生物工程專業《試驗設計與統計分析》教學改革與實踐*

張　儒

(湖南工程學院化學化工學院，湖南　湘潭　411104)

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生物工程專業《試驗設計與統計分析》教學改革與實踐*

張儒

(湖南工程學院化學化工學院，湖南湘潭411104)

根據生物工程專業人才培養目標以及《試驗設計與統計分析》的課程特點與教學現狀，結合本校教學條件以及近5年教學改革實踐，從教學內容和教學方式進行改革與探索。提出切合實際的教學改革措施與方法，我們在課堂教學中注重案例化、任務驅動和科研實踐于一體的教學模式，激發了學生的學習熱情與主動性，培養了學生的科學研究與創新能力，在實踐中取得了良好的教學效果。

試驗設計與統計分析；教學改革；實踐

生物工程專業是我國重點發展且極具發展潛力的高新技術專業之一。該專業是一門以生物學理論和技術為基礎，融合多門學科知識，實踐性很強的應用型專業，其科學的內涵屬于實驗科學[1-2]。在生物工程相關的科學研究中，需要通過大量的試驗研究其內在變化規律，對結果統計分析才能得到合理科學的結論，試驗設計與統計分析是從事生物工程技術開發和研究的人員必須具備的技能[3]。

試驗設計與統計分析是以數理統計理論、專業知識和實踐經驗為基礎，科學地設計試驗和收集數據，并對所得試驗數據進行整理、分析，達到減少試驗次數、縮短試驗周期得出客觀、科學的結論[3]。因而該課程是一門貫穿于生物工程科學研究工作的重要工具，對培育本專業學生的畢業論文設計、撰寫和今后進行試驗有重要的作用，在科研能力培養方面具有十分重要的意義。然而，試驗設計與統計分析課程具有內容繁多、理論性強、實踐應用要求高等特點。學生反映是學習難度大、難有興趣的專業課程[4-5]。針對試驗設計與統計分析課程教學中存在的問題，根據該課程特點和生物工程專業人才培養目標，結合學校的實際對其教學方法和手段進行探索與實踐，激發了學生的學習熱情與主動性，培養了學生的科學研究與創新能力，取得了良好的教學效果。

1　開展案例化教學，增強課程內容的針對性

實驗設計與統計分析涉及微積分、線性代數和概率論等課程，教材信息量大、學時較少，較難實現對教學內容面面俱到，加之內容抽象、原理枯燥、推理過程復雜和計算煩瑣等，導致缺乏學習的積極性和主動性，使其難于感受該門課程的現實意義。

案例化教學具有形象化、生動化、簡單化和具體化等特點。能將沉悶的學習環境變成輕松愉快的學習氛圍，能有效避免教師滿堂灌，學生被動接受的問題[4]。通過案例可以增強理論知識的實踐應用性。在案例化教學模式下，教師需要積極調動學生參與到案例中來，并引導和啟發學生利用所學的理論和方法解決案例中出現的問題。比如我們在綜合實驗中，優化釀酒酵母發酵產乙醇的工藝，需要考慮影響乙醇產量的因素和水平，需要設計實驗、實施、數據收集與整理、統計分析和得出結論等，引用專業實驗中的實例，讓學生有種身臨其境做實驗的感受，瞬間讓學生將抽象的統計原理聯系到實踐。再結合以前的實驗過程和數據，從專業理論的角度分析，讓學生直接體會到整個實驗設計及統計分析的實用性和重要性。這樣的實例不僅可以激發學生的興趣，同時也促使學生從專業角度科學的分析和判斷實驗結果。

為了促使學生進一步強化試驗設計與統計分析理論并能深入聯系專業知識。我們在優化的釀酒酵母發酵產乙醇的工藝條件下，探討乙醇合成酶相關基因變化情況，并設計實驗采用qRT-PCR的方法分析基因表達水平，并對前期實驗數據統計分析。也可以引導學生思考從發酵的酵母中分離乙醇或者其它產品工藝又是如何設計和分析，等等。通過一個實例引出發酵工程、基因工程、分子生物學和生物分離工程等一系列課程的相關知識，即有助于啟發學生利用統計學方法解決實現生產中的科研問題。也為深入學習課程內容打下堅實的興趣基礎，使學生由被動學習變為主動學習，使本課程成為學生能夠用掌握的方法解決實際問題，借以訓練思維、培養能力的課程。

2　采用PBL教學法，培養解決問題和自主學習能力

PBL教學法(Problem-Based Learning)是以學生為主體，通過小組合作的形式共同解決復雜的、實際的或真實性的問題，學習隱含于問題背后的科學知識，以促進他們解決問題、自主學習和終身學習能力的發展[6]。教師根據學生認知水平、專業課程等相關方面提出的問題，對學習成果提出要求，讓每個小組的學生明確自己的任務、目標和分工。引導學生利用網絡課程等豐富的教學資源解決問題，且必須達到既定的標準。

教師是實施PBL教學法的倡導者、設計者和具體執行者，學生的主體性需要在教師的指導下逐步培養和發展。因此，教師運用新教學方法的心理準備、對問題的選擇與設計、對教學資源的準備、調控課程教學的能力決定著教學方法的實施效果[6]。根據學生對知識理解由簡到難和循序漸進的特點，將本課程設計為3個方面的技能：(1)基本技能(資料收集與整理)；(2)核心技能(結果分析與判斷)；(3)綜合技能(數據的統計分析與給出結論)。圍繞這3個主要項目，結合專業實際提出問題。比如，如何收集酵母發酵過程中的資料？如何整理？為何要對結果統計分析？如何分析？如何去看分析結果？再結合其它的簡單實例，告訴學生在解決問題的過程中要深入思考問題的各個方面。比如，如何獲取資源、如何評價資源、如何根據這些資源來解決實際問題等。實現知識傳授與技能培養的有機融合。

除了善于提出問題，教師應根據學生的基礎、學習能力等的不同，適當準備和設計一些教學資源，并且這些資源難易兼顧，既要考慮到基礎知識，也要有拓展知識，既能讓學生自主獨立、循序漸進的學習，也能讓其自主探究學習。

3　加強“任務驅動式”教學，強化學生課程應用實踐性

試驗設計與統計分析是實踐性較強的一門課程，單純課堂講授遠不能滿足教學目標的要求，需要結合相應的實踐才能讓知識得以鞏固。目前的教學方式主要通過完成教材中的課后作業來實踐。但是這些作業(任務)相對簡單，對知識綜合運用和拓展沒有太大的幫助。在實踐中，亦存在學生不動腦、作業抄襲、學生間互動少、作業應付差事的情況。

任務驅動式教學模式，即學生在教師的引導下，圍繞一個切合實際的任務中心，在任務動機的驅動下，調動學生的主動性，進行自主探索和互動協作的學習，并在完成既定任務的同時，引導學生完成學習的一種實踐活動[7]。

該教學模式使學生帶著真實的任務在探索中學習，構建屬于自己的知識和技能，同時提高學生分析問題、解決問題能力。在完成任務的過程中，不斷獲得成就感，進而激發學生的求知欲，形成自我學習的良性循環，逐步培養出獨立探索、勇于進取的自學能力。將以往簡單的解決問題轉變為以完成任務為目標的探究式學習，學生根據自己對問題的理解，以最積極的態度，竭盡所能的運用各種資源和經驗提出方案、解決問題。

根據任務驅動教學法的原理，結合生物工程產品科研生產實踐，對教材內容進行適當的刪減和調整，減少復雜抽象公式的推導和計算，在授課過程中加入一些專業教師科研中的一些案例，如人參皂苷合成酶基因SS的PCR引物設計和條件優化、滲透壓等對葡萄酒酵母發酵過程中甘油合成與揮發酸生成的調節作用、人參皂苷等藥用活性成分提取分離工藝優化、葡萄糖苷酶穩定性分析、葡萄糖酶固定化工藝等。再對實驗中需要的一些設計和統計分析軟件，如正交實驗設計、均勻實驗設計、Design expert、SAS和SPSS等進行重要介紹。在階段性完成某一部分內容講授后，然后布置與上述的實例相關的任務，要求學生分組查閱相關的最新文獻，在任務驅動下進行實踐和網絡拓展。通過指定任務督促學生將課堂講過的理論知識進一步的消化吸收，借助任務的完成真正實現知識的深入理解和靈活運用，通過課內引導和課外拓展結合彌補學時和教材內容不足的局限，這樣既增強了學生團隊協作意識，也訓練學生查閱資料，進行自主學習的能力。

4　充分利用科研平臺，調動學生積極性

“教”的目的是為了學生的“學”，“學”的目的是為了用。然而學習過程需要學生能夠獨立思考和較高的主觀能動性。通過科研活動可以消除學生對課本知識的厭煩情緒，加深了對知識的理解，培養了學生的觀察能力、分析能力、實際運用等方面的能力，更重要的是提高了學生的主觀能動性。教師如果能及時將一些研究成果帶進課堂，深入淺出的讓學生對科研的重要性和魅力有所了解，這樣會增加學生對科研的新鮮感，也能增加學習的興趣。為了能讓學生所學到的實驗設計與統計知識能廣泛應用到生物工程專業課程實踐和應用之中，在指導學生進行相關的科研活動時，教師盡可能將科研項目與教學內容密切聯系，引導學生運用所理論知識對實驗結果進行分析和解釋，并能提出自己的建議，在合適的時候，還可以讓學生獨立完成部分科研課題，進一步激發學生科學探索的興趣。

基于上述的思路，結合化學化工學院省級省高校重點實驗室和省校企人才合作培養示范基地等科研平臺，開展多種形式的逐層遞進的科研創新活動：校級、省級和國家級大學科技創新創業訓練計劃項目；開放實驗(帶著自己感興趣的課題進入實驗室)，國家和省級挑戰杯大學生創業大賽；湖南省大學生課外化學化工創新作品競賽等；結合我校發生物工程學科特點，鼓勵大二以上的學生根據自己的興趣，在專業教師的指導下開展科學研究。積極引導學生參加各級科技創新活動，以及各級別的挑戰杯大學生創業大賽等活動。近五年，生物工程專業有近100名本科生參加各類科技創新活動，獲國家和省級科技創新項目5項；校級科技創新項目20余項；省部級以上挑戰杯獲獎3項，其它科技競賽獲獎20余項，學生發表論文30余篇，畢業生受到用人單位普遍歡迎。這些成果顯示我們這種教學方法的探索與實踐取得一定的實效，學生學習的積極性主動性都有明顯的提高，教學效果顯著。

由于前期的教學內容彼此銜接且循序漸進，引導學生參與科研實踐活動，使所學理論知識與科研實踐相互銜接、互有補充。我們開展的一系列科技創新活動，明顯的激發學生科研興趣，提高了學生的創新能力。

5　結　語

課程教學必須適應社會發展及人才培養的需要。隨著社會發展和科技的進步，已經開始由培養知識型人才向培養創新型能力型和操作型人才轉變。因此，教師的作用也應由引導學生學習轉變為引導學生自主學習。然而，在我國各大高校的教學中重理論輕實踐的教學現象仍然普遍存在，在試驗設計與統計分析這樣一門理論和實踐緊密聯系的課程中，此現象也屢見不鮮。

試驗設計與統計分析是生物工程專業重要的工具課，通過探索與實踐，我們在課堂教學中注重案例化、任務驅動和科研實踐于一體的教學模式，激發了學生探索與主動學習的熱情，初步取得了良好的教學效果。在以后的教學過程中，進一步優化教學模式，特別要注重解決實際問題能力的提高。為我國的生物工程工業培養出更多優秀的專業人才。

[1]譚之磊, 王穎麗, 賈士儒. 生物工程專業實踐教學體系的構建[J]. 廣州化工, 2012, 40(19):149-150.

[2]常景玲，李蘭，郭丹釗，等．生物工程實驗課程教學改革探索[J]. 實驗科學與技術， 2008，6(2): 78-79.

[3]惠明, 田青. 生物工程專業《試驗設計與數據處理》的教學探討[J]. 安陽工學院學報, 2009, 37(4):117-119,122.

[4]付曉萍, 李凌飛, 范江平, 等. 食品試驗設計與統計分析課程教學改革與實踐[J]. 現代農業科技, 2013,22:335-337.

[5]陳柄燦. 《食品試驗設計與統計分析》課程教學設想[J]. 西南農業大學學報(社會科學版), 2008,6(1):211-213.

[6]李文莉. 基于問題學習的教學方法影響因素分析[J]. 職業教育研究,2012, 1:141-143.

[7]江宏偉. “任務驅動”化學教學模式的課堂實踐研究[J]. 化學教與學,2013, 3:11-12,20.

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

湖南工程學院博士科研啟動基金項目(15059)。

張儒(1979-)，男，博士，從事生物工程方面的教學與研究。

G642

A

1001-9677(2016)01-0199-03