成果導向教育理念在《生物工程綜合實驗》課程中的應用

閻欲曉，粟桂嬌，蔣承建，金健

廣西大學生命科學與技術學院（南寧 530004）

成果導向教育（Outcome-based education）理念也稱為OBE教育理念，是一種以學生的學習成果（Learning outcomes）為導向的教育理念，認為教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程所取得的學習成果[1]。注重對學生學習產出進行分析，反向設計學生的教育結構以及相關評價體系，注重培養學生把學術知識轉化為解決實際問題的能力。該理念下教學的各個環節都是緊緊圍繞學生進行設計并實施的，在創新應用型人才培養方面具有十分重要意義[2]。

隨著現代生物技術的迅猛發展，社會對生物工程專業的人才需求由理論研究型人才的需求逐漸轉向對應用創新型人才的需求，用人單位在人才的引進上越來越傾向“知識、能力、素質”綜合發展的具有一定創新精神的應用型人才。OBE模式的理念適應社會，特別是企業界對人才培養的需求，即學生的技能與能力應以可觀察、可測量及可應用的模式呈現[3-4]，因此構建并實施成果導向式教學模式和課程考核及評價機制勢在必行。

1 成果導向教育模式在《生物工程綜合實驗》課程的實施

對于工科專業來說，實驗教學是教學體系的一個重要組成部分，是培養學生掌握專業技能的重要手段，也是培養學生分析問題、解決問題的能力及創新意識的重要途徑[5-6]。《生物工程綜合實驗》是將生物工程多種技術串聯起來的綜合性專業實踐課程，學生在掌握生物工程領域的理論知識、基本實驗技能的基礎上綜合已學的知識來設計和操作實驗，是一種對學生實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的復合型實驗[7]。廣西大學生命科學與技術學院獨立設課的《生物工程綜合實驗》遵循OBE“學生中心”“成果導向”“持續改進”的核心理念[8]，以綜合性、系統性、研究性、應用性為構建思路和原則[9-10]，設計一批綜合設計性實驗項目，采取任務為主線、教師為主導、學生自主探索為核心的教學模式，調動學生主觀能動性，建立學生工程意識，提高學生知識運用的綜合能力和融合能力。

1.1 構建課程的預期學習產出

根據成果導向教育模式，學生預期學習產出先于教學內容而存在，首先明確學生的預期學習產出，反推教學過程再進行評估，形成閉環的內循環系統。結合2015版工程教育專業認證中的12條畢業要求，構建該課程支撐生物工程專業畢業要求的4個一級指標和9個二級指標點，見表1。

學生預期學習成果包括知識性成果、技術性成果和能力成果。生物工程綜合設計性實驗涵蓋生物工程學科的主要內容與通用技術，學生可在掌握生物工程領域基礎理論知識（知識成果）和實驗技能（技術成果）的基礎上，設計實驗方案，應用知識和技術成果來解決實際問題（能力成果），是對學生由知識性成果→技術性成果→能力成果的綜合檢驗過程。

表1 《生物工程綜合實驗》課程支撐專業畢業要求的指標點

1.2 實現預期的學習產出

為將成果導向（OBE）教學模式更好地滲透到實驗教學中，實現預期學習產出，教師團隊以學習成果為導向，項目為主體、任務為驅動，對生物工程綜合設計性實驗的教學內容、教學方法、教學手段和課程考核及評價方法進行探索與實踐。

1.2.1 構建模塊化實驗內容

開設的《生物工程綜合實驗》包括發酵工程、酶工程和基因工程3個模塊大實驗，具體實驗內容見表2。這3個模塊實驗均以產品的生產工藝為主線，其中多個設計性環節子項目穿插于主線中，每個實驗均從立題到查資料、從設計實驗到具體實施、從分析實驗數據到撰寫論文所構成。模塊化實驗教學可提高學生的探究能力和實驗技能綜合運用能力。

選擇開設“酒精發酵工藝”實驗是順應中國提出利用非糧原料進行生物質能的生產的方向，結合廣西資源特色，以非糧原料糖蜜、木薯淀粉為原料生產酒精，具有實用性和應用性，學生的興趣高。

“米曲霉固態發酵產中性蛋白酶及其分離純化和應用”實驗涵蓋三部分實驗，從“米曲霉固態發酵產蛋白酶”實驗出發，進而“中性蛋白酶的分離與純化”實驗，并延續“蛋白酶粗酶液水解植物蛋白制備活性多肽實驗”。教學內容充實，學科交叉顯著，呈現給學生從“菌種接種→固態培養→產物生成→產物提純→產物應用”的完整工藝實驗過程。

“基因工程菌發酵生產耐高溫α-淀粉酶”實驗是科研反哺于教學，依托廣西大學國家重點實驗室的科研成果，開設“基因工程菌發酵生產耐高溫α-淀粉酶實驗”。出發菌株為：地衣芽孢桿菌→提取菌株基因組DNA→克隆耐高溫α-淀粉酶基因→目的基因在大腸桿菌中表達→獲得產耐高溫α-淀粉酶基因工程菌→5 L發酵罐中發酵表達，定時取樣菌體濃度、pH、溶解氧及底物利用與產物生成情況。把分、切、接、轉、篩、表等基因工程課程的核心內容綜合起來，通過產淀粉酶細菌的上罐發酵將發酵工程和酶工程實驗完美結合，形成有序的生物工程上中下游的“鏈”式知識體系。

表2 實驗項目表

1.2.2 設計性子項目貫穿于實驗的綜合主線中

堅持教學與研究相統一的實驗教學手段，在綜合主線上開設具有設計性、可操作性和探索性的子項目。通過對子項目的探究，培養學生自主學習能力，提高檢索文獻和歸納資料的能力、實驗設計的能力、分析問題能力，還有利于培養學生團隊精神和協作能力。

“酒精發酵工藝設計實驗”的綜合主線是以酒精發酵的原料選擇為起點，采取固定化酵母細胞和游離酵母細胞兩種方式進行發酵。在這條主線中，學生的設計性模塊項目及重點問題包括：（1）發酵培養基原料的選擇。每組選取不同原料（如木薯淀粉、糖蜜），查閱資料確定原料預處理方法，并配制好相應的發酵培養基；（2）固定化細胞載體材料的選擇。選擇不同的固定化載體（海藻酸鹽、明膠、瓊脂糖、聚丙烯酰胺等），鼓勵采用新型載體材料制備固定化酵母細胞，并進行固定化細胞發酵和游離細胞發酵的對比實驗。學生對固定化細胞的制備實驗興趣高，項目具有很強的實用性和應用性，有助于開拓學生專業視野，對學生就業能力的提高有所幫助。

“米曲霉固態發酵產中性蛋白酶并分離純化和應用實驗”在固態培養基配方和蛋白酶分離純化環節設置2個探究性子實驗。（1）固態培養基配方選擇。要求每組設計不同的固態培養基配方，通過對不同培養基成分及配比對米曲霉產蛋白酶活力的影響進行分析，確定適宜的產酶培養基。（2）粗酶液的分離純化。生物產物的分離純化方法眾多，建議學生選擇實驗室可操作性強，科研、應用意義強的技術方法進行具體實驗方案設計。如采用雙水相萃取技術和鹽析法，科研成果豐富，文獻資料充足，操作簡單，可行性強，現已被廣泛應用于生物產品的分離純化[11]；雙水相萃取法的關鍵是選取何種雙水相體系及體系濃度的確定，每組選擇一種雙水相體系，探究3～4個體系濃度，確定出最佳萃取條件。分離純化過程是生物技術實現產業化的關鍵技術，利用實驗平臺，強化學生發酵產物提取分離技術的訓練，提高學生解決實際生產問題的能力。

1.3 評估學習產出

實驗課程所承擔的任務，除了加深對知識的理解和掌握外，更重要的是能力和素養的培養。為了更好地對學生綜合能力和素養進行評價，實驗課程的成績評定由實驗方案制定（總分20分）、操作過程表現（總分20分）、報告撰寫（總分50分）及小組匯報（總分10分）4部分組成。采用科學的評價方法即課程達成度計算法[12-15]，通過設計考核環節與畢業要求指標點的關聯表（表3），根據考核內容、評分標準與需要考核的畢業要求，建立起合理而全面的關聯，對學生預期學習成果進行整體評估。

表3 考核環節與指標體系的關聯及指標點達成度

考核環節與指標體系的關聯表包含4個部分考核環節的總分值以及考核環節對指標點的權重系數。根據此表可計算指標點分項達成度，方法如式（1）所示。達成度的計算，可以全面評價學生學習效果，分析能力與素養方面的優勢與不足，指明課程改進的方向，達到改善教學質量的目的，實現持續改進的理念。

以指標點4.1為例，通過學生成績的原始數據采集，具體描述該指標點的達成度的計算過程。課程對各個指標點分項達成度計算公式為：

從表3和表4可知，指標點4.1的達成度是由實驗方案和報告撰寫2個環節確定。實驗方案環節：總分20分，該環節對應4.1指標點的權重為0.3，學生平均得分為16.63分；報告撰寫環節：總分50分，該環節對應4.1指標點的權重為0.2，學生平均分為42.07分；按式（1）計算可得指標點4.1的達成度為（16.63×0.3+42.07×0.2）/（20×0.3+50×0.2）=0.84。

通過對廣西大學生物工程專業2014級《生物工程綜合實驗》課程對支撐畢業要求的9個二級指標點的達成度分析發現（見表3），其中有3項指標，即指標4.2（實驗操作）、指標9.1（獨立完成）和指標9.2（團隊協作）達成度較高，超過0.85；但是指標3.1（實驗方案設計）、指標3.2（創新能力）、指標4.3（分析問題能力）以及指標10.1和10.2（交流表達能力）的達成度相對較低，說明學生的知識性成果和技術性成果達成較好，但能力成果的培養達成需要進行針對性的改進和補充。

表4 支撐指標點4.1的考核環節原始數據采集

2 結語

《生物工程綜合實驗》課程作為生物工程專業人才培養過程中的一門重要的實踐教學課程，承擔專業理論知識掌握和驗證及學生工程意識培養的任務。通過基于成果導向教育理念指導下的改革探索與實踐，堅持以學生為本體和中心，以學生學習效果為導向，以持續改進為動力，根據課程支撐的畢業要求制定教學目標，設計教學內容，更新教學手段，制訂課程目標達成度評價策略，學生的綜合創新能力和工程意識得到不斷提高。