生物工程實驗教學改革探討*

楊東升，羅先群，李小麗

(海南大學生命科學與藥學院生物工程系，海南 海口 570228)

實驗課教學是高等教育中特別是工科類教育的一個重要環節，通過這一環節，可以培養學生獨立思考、分析實際問題的能力，提高其運用科學方法進行研究探索的能力。海南大學生物工程專業通過16年不斷的建設和發展，取得了長足進步，培養了萬名優秀學子，為海南乃至國家的經濟社會發展作出了積極的貢獻[1]。我國從1999年起，高校招生規模不斷擴大，對實驗教學設施和實驗師資提出了更高的要求。然而，在目前大學實驗教學中存在和出現了一些問題，造成實驗室教學改革迫在眉睫。這些問題集中在：(1)實驗教學師資一直得不到提高。實驗室教學是以技術人員為主，理論課教師基本上較少參與實驗課教學[2]，容易造成理論教學與實驗教學的嚴重脫節，不利于學生更直接、系統地掌握知識。(2)實驗教學以單純專業實驗教學為主，缺少交叉學科的綜合性實驗，不利于培養復合型人才。(3)學生自由探索實驗難以開展，不利于培養開拓型人才。本文以海南大學生物工程綜合實驗室教學為例，就如何改進專業實驗教學提出一些想法，以期能夠在面向制造2025的生物工程工科人才實踐培養中，探索出合理高效的實驗室教學方法，為社會培養更多更好的實用型優秀人才。

1 將理論課教學引入實驗室教學，提高實驗室老師總體水平

生物工程是新興的綜合性應用學科，與諸多學科、領域交叉融合，特別是與化工學科的關系密切。生物工程所涉及的生產工藝，生產設備均是在化工的基礎上發展起來的。當今生物工程技術的發展極為迅速，與化工領域的融合更加廣泛，如酶催化、生物降解等。國家教育部對生物工程本科專業課程有規范要求，在制訂培養計劃時，要增強特色，拓寬專業基礎和專業口徑，以適應市場需求，提升生物工程專業內涵[1]。我校生物工程專業基于大化工的要求，其綜合實驗室包括生物工藝實驗室和生化技術實驗室。目前的實驗室教學是以技術人員為主，大部分理論課教師師基本上不參與實驗課，這樣容易造成理論教學與實驗教學的嚴重脫節，不利于學生更直接、系統地學習并掌握知識。可參照一些兄弟院校的做法，將理論課引入實驗室[3]。

1.1 實驗教學的改革要從根本上吸收高水平人才進行本科實驗教學

實驗教學師資隊伍的建設對于培育應用型人才的地方高校至關重要。目前的實驗教學師資多出身于各大普通高校，實踐能力弱于理論能力，缺乏扎實的化工基礎，在進入實驗室承擔教學任務之前沒有的相關的實踐工作或教學經驗，參加工作后更是缺乏綜合實踐技能方面的系統化培訓。因此，長期重視理論培訓、輕實踐技能培訓導致在各學科實驗課程的系統化建設方面嚴重滯后[4]。在此背景下引進高水平實驗人才到實驗室顯得至關重要，既可以將學校內部教學科研崗位的高水平教師引進到實驗室工作，也可以從其他高校、研究院或企業引進高水平實驗人才，可以非常有效地提升實驗室隊伍的素質和水平[2]。此外，高水平人才可以將更多科研課題方向和理念帶入實驗設計和實驗教學，整體提高實驗教學的水平和學生的實驗水平。

1.2 理論課引入實驗室，可在很大程度上集中學生注意力，充分活躍課堂氣氛，形成一種實實在在的互動教學

當前的課堂教學使用大多的是講授式教學方法，雖然在授課過程中教師在教學方法上博采眾長，但是受制于教材及教學內容，教學方法相對單一，教學效果總是差強人意。理論課引入實驗室，可極大促進教師的主動教學能動性，推動學生學習的積極性。教師可以針對不同授課內容設計更為合理、有效的教學方法，一方面讓專業知識更容易被學生所認知，另一方面改變枯燥的講授教學方式，利用所見即所得的實驗教學手段強化學生的認識、理解和記憶，提升學生的學習興趣，進而提高教和學的質量[3]。例如，生物工程設備是生物工程專業的專業課程，要求強化生物學和化工基礎實驗。教學改革后，增加了8個學時的課內實驗。在課程學習過程中實現了講授與訓練結合，理論與仿真結合，理論與設計性實驗相結合。通過增加動手環節，充分活躍了課堂氣氛，形成一種實實在在的互動教學。教師循序漸進地引導學生分析實驗現象，作出科學的解釋，從抽象的概念進行具體的概括，進而歸納出一般的結論，有利于培養學生的邏輯思維能力和運用知識解決一般問題的能力。在針對生物工程工科特點的素質要求方面，新增的課內實驗很好地實現了對學生的專業訓練，如專業設備裝配圖、帶控制點工藝流程圖、工廠布置圖的學習和繪制等。這種學習方式充分體現了化工與生物工程的融合與貫通，使學生的知識系統更扎實。

理論課引入實驗室要有充分的硬件條件和合理的課程安排。首先，實驗室必須具備上課的條件。要安裝多媒體演示系統，各類演示課件以及仿真系統。第二，實驗項目穿插在理論課中，要精心設計實驗項目。能以實驗說明的，盡量要讓學生動手，親自體驗，沒有條件實驗的，要用多媒體演示以及操作影像片段介紹。第三，要保證教學的系統性，在課時安排上，宜按章節連續進行。

1.3 有利于提高老師的自身素質，促進教學科研工作的發展

高校實驗室的發展依賴于實驗室隊伍的建設。高校實驗師隊伍是一支骨干力量，其業務能力以及創新思維都直接影響實驗室整體發展水平。隨著教育改革的深化，實驗教學人才培養是學校的重要任務，只有采取積極措施提高實驗教學師資隊伍的整體水平，才能打造一支高素質、高水平的隊伍，才能促進高校實驗室的發展[2]。理論課引進實驗室，對實驗教師和技術人員素質的要求不同，原來分別理論教學和實驗教學的教師、技術人員相互了解并不多，實驗室引進理論課后，對實驗項目的開設、實驗儀器設備的使用、綜合實驗的開設等方面都對老師的綜合協調能力提出了挑戰。因此，對教師、技術人員進行培訓，提高教師的自身素質是很有必要的。對教師技術人員的培訓包括相關設備的使用，教師集體備課(包括預實驗)，基本操作和綜合實驗等。通過培訓使教師、技術人員擴展專業知識，提高自身素質，為順利開展實驗教學創造必要條件。

2 增加交叉學科實驗課時數，有利于開拓學生創新思維，為培養復合型人才打下良好基礎

實驗教學改革按課程開設實驗的傳統方式，融合專業基礎課實驗和專業課實驗，專門設置交叉學科實驗課程，同時增加多個大型綜合性實驗環節供選修，學生在發展自己興趣的基礎上進行設計或預約實驗[5]。工科大學生普遍缺乏創新觀念、創新性思維能力和創新洞察能力，但他們大都具有創新潛能，只要采取適當的教學方法，其創新能力就可以大幅度提高[6]。

2.1 開發生物工程學科與化工、材料科學等交叉密切學科的綜合實驗

生物與化工、材料有著密切的關系，生物對于新型材料的設計起著極大的引導作用，如荷葉的自清潔清作用，鯊魚皮的減阻作用等。生命科學已經滲透到各個學科領域，多學科的融合促進科學技術發展[7]。生物材料是目前的研究熱點，由于生物材料在食品、醫藥、紡織、造紙、化工、采油、選礦等行業各個領域的廣泛應用，生物材料、生物基聚合物以及生物合成材料已經可能逐步代替相關石化產品甚至可以媲美于棉麻等天然材料。而新型的生物材料很大程度上取材于在自然界廣泛存在的微生物，因此生物工程實驗室將是化工、材料專業進行學科研究及教學的重要場所。例如生物燃料電池、生物傳感器等是化工結合生物工程研究的實用成果，其中涉及的固定化、電極和材料技術是目前研究的熱點，因此增加化工、材料專業在生物工程專業實驗室的學時數將為學生將來拓展研究打下良好的基礎。涉及生物功能材料的交叉學科綜合實驗已經相繼在一些大學成功開展。本校生物工程專業團隊已經在生物柴油、防污損生物涂料研究中取得進展，并在過去16年中成功應用于發酵工程實驗教學和畢業論文實踐環節。

2.2 計算機與機電專業與生物工程專業的充分交叉將為生物工程的發展帶來質的飛躍

目前我國的生物工程設備技術水平大大落后于發達國家，特別是生物工程的下游設備。正是由于下游設備的落后，一些水平很高的上游技術無法體現其價值，廣大科研工作者深感其痛。本人認為，很重要的一個原因是我們缺乏多學科一體化的復合型人才。至少在大學本科階段，實驗課程設計無法滿足復合型人才的培養，學生在實踐環節缺乏必要的引導。如果增加計算機信息、化工自動化專業等在生物工程專業的實驗課時數，特別是專門為這些跨專業學位設計的如單片機設計及操作實驗，生物質復合材料實驗等，將有利于開拓學生的創新思維，開闊其視野，為其在將來進行跨行業、跨專業的發明創造和科學研究打下良好基礎。本校生物工程專業正在開發多項生物工程自控設計學生教學實驗，以期開闊其視野，強化工業生產的自控意識。

3 設立學生科研自助基金，有針對地開放專業實驗室，鼓勵學生開展自由探索

采取企業贊助或學校專項撥款的方式，設立學生科研自助基金，將專業實驗室有針對地向有志進行科研的學生開放，在老師指導下，學生自行擬題，自行選擇指導老師，自行預算經費并申報。經由專家評審通過，可按預算撥付款項。

3.1 充分發揮學生主觀能動性，獨立或半獨立進行開拓性的科學研究

在開放實驗研究過程中，學生從項目選題、實驗設計、藥品采購、實驗操作、撰寫論文均可以教師指導下或獨立進行，可充分發揮學生的主觀能動性，激發其自主創造靈感，實驗教師所要作的是在實驗室規章、日志記錄、文獻、數據記錄等方面規范其運作。學科競賽作為基礎學科知識的升華，是檢驗學生實踐創新能力的重要手段，在培養大學生的綜合運用知識能力，開拓創新能力以及科學研究能力等方面起著不可估量的作用。本校生物工程綜合實驗室在改革過程中重視學科競賽的參加與開展，積極組織學生參加各級學科競賽，鍛煉了其實踐創新能力，并多次在全國及省市級比賽中獲獎。積極組織學生參加自由科研探索，充分發揮其主觀能動性。大學生參與創新創業訓練項目的本質是進行探究式的學習過程，最終形成具有科技含量的研究報告、創業設計方案或創業實體。項目一經立項就可以申請進入開放創新實驗室開展項目[11]。實驗室開放體系構筑了由學科競賽基礎訓練，創新創業訓練和校企聯合培養基地組成的體系化的創新創業實踐教育平臺。

3.2 充分擴展實驗室職能，通過學生科研鞭策學科發展

實驗室教學是實踐性的科學，對本科學生而言，基本操作技能是不可或缺的，在簡單的學習過程中開拓創新能力和科研能力的提高是我們進行實驗教學改革的根本目的。在課堂教學中，要求老師能引導學生在實際的基礎前沿和科研熱點方面進行較深入的思考，并鼓勵他們積極申請開放實驗，進行驗證或進一步研究。學生科研要求老師具備較高的知識更新能力，要求不斷學習、廣泛涉獵科技資訊，了解最新科研動向，提高自身科研素質。

4 結 語

海南大學生物工程專業在16年發展歷程中，實驗教學一直在穩步前行。在面向制造2025的高等教育工作中，我們發現實驗教學改革的突破口。將理論課教學引入實驗室教學，有利于提高實驗室師資總體水平。增加化工、材料等交叉學科實驗課時數，設立學生科研自助基金，有針對地開放專業實驗室，鼓勵學生開展自由探索，有利于開拓學生創新思維，為培養復合型人才打下良好基礎。改革多措并舉必將使生物工程實驗教學更上一個臺階。