重組于酵母基因組,制備微生物固定化的酶產(chǎn)品。旨在培養(yǎng)學(xué)生對基因改造、酶學(xué)性質(zhì)研究、蛋白質(zhì)誘導(dǎo)表達(dá)等知識以實(shí)際問題為導(dǎo)向進(jìn)行綜合性的應(yīng)用。掌握基本的酵母載體異源蛋白展示表達(dá)的基本流程,培養(yǎng)學(xué)生具備生物工程上游技術(shù)問題分析和解決能力。通過本部分的學(xué)習(xí),學(xué)生能查閱外源蛋白表達(dá)各種技術(shù)資料,提升自主學(xué)習(xí)能力[3]。

畢業(yè)要求本課程對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)如表1所示,以上述指標(biāo)點(diǎn)為教學(xué)目標(biāo),對課程內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。課程教學(xué)目標(biāo)如下:課程目標(biāo)1:從認(rèn)知生物工程綜合實(shí)驗(yàn)的課程學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握生物產(chǎn)品生產(chǎn)的一般過程;課程目標(biāo)2:通過生物產(chǎn)品制造的流程學(xué)習(xí),使學(xué)生了解生物工程產(chǎn)品的基本特性,掌握產(chǎn)品制造的基本原理和過程;課程目標(biāo)3:通過生物產(chǎn)品制造的原理、工藝條件的差異學(xué)習(xí),掌握不同類型生物產(chǎn)品生產(chǎn)的基本原理、技術(shù)手段及工藝條件,對各種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程的合理性、實(shí)用性和局限性有清晰的認(rèn)識;課程目標(biāo)4:通過生物產(chǎn)品實(shí)例的學(xué)習(xí),掌握生物產(chǎn)品制造過程中的質(zhì)量管理學(xué)習(xí),使學(xué)生了解生物產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)行管理基本要求。本課程的課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系如表2所示[4]。

表1 課程教學(xué)對畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)支撐貢獻(xiàn)

表2 教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)矩陣

(1)啤酒釀造部分,麥芽汁制備上罐酵母接種。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:麥芽粉碎、糊化糖化原理及實(shí)踐、過濾、煮沸、回旋沉降、換熱、上罐、接種及培養(yǎng)。學(xué)習(xí)要求:掌握啤酒制造工藝流程及操作流程,理解相關(guān)單元操作及設(shè)備原理,可擴(kuò)展進(jìn)行相似生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì)。(2)啤酒指標(biāo)監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:前發(fā)酵后發(fā)酵條件控制及泡沫蓋觀察、持續(xù)取樣監(jiān)測殘?zhí)前被?、發(fā)酵液酒精度及雙乙酰測定。學(xué)習(xí)要求:掌握啤酒釀造前發(fā)酵及后發(fā)酵的控溫條件及形態(tài)變化特點(diǎn),掌握DNS法測糖及茚三酮法測氨基氮的基本原理及操作,掌握蒸餾-酒精計(jì)法測酒精度,掌握蒸餾-鄰苯二胺法測雙乙酰,掌握巴林公式計(jì)算。(3)啤酒的品鑒。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:食品感官評定表及風(fēng)味雷達(dá)圖進(jìn)行啤酒感官評定。學(xué)習(xí)要求:了解食品感官評定方法。

(1)酵母表面展示部分,甘露聚糖酶酵母表達(dá)載體的構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:從微生物中擴(kuò)增目標(biāo)DNA片段,酶切鏈接片段和載體,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化感受態(tài)大腸桿菌,抗生素篩選陽性克隆擴(kuò)增提取質(zhì)粒酶切及測序驗(yàn)證。學(xué)習(xí)要求:掌握外源基因酵母表達(dá)載體的通用構(gòu)建方法,掌握感受態(tài)大腸桿菌的制備方法。(2)載體電轉(zhuǎn)化酵母及抗性篩選。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:克隆成功表達(dá)質(zhì)粒擴(kuò)增提取,表達(dá)質(zhì)粒電轉(zhuǎn)化酵母感受態(tài)細(xì)胞,涂布博萊霉素抗性平板篩選陽性克隆,菌落PCR驗(yàn)證。學(xué)習(xí)要求:掌握酵母感受態(tài)制備方法,掌握酵母電轉(zhuǎn)化方法及步驟。(3)酵母表面誘導(dǎo)展示及酶活測定。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:酵母擴(kuò)培,更換培養(yǎng)基并加入甲醇誘導(dǎo),酶活測定。學(xué)習(xí)要求:掌握酵母甲醇誘導(dǎo)表達(dá)法,掌握甘露聚糖酶測定方法。

2 基于成果導(dǎo)向的教學(xué)過程改革與實(shí)施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)分解、學(xué)生基本素質(zhì)和專業(yè)特點(diǎn)以及教學(xué)條件等因素,從實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書修訂、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段的改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)成績考核等方面入手,使該綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容更加貼近實(shí)際。在原有課程基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化實(shí)踐課程,調(diào)整出更具有實(shí)用性和科學(xué)性的知識點(diǎn)。模擬改動生產(chǎn)條件,增設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力,提高學(xué)生對整個啤酒發(fā)酵工藝的系統(tǒng)把握和整體思考能力。采用“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式,通過學(xué)生獨(dú)立完成課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)操作、整理數(shù)據(jù)等工作來提高其分析問題、解決問題的能力。完善實(shí)驗(yàn)成績考核制度,在保證基本考核內(nèi)容不變的基礎(chǔ)上對過程與結(jié)果進(jìn)行綜合評價,增強(qiáng)對教學(xué)過程的管理并及時通過線上教學(xué)軟件回收學(xué)生反饋,以分組結(jié)果分析提交的方式對學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)時間、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范程度、數(shù)據(jù)分析與處理能力等進(jìn)行考核。建立和完善教師教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)督體系和學(xué)生學(xué)習(xí)過程質(zhì)量監(jiān)控體系。通過對學(xué)生學(xué)習(xí)成果進(jìn)行跟蹤,及時調(diào)整、完善課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案、教學(xué)方法和考核辦法等,根據(jù)學(xué)生在教學(xué)過程中的參與程度及學(xué)習(xí)效果進(jìn)行持續(xù)改進(jìn),建立完善的過程性評價體系和學(xué)生綜合評價體系,并在課程結(jié)束后進(jìn)行評估。例如,為了培養(yǎng)學(xué)生對啤酒發(fā)酵工藝相關(guān)單元操作和相關(guān)設(shè)備、原理的掌握,實(shí)驗(yàn)前讓學(xué)生查閱大量資料,了解麥芽制備方法、麥芽粉碎要點(diǎn)并結(jié)合后續(xù)工藝解釋麥芽特殊制備方法和粉碎方法的原因。針對蛇管換熱煮沸和板翅式換熱步驟回顧換熱器換熱面積計(jì)算方法及操作條件改變工藝預(yù)測的傳熱單元數(shù)法等[5]。對過濾單元操作回顧恒壓過濾恒速過濾方程及過濾時間估算。對回旋沉降操作回顧非均相物系分離顆粒物在離心場中沉降相關(guān)計(jì)算方法,并對設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)回顧。實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)學(xué)生正確使用生產(chǎn)設(shè)備,最后讓學(xué)生獨(dú)立完成啤酒釀造上罐及酵母接種實(shí)驗(yàn)。通過對工藝流程及相關(guān)設(shè)備工作原理及計(jì)算的梳理和學(xué)生實(shí)際操作,使學(xué)生對啤酒釀造有了較為系統(tǒng)和完整的了解和認(rèn)識,提高了教學(xué)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)過程中通過學(xué)習(xí)平臺分組討論、關(guān)鍵講解效果投票等方式及時獲得教學(xué)效果反饋并予以即時修正,課程結(jié)束后在此進(jìn)行意見收集了解學(xué)生對這門課學(xué)習(xí)情況與本學(xué)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建議以進(jìn)行后續(xù)持續(xù)改進(jìn)。對學(xué)生考評方式、實(shí)驗(yàn)報告不再作為唯一考評依據(jù),其考評權(quán)重降低至50%以下,增加了學(xué)生參與時長評估,課堂操作表現(xiàn),學(xué)生對原理了解程度,分組提交的數(shù)據(jù)測定及數(shù)據(jù)處理是否規(guī)范等作為考評依據(jù)。此外,我們還建立了教師、實(shí)驗(yàn)室人員、其他相關(guān)學(xué)科教師及其他實(shí)驗(yàn)室人員共同參與的評價體系。通過評價體系來對整個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全程指導(dǎo)和評估。

結(jié)語

本文結(jié)合教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn),介紹了將結(jié)果導(dǎo)向教育理念應(yīng)用于生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)課程的目標(biāo)定位、課程實(shí)施和課程評價的實(shí)踐過程。通過引入成果導(dǎo)向教育理念,課程目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確,可執(zhí)行性更強(qiáng),課程實(shí)施更具可操作性,課程評價更具客觀性和指導(dǎo)性。成果導(dǎo)向的教育理念的落實(shí)在該課程上取得了良好的教學(xué)效果,學(xué)生踴躍開展相關(guān)課題研究,在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中多次獲獎,發(fā)表論文多篇。學(xué)生利用假期到發(fā)酵工程相關(guān)企業(yè)實(shí)習(xí),參與公司產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn),為今后的職業(yè)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。