《生物工程工藝實驗》教學改革與實踐

王常高 杜馨 林建國 趙澤鑫 蔡俊

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北 武漢 430068）

根據《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》，生物工程是應用生物學、化學和工程技術等方法，按照人類需要利用、改造和設計生物體的結構與功能，從而經濟、有效、規模化地制造各種產品，是以生物技術研究成果為基礎、借助工程技術實現產業化為基本任務的工學學科。因此，生物工程專業主要是培養生物產業化的專業人才。生物工程專業的教學主要是以培養學生掌握生物產品大規模工業化生產上、中、下游相關理論知識和實踐技能為目的，以培養學生的創新能力和工程實踐能力為最終目標。

理論教學是培養學生掌握豐富的基礎和專業理論知識，是培養學生創新意識、創新能力的基礎和支撐，那么實踐教學則是培養學生創新能力和工程實踐能力的直接方法和手段。目前各高校的實踐教學主要有社會實踐、課程設計（包括基礎設計，如機械設計基礎課程設計、化工原理課程設計，和專業課程設計）、實習（包括認知實習、生產實習和畢業實習等）、實驗和畢業設計（論文）等教學環節。其中，實驗教學是學生在大學階段創新意識和工程能力培養的重要手段。實驗教學包括基礎實驗和綜合實驗。基礎實驗一般是針對特定的理論課程開設的，如微生物學實驗、細胞生物學實驗、生物化學實驗、專業分析實驗、基因工程實驗、生物分離工程實驗和酶工程實驗等等，實驗內容主要是以一些單元基礎操作為主，旨在培養學生掌握一些基礎的實驗方法和操作技能。綜合實驗則主要培養學生綜合運用所學的理論知識和掌握的單元實驗技能解決實際問題的能力。我校的生物工程專業綜合性實驗是在第七學期開設的《生物工程工藝實驗》，目的是讓學生進一步鞏固和加深對生物產品生產全工藝流程的掌握，同時培養學生在生物產品生產全工藝過程中發現問題、分析問題和解決問題的工程實踐能力。本文主要就我校生物工程專業綜合性實驗-《生物工程工藝實驗》在工程教育認證期間所進行的一些改革探索進行敘述。

一、加大建設投入，改善實驗條件

完善的實驗設備和條件是培養學生實踐能力，提高實驗教學質量和效果的先決條件。以前，由于實驗條件有限，工藝綜合大實驗教學過程都是將學生分配到各指導老師的科研實驗室中，一個老師的名下可能會有6-8 名學生或更多，而科研實驗室里同型設備，特別是一些大型的專業實驗設備的臺套數有限，很難以保證小組的每位同學都有動手進行實驗操作的機會。2019 年我校生物工程專業成功申報國家工程教育認證，學校和學院對本專業的建設給予了大力的投入和支持，尤其是對培養學生創新能力和工程實踐能力的專業綜合實驗室進行了重點建設。學校和學院共投入了400 多萬元進行建設，實驗室面積有130m2，購置了10 升機械攪拌通風發酵罐全套系統8 套，20 升氣升式發酵罐系統1 套，30 升固體發酵罐1 套，帶尾氣分析的10-100 升機械攪拌通風發酵罐系統1 套，恒溫恒濕培養箱2 臺，7 升大容量高速冷凍離心機2 臺，臺式高速冷凍離心機3 臺，板框過濾機6 臺，冷凍干燥機和真空干燥箱各2 臺，萬能粉碎機1 臺，超微粉碎機2 臺，還有用于微生物菌種培養的滅菌鍋、生物安全柜、全溫培養箱、全溫搖床等各3-4 臺。所有設備基本上涵蓋了生物產品制備上、中、下游所需的各種基本設備，設備的臺套數和種類也可滿足多個小組不同實驗項目同時進行實驗。實驗設備和條件的改善，不僅可以保證每個學生都有動手操作的機會，也可極大提高學生參與的積極性，同時也為后面的實驗內容優化、教學模式和考核方式改革提供了有力的支撐。

二、優化實驗項目和內容

生物工程工藝實驗旨在培養學生熟悉和掌握生物產品制備的全工藝過程，以最終得到一定數量和質量的生物產品為目標，其實驗內容至少包含了微生物學、發酵工程、酶工程、生物分離工程、專業分析等專業理論知識和單元實驗操作技能，是典型的綜合性專業大實驗。以前的工藝大實驗內容基本上都是指導老師根據自己或團隊的科研項目來確定實驗項目和內容，但每個小組的實驗項目和內容都差不多是相同的，小組之間很容易相互借鑒甚至抄襲，不利于發揮學生的主觀能動性和積極性，很多的學生都是跟著一起混過去了。也有老師將一個項目分解成不同的部分分別由不同的小組來完成，最后將不同小組的實驗結果整合成一個完整的工藝實驗結果和報告。每個小組的同學其實并沒有訓練和掌握產品制備的全工藝過程，難以達到工藝綜合大實驗的教學目標。當然實驗條件的限制也是很重要的原因之一。實驗條件得到改善之后，結合教學模式的改革，實驗內容上不再只局限一個大題目，而是要求每個小組選擇不同的實驗項目，如不同小組選擇相同的實驗項目，則在實驗方案或步驟上至少有50%以上的差異性。實驗項目主要由指導老師提供，一般都是以具體生物產品的制備為實驗目標，可以結合自己或團隊的科研項目，也盡量提供一些產業化成熟的產品項目或熱門的產品項目。我們也進一步放開要求，部分小組可以根據自己的興趣愛好或以前參與過其他老師的科研項目來自己確定實驗項目，指導老師結合工藝實驗室和學院其他實驗室條件及安全性進行審核后一般都會予以同意。

三、改革實驗教學模式

生物工程工藝大實驗雖然在內容上屬于綜合性大實驗，但在以前的教學條件和教學模式下，由于全班都是一個大項目，且通常是實驗指導老師的科研項目，指導老師都會給學生提供實驗講義或指導書，里面有現成的實驗方案和詳細的實驗操作步驟，學生只需按部就班地進行實驗操作，且都能得到較好的實驗結果。這種實驗教學模式也能體現實驗內容上的綜合性，也鍛煉了學生的實驗操作技能，學生也有一定的成就感或獲得感，整個實驗教學過程的管理也很完善。但這種教學模式卻不能培養學生的主觀能動性，不能從根本上培養學生的創新能力和工程實踐能力。現有的教學模式，更能充分體現“以學生為中心，以產出為導向”的工程教育專業認證理念。指導老師不再提供詳細的實驗指導書，只是提出基本的實驗目標和管理要求。每個實驗小組選定自己的實驗項目后，自己上網查找項目相關文獻資料，小組成員共同協商擬定實驗方案和初步操作步驟，在全班進行公開開題答辯，由指導老師（一般2 名）和其他同學提出質疑和指導修訂意見后進行定稿。后面的藥品和耗材清單編制、儀器設備的選擇、全流程實驗操作、實驗結果的整理和分析等全部由學生自己獨立操作為主，老師適當指導為輔。老師主要負責藥品和耗材的購買，以及實驗開始前大型儀器設備的集中培訓和考核。這種設計型實驗教學模式整個實驗過程基本上都是由學生獨立自主來完成，實驗中出現的各種想象和問題以及問題的解決，實驗失敗的原因及改進重新實驗等都由學生自主決定和解決，老師只是進行適當的啟發和指導。從實驗方案和步驟的制定、實驗過程中發現問題、分析問題和解決問題的過程中，甚至是失敗的實驗經歷中，才能從根本上培養學生的創新能力和工程實踐能力。新的教學模式受到了學生的普遍歡迎，學生的積極性得到了很大的提高，學生也普遍反映很多方面都得到了較好的鍛煉，收到了較好的教學效果。

四、加強過程考核管理

如何客觀、公正地考核學生的實驗能力或評價實驗教學效果也是綜合性專業大實驗教學的一個核心環節。以前的教學模式下，實驗課程的最終成績簡單地由平時考勤和實驗報告成績兩部分組成，不僅不能反映每位學生的真實實驗能力，對于那些認真實驗的學生甚至有些不公，影響學生的積極性。在工程教育認證理念的指導和要求下，過程考核基本上成了工程專業課程教學的必達要求，綜合性專業大實驗教學的要求更高。我們將實驗總評成績的考核分為實驗準備、實驗過程、實驗總結和實驗報告四個模塊進行考核，所長比重分別為30%、30%、20%和20%。其中，實驗準備考核模塊又從文獻查閱與方案擬定、實驗方案與步驟的開題答辯與修訂、實驗設備選擇與實驗系統構建及實驗設備操作培訓與考核四個方面進行考察與成績評定；實驗過程考核模塊主要從實驗操作（包含了實驗過程中觀察、分析、判斷和解決實驗過程中的各種現象和問題）、實驗結果和團隊合作三個方面進行考察與成績評定；實驗總結考核模塊主要從總結答辯過程中對實驗流程和步驟匯報及答辯、實驗結果與分析匯報及答辯、對實驗方案和過程以及設備系統改進思路匯報與答辯三個方面進行考察與成績評定；實驗報告考核模塊主要從學生報告撰寫內容詳盡與否、格式是否規范以及對實驗結果的分析討論是否深入及是否得出合理有效的結論等方面進行考察與成績評定。現有的考核模式從全流程、多方位和角度對學生的學習能力和效果進行考核，不僅客觀、真實和公正，也極大地調動了學生的積極性和主觀能動性。

五、加強教學反饋，進行持續改進

持續改進是工程教育認證最基本的理念。生物工程工藝大實驗每一屆學生實驗結束后，都會從各個方面進行反饋調查和總結，并將其用于后面的教學持續改進過程。每次實驗結束后我們都會設計和發放生物工程工藝實驗教學問卷調查表，從學生的角度充分了解每次實驗教學的效果或存在的問題和不足之處。如學生反映的四周教學時間有點緊張，特別是如果中途實驗失敗，需要重新進行實驗的時候，時間會很慌亂。針對這一點，計劃在后面的教學過程中，將實驗過程中的實驗準備工作在實驗計劃教學周提前2-3 周，利用課外時間讓學生完成分組和選題，將任務和基本要求分配下去，讓學生利用課余時間提前查閱文獻資料，擬定實驗方案和初步操作步驟，并列出所需藥品和設備清單，通過網絡提前發給指導老師和實驗老師，老師也可提前進行審閱和準備工作，這樣就可以為后面的實驗過程留出充足的時間。以前的工藝大實驗一般安排在第七學期的期末，與學生考研在時間上存在一定的沖突，影響實驗教學效果，學生反映很突出，后來將工藝大實驗提前到第七學期的7-10 周進行。實驗指導教師和實驗老師在課后也會進行總結和討論，對學生在實驗過程中容易出現的問題進行分析和總結，在后面的實驗進行改進。如學生對一些大型儀器設備操作不規范，安全意識不夠強等。

總之，借助工程教育認證的契機，我們對生物工程工藝實驗進行多方面的改革，取得了較好的教學效果，我們在今后的教學過程中也將進一步持續改進，不斷提高教學質量，為培養合格的生物工程專業人才提供有力支撐。