新工科背景下生物催化工藝學(xué)教改的探索和實(shí)踐*

許國超，竇 哲，倪 曄，鄭 璞

(江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

目前，我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入中高速增長的新常態(tài)階段，經(jīng)濟(jì)增長的動(dòng)力需求轉(zhuǎn)換到經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)上。高等工程教育在我國高等教育中占有重要的地位，深化工程教育改革、建設(shè)工程教育強(qiáng)國，對服務(wù)和支撐我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)意義重大[1]。2016年6月，我國工程教育認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)國際實(shí)質(zhì)等效，為深化工程教育改革提供了良好契機(jī)。當(dāng)前，國家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新[2]。自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，共歷經(jīng)了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”、“北京指南”等階段，新工科專業(yè)主要指針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，包括生物制藥等[3]。新工科建設(shè)要以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，為新工業(yè)革命培養(yǎng)出工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才[4]。

生物工程是20世紀(jì)70年代初開始興起的一門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，以生物學(xué)的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機(jī)械、計(jì)算及等現(xiàn)代工程技術(shù)生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物的新興技術(shù)。生物制造產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，契合國家的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略和綠色發(fā)展理念，對解決人類社會(huì)發(fā)展面臨的能源、資源、健康和環(huán)境等問題具有重要作用[5]。生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、酶工程(生化工程)和生物反應(yīng)器工程五大領(lǐng)域，生物催化技術(shù)屬于酶工程領(lǐng)域，在醫(yī)藥、食品和化工領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。江南大學(xué)生物工程學(xué)院生物工程專業(yè)是首批國家特色專業(yè)，首批江蘇省品牌專業(yè)，江蘇省重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)，在發(fā)酵工程和酶工程領(lǐng)域享譽(yù)深遠(yuǎn)，也是國內(nèi)最早從事酶工程研究和最早開設(shè)生物催化工藝學(xué)課程的院校之一，由孫志浩教授主編的《生物催化工藝學(xué)》是國內(nèi)最早的專業(yè)教材。

1 生物催化工藝學(xué)教學(xué)中遇到的問題

生物催化工藝學(xué)課程的主要任務(wù)是通過介紹有關(guān)生物催化的基礎(chǔ)理論，結(jié)合典型生物催化產(chǎn)品的工藝實(shí)例，增進(jìn)學(xué)生對與生物催化和酶工程應(yīng)用領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對生物催化劑開發(fā)的工藝過程和性能評(píng)估指標(biāo)的學(xué)習(xí)，引領(lǐng)學(xué)生思考生物催化劑的性能和潛力，激發(fā)學(xué)生從事生物工程相關(guān)科研和生產(chǎn)的興趣和熱情，培養(yǎng)從事生物化工、醫(yī)藥、食品、發(fā)酵等行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人才。尤其是在新工科背景下，相關(guān)企業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，對高校培養(yǎng)的學(xué)生提出了新的要求。筆者從事多年的生物催化工藝學(xué)課程教學(xué)，認(rèn)為目前在生物催化工藝學(xué)的教學(xué)中主要存在以下三個(gè)問題：

1.1 教學(xué)內(nèi)容的與時(shí)俱進(jìn)

筆者以Biocatalysis(生物催化)為關(guān)鍵詞在Web of Science數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，可以看出自1998年以來，生物催化的研究報(bào)道數(shù)量快速增加，尤其是在2009年以來，呈現(xiàn)飛速發(fā)展。目前，每年的論文數(shù)量在1700篇左右。2018年，定向進(jìn)化和生物催化的領(lǐng)軍人物Frances H Arnold獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，再一次引領(lǐng)了生物催化技術(shù)的快速發(fā)展[6]。目前，生物催化和酶工程技術(shù)經(jīng)歷了三次浪潮，第一次浪潮以野生菌整細(xì)胞和細(xì)胞破碎液為催化劑，第二次浪潮以定向進(jìn)化和人工修飾的重組酶為核心[7]。近5年來，隨著基因操作技術(shù)、基因測序技術(shù)和計(jì)算機(jī)速度的快速發(fā)展，以人工設(shè)計(jì)全新功能的生物催化劑為代表的第三次浪潮正在形成，也正逐漸改變著我們對傳統(tǒng)生物催化劑的開發(fā)及其應(yīng)用的認(rèn)知。而目前，生物催化工藝學(xué)課程教學(xué)過程中主要采用的是2005年孫志浩主編的《生物催化工藝學(xué)》，顯然教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能與近10年來生物催化和酶工程所取得的突破進(jìn)展相匹配，很難滿足新形式下對生物催化工藝學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)的要求。

圖1 近20年生物催化相關(guān)論文的年發(fā)表情況統(tǒng)計(jì)

1.2 教學(xué)方式的推陳出新

盡管隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，給高等教育帶來了諸多便利，可以采用幻燈片和動(dòng)畫等多媒體形式更好的展示教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)。然而，生物催化和酶工程作為一門交叉和應(yīng)用技術(shù)，整合了多方位和多尺度的內(nèi)容。尤其是自第二次浪潮以來，以定向進(jìn)化、分子改造、蛋白質(zhì)工程為主導(dǎo)的生物催化劑進(jìn)化新策略極大地促進(jìn)了生物催化和酶工程的發(fā)展。然而，這些知識(shí)點(diǎn)的研究對象多數(shù)是具有三維立體結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，研究的生物催化過程也是復(fù)雜的多尺度體系。簡單的通過平面的形式，很難增進(jìn)學(xué)生對于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知，也不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。另外，傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為主體，學(xué)生處于被動(dòng)灌輸式學(xué)習(xí)，非常不利于應(yīng)用型課程的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)學(xué)生的自主能力和創(chuàng)新能力。

1.3 考核方式的改革創(chuàng)新

與理論型課程不同，生物催化工藝學(xué)屬于應(yīng)用型課程，更加注重的是學(xué)生了解現(xiàn)有生物催化工藝路線、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題和提出新的研究思路的能力。因此，傳統(tǒng)的閉/開卷考試、書面作業(yè)和論文翻譯等形式雖然在一定程度能完成對課程的考核，但很難讓學(xué)生形成對所學(xué)知識(shí)形成系統(tǒng)性的了解，也就無法滿足生物催化工藝學(xué)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)而無法達(dá)到新工科形勢下對工程型技術(shù)人才的要求。因此，課程的考核方式也需要進(jìn)行一定的調(diào)整和改革創(chuàng)新，才能更好的適應(yīng)新形式下復(fù)合型人才培養(yǎng)的要求。

2 新工科背景下生物催化工藝學(xué)課程的教學(xué)改革

在新工科改革的背景下，應(yīng)用型課程既要注重理論知識(shí)的傳授，更應(yīng)該堅(jiān)持以人為本的教學(xué)理念，注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生將微生物學(xué)相關(guān)知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。為了滿足新工科建設(shè)人才培養(yǎng)的需要，應(yīng)從以下三個(gè)方面應(yīng)對目前生物催化工藝學(xué)課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題。

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂

與傳統(tǒng)教學(xué)而言，翻轉(zhuǎn)課堂以教師為引導(dǎo)者、以學(xué)生為主體設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生課下先通過視頻等學(xué)習(xí)資料進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)，在課堂上再進(jìn)行知識(shí)的詳細(xì)講解。使用翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行教學(xué)，以學(xué)生為教學(xué)主體，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)習(xí)效率，并通過教師的引導(dǎo)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力。因此，我們認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂模式適用于新工科背景下生物催化工藝學(xué)的課程教學(xué)。

近些年，互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展使得教學(xué)活動(dòng)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行，國內(nèi)外的許多高校也在師生中間推廣各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，比如慕課、嗶哩嗶哩、網(wǎng)易公開課、雨課堂、超星泛雅平臺(tái)等，為翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施提供了有力的硬件保障。生物催化工藝學(xué)是一個(gè)應(yīng)用型交叉課程，涵蓋生物化學(xué)、微生物學(xué)、生化工程、生物分離工程、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理等內(nèi)容，通過甄選直接相關(guān)課程的相關(guān)內(nèi)容，選擇國內(nèi)外頂級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的最新教學(xué)資源，讓學(xué)生在課余時(shí)間做好預(yù)習(xí)，大大提升課堂時(shí)間和效率，讓學(xué)生更加積極主動(dòng)地參與到教學(xué)環(huán)節(jié)中。最終，課堂上有更充足的時(shí)間，給學(xué)生深入講解這些知識(shí)在生物催化工藝學(xué)課程中的交叉性應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更加深入的思考。

2.2 微信課堂

微信是一款功能強(qiáng)大、使用方便的即時(shí)通信軟件。適合傳送主題單一、目的明確的片段化內(nèi)容，隨時(shí)隨地可以進(jìn)入微課堂，便于利用碎片化時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。從而實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)和線下教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，提高課下的自主學(xué)習(xí)效率。同時(shí)便于教師與學(xué)生進(jìn)行一對一和一對多的在線輔導(dǎo)，在課上可以通過與微信兼容的應(yīng)用程序，比如91速課、課堂派等，對學(xué)生進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)、提問和簡單測試，加強(qiáng)課堂的互動(dòng)性和學(xué)生的課堂參與度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。同時(shí)可以向?qū)W生推薦一些具有影響力的微信公眾號(hào)，有針對性的安排學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間。利用微信作為教學(xué)輔助工具，為翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施可以提供更加便捷的服務(wù)。

為了滿足新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)，借助微信課堂輔助課堂教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。我們將教學(xué)環(huán)節(jié)分為課前、課上和課后三個(gè)階段。課前通過微信平臺(tái)在公眾號(hào)、微信群、課堂派或91速課等向?qū)W生推送學(xué)習(xí)任務(wù)和相關(guān)的教學(xué)視頻、幻燈片及圖文信息等學(xué)習(xí)資料供學(xué)生做好自我學(xué)習(xí)。在這一環(huán)節(jié)，可以設(shè)置簡單的問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行思考和回答，培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力。同時(shí)，教師可以從后臺(tái)查看學(xué)生存在的問題并做好問題的收集和分析。課堂教學(xué)中，對學(xué)生自學(xué)過程中的問題進(jìn)行深入的講解和分析，引導(dǎo)學(xué)生討論和發(fā)表自己的見解，將優(yōu)秀的評(píng)論和見解公布在公眾號(hào)或應(yīng)用程序中，讓學(xué)生能充分參與到教學(xué)活動(dòng)中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。課后教師根據(jù)前面兩部分教學(xué)的情況進(jìn)行梳理和總結(jié)，并進(jìn)一步將課堂教學(xué)的重點(diǎn)和學(xué)生存在的問題制作成文本和可視化課件上傳到微信平臺(tái)，方便學(xué)生溫故而知新。另外，教師可以將收集到的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的最新讀物、文獻(xiàn)、報(bào)道、圖片、視頻等資源，通過微信平臺(tái)提供給學(xué)有余力或者感興趣的同學(xué)進(jìn)行閱讀和觀看，拓展知識(shí)面，了解所學(xué)知識(shí)有何應(yīng)用，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

2.3 互動(dòng)評(píng)價(jià)

目前，生物催化工藝學(xué)課程的評(píng)價(jià)方式主要采用平時(shí)作業(yè)、期末考試等方式，以學(xué)生的考試卷面成績作為考察學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的掌握程度。在這種評(píng)價(jià)考核方式下，大多數(shù)的學(xué)生為了考取好的成績會(huì)選擇強(qiáng)制性背誦的方式，并且有選擇地記憶教師給出的考試重點(diǎn)，而并不是理解記憶。這種考核方式無法真實(shí)反映學(xué)生的創(chuàng)新能力，也無法達(dá)到新工科對工程技術(shù)人才的要求。因此，在新工科背景下，生物催化工藝學(xué)可以在傳統(tǒng)作業(yè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用互動(dòng)評(píng)價(jià)方式。

在課程進(jìn)行到20%左右的時(shí)候，給學(xué)生一些目前研究中的熱點(diǎn)問題，讓學(xué)生自主分組并從六大中酶類中選擇一個(gè)研究方向。利用課程學(xué)習(xí)期間的空余時(shí)間，進(jìn)行自主的文獻(xiàn)調(diào)研，整理出一個(gè)包括研究背景、研究意義、研究方案、主要結(jié)果和討論、研究結(jié)論的報(bào)告，并采用幻燈片的形式在后20%課程時(shí)間里進(jìn)行展示。教師對展示的過程進(jìn)行提問和打分，形成課堂學(xué)習(xí)成績。同時(shí)，為了便于學(xué)生相互之間的打分，通過微信公眾號(hào)、91速課等平臺(tái)將幻燈片進(jìn)行展示，讓更多學(xué)生參與進(jìn)行互動(dòng)和點(diǎn)評(píng)，形成互動(dòng)作業(yè)成績。課程學(xué)習(xí)的最終成績包括考勤成績、平時(shí)作業(yè)成績、課堂學(xué)習(xí)成績、互動(dòng)作業(yè)成績等。由于借助微信輔助的翻轉(zhuǎn)課堂，給課堂教學(xué)爭取了更充足的時(shí)間，從而可以實(shí)現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的綜合考量和評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 語

通過翻轉(zhuǎn)課堂、微信課堂等形式的輔助教學(xué)，極大增加了課堂容量和教學(xué)效果，學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，微信成為一種學(xué)生喜歡使用的學(xué)習(xí)和交流工具，拉近了學(xué)生與教師之間的距離，也便于將一些最新的、難以在傳統(tǒng)幻燈片中展示的教學(xué)內(nèi)容在微信平臺(tái)中進(jìn)行展示，突破了傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容不能及時(shí)更新、教學(xué)方式陳舊的困難。通過將線上教學(xué)和線下教學(xué)相結(jié)合，迎合了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展下的教學(xué)趨勢，以學(xué)生為教學(xué)主體，增加學(xué)生的課堂參與度，并進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)。通過上述教學(xué)改革，使得生物催化工藝學(xué)可以很好地適應(yīng)新工科的要求，為社會(huì)培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力的專業(yè)技術(shù)人才。