生物工程類專業(yè)實踐能力培養(yǎng)體系的探索與實踐

宮長斌，謝寧昌，賈紅華

（南京工業(yè)大學(xué)生物化學(xué)工程實驗教學(xué)示范中心，江蘇 南京 210018）

0 引言

生物工程專業(yè)是我國重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，是目前實現(xiàn)能源再生與物質(zhì)加工方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、解決資源與環(huán)境污染問題的重要基石[1]。生物工程產(chǎn)業(yè)也是目前傳統(tǒng)工科領(lǐng)域邁向新型工科專業(yè)，實現(xiàn)人才培養(yǎng)中改革、變化和發(fā)展的重要領(lǐng)域，是新型工業(yè)化的重要組成部分。必將成為重要的行業(yè)領(lǐng)域，生物工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迫切需要建設(shè)高素質(zhì)工程應(yīng)用技術(shù)人才的培養(yǎng)平臺[2-3]。

南京工業(yè)大學(xué)依托已有的生物工程實驗教學(xué)示范中心，生物工程、制藥工程等國家級一流專業(yè)，材料化學(xué)工程國家重點實驗室等學(xué)科基地，構(gòu)建了學(xué)科特色鮮明、產(chǎn)學(xué)研互動的實驗教學(xué)模式。同時將科研成果的部分內(nèi)容融入教學(xué)、保持實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗裝置的先進性；通過鼓勵學(xué)生積極參加科學(xué)研究，激發(fā)學(xué)生了解本專業(yè)前言內(nèi)容學(xué)習(xí)新知識的熱情[4]。生物工程實驗教學(xué)示范中心逐步建成了以基礎(chǔ)實驗和專業(yè)實驗為根基、創(chuàng)新性和探究性實驗為提升的實驗教學(xué)體系，建設(shè)成面向新工科的生物工程現(xiàn)代化高素質(zhì)技術(shù)人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)平臺。

1 實踐教學(xué)改革思路

1.1 加強投入，提高硬件設(shè)施

由于生物工程技術(shù)相關(guān)學(xué)科因社會需求擴大近年來飛速發(fā)展，生物工程實驗操作方式及其設(shè)備自動化更新迅速，加上生物工程技術(shù)相關(guān)企業(yè)因安全和衛(wèi)生的原因，導(dǎo)致學(xué)生進入企業(yè)實踐的機會不斷縮減[5]。而培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力又必須以生物工程技術(shù)的實踐作為基礎(chǔ)，所以加強對學(xué)生基本實驗技能、實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合性工程訓(xùn)練，必須構(gòu)建適合生物工程及其相關(guān)專業(yè)的不同層次的工程實踐教學(xué)平臺[6]。南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院首先要根據(jù)學(xué)科發(fā)展的要求，在原有的科研設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施上加大資金投入，改進成為適合本科生實訓(xùn)的生物工程實訓(xùn)中心，使其成為國內(nèi)一流的生物工程領(lǐng)域高層次工程人才的培養(yǎng)與實訓(xùn)基地。

1.2 實行教學(xué)與科研互動，將科研成果融入實驗教學(xué)內(nèi)容

在專業(yè)建設(shè)中，通過教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整優(yōu)化，將基礎(chǔ)實驗融入綜合性實驗和研究性實驗中是夯實實驗教學(xué)內(nèi)容的重要方式。將科研成果融入教學(xué)則是提高教學(xué)水平，調(diào)動學(xué)生積極性的重要方式。在教學(xué)改革中配套編寫涵蓋新生物技術(shù)和工程實踐內(nèi)容的高水平實驗教材體系，構(gòu)成以國家規(guī)劃的教材為龍頭、自編教材為補充，電子教材和網(wǎng)絡(luò)資源為輔助的完整實驗教材體系，使得實驗教學(xué)內(nèi)容和理論教學(xué)內(nèi)容既相互銜接，具有鮮明的新工科特色，形成基礎(chǔ)實驗與創(chuàng)新實驗結(jié)合、虛擬仿真實驗與實際操作實驗互為補充，綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗共同提優(yōu)的實驗教學(xué)模式。

1.3 打造綜合性實驗和探究性實驗的教學(xué)平臺

進一步依托化學(xué)工程與技術(shù)一級國家重點學(xué)科、材料化學(xué)工程國家重點實驗室和國家生化工程技術(shù)研究中心等學(xué)科基地，引領(lǐng)學(xué)生申請大學(xué)生根據(jù)興趣愛好等申請創(chuàng)新實驗，積極參與國內(nèi)外生物化工類競賽等活動，打造國內(nèi)一流、強化實踐動手能力的綜合性實驗和探究性實驗的教學(xué)平臺，形成基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、工程實訓(xùn)平臺、綜合性和探究性實驗的“遞進式、工程化、創(chuàng)新型”的實驗教學(xué)體系。

2 實驗教學(xué)改革方案

2.1 教學(xué)方法改革

實驗教學(xué)課程規(guī)劃采用了從基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、工程實訓(xùn)到創(chuàng)新性與探索性實驗的遞進式教學(xué)方法，通過培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實驗操作能力與專業(yè)實驗操作能力，輔助利用材料化學(xué)工程國家重點實驗室和生物工程、制藥工程等國家級一流專業(yè)的科研實驗條件，讓學(xué)生盡早接觸本學(xué)科科研實踐的前沿技術(shù)或選擇性參加一些科研課題討論，加深對基礎(chǔ)知識的認識和鞏固，也提高了學(xué)生的積極性。實驗內(nèi)容調(diào)整并增加了科學(xué)探究性的實驗教學(xué)的比例，在各實驗課程中分別設(shè)置了多個綜合性和設(shè)計性實驗，增加本學(xué)科最新技術(shù)。不僅優(yōu)化了教學(xué)資源，減少了重復(fù)開設(shè)實驗內(nèi)容，而且更加重要的是增加了學(xué)生動手操作的機會，激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣；創(chuàng)新性與探究性實驗教學(xué)則拓寬了實驗教學(xué)的內(nèi)容和模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。實驗教學(xué)時間上采用自助申請實驗教室和實驗時間的模式，給學(xué)生更多的自主學(xué)習(xí)空間，實驗教學(xué)中心各實驗室在課外時間或假期向?qū)W生開放，學(xué)生可利用開放實驗室完成選修實驗、創(chuàng)新實驗、假期科研訓(xùn)練等；南京工業(yè)大學(xué)生化工程實驗教學(xué)中心不僅對本校學(xué)生開放，還對其他高校學(xué)生實行開放共享。

先進的教學(xué)手段是貫徹先進教學(xué)理念、實施先進教學(xué)方法的有力保障。隨著江蘇省教育廳和南京工業(yè)大學(xué)在實驗教學(xué)經(jīng)費的投入不斷加大，生化工程實驗教學(xué)中心在硬件設(shè)施、教材等軟件設(shè)施建設(shè)等方面都有顯著提高，很多教學(xué)方式、方法和實驗技術(shù)都處于國內(nèi)實驗教學(xué)的領(lǐng)先水平。目前實驗教學(xué)均采用多媒體形式授課，利用豐富的實驗教學(xué)圖片、實驗原理講解視頻，操作視屏、多媒體課件、多媒體軟件、教學(xué)參考光盤等進行實驗教學(xué)，通過圖文并茂的視頻和音頻等媒體信息，調(diào)動學(xué)生注意力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，增加了教學(xué)信息量的同時，提高了教學(xué)效果。

2.2 夯實基礎(chǔ)實驗教學(xué)，促進設(shè)計性、綜合性實驗的優(yōu)化組合

保留并改造基本實驗教學(xué)內(nèi)容，在設(shè)計性、綜合性實驗中將相關(guān)技術(shù)優(yōu)化組合利用生物工程專業(yè)實驗、分子生物學(xué)實驗等相關(guān)基礎(chǔ)專業(yè)實驗課程，使學(xué)生接受生物工程基本實驗技術(shù)的培訓(xùn)，為后續(xù)綜合性實驗和科學(xué)研究打下堅實的專業(yè)基礎(chǔ)[7-8]。在探究性、綜合性實驗課程中將關(guān)基礎(chǔ)專業(yè)實驗技術(shù)和最新實驗技術(shù)進行有機整合，做到最大限度地優(yōu)化資源。如微生物學(xué)的探究性實驗中，以特定性能的微生物篩選為目標，將微生物的分離、形態(tài)觀察、培養(yǎng)和保藏等單一實驗操作單元和16SRNA微生物菌種鑒定、定向克隆分子育種等技術(shù)，按其內(nèi)在聯(lián)系組合為綜合性實驗，既使學(xué)生得到了多種基本實驗技術(shù)的訓(xùn)練又學(xué)習(xí)了最新的科研技術(shù)，更重要的是學(xué)生在掌握基本技術(shù)的同時，培養(yǎng)學(xué)生對基本技術(shù)和方法綜合運用的能力。

圖1 國家級精品課程生物分離工程

圖2 苯丙氨酸發(fā)酵虛擬仿真實驗

2.3 信息化平臺建設(shè)

經(jīng)過多年建設(shè)，生化實驗教學(xué)中心目前擁有國內(nèi)先進的苯丙氨酸發(fā)酵仿真實驗、丙氨酸與天冬氨酸分離仿真實驗和大型分析儀器模擬實驗室等國家級、省級虛擬仿真實驗課程和實驗室。加上自助選擇的開放式實驗教學(xué)模式，讓學(xué)生得以在課余時間，充分利用實驗室開放實驗的機會，有針對性地對課上一些重要實驗技術(shù)或尚未完全掌握的實驗技術(shù)進行反復(fù)練習(xí)。仿真模擬實驗教學(xué)主要是在計算機系統(tǒng)中運用仿真模擬軟件，對典型青霉素發(fā)酵過程、合成氨制備和氯堿工業(yè)過程等進行模擬操作，完成各種預(yù)定的實驗項目。由于不受時空因素的制約，學(xué)生在預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)或拓展訓(xùn)練方面比實際操作有更大的優(yōu)越性，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力，鍛煉了學(xué)生的想象力[9-11]。

2.4 將先進的科研成果和相應(yīng)的最新實驗技術(shù)引入實驗教學(xué)

利用學(xué)科科研作為支撐，把生物工程等學(xué)科前沿的科技成果中的部分先進實驗技術(shù)改造后加入實驗課程中，如獲得國家科技進步一等獎的生物分離工程技術(shù)的分離耦合技術(shù)和新材料研發(fā)的生物膜分離技術(shù)（國家科技進步二等獎）等科研成果轉(zhuǎn)化為生物分離工程實驗的內(nèi)容、將新型生物反應(yīng)器應(yīng)用到微生物學(xué)實驗教學(xué)中，使學(xué)生通過參與實驗教學(xué)就有機會接觸到先進生物工程技術(shù)的熏陶，加深對生命科學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法的認識，激發(fā)學(xué)生今后從事科研工作的興趣。學(xué)科前沿科技成果的轉(zhuǎn)化使實驗教學(xué)內(nèi)容與科研、工程應(yīng)用項目密切聯(lián)系，即體現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的有機結(jié)合，也促進了實驗教學(xué)內(nèi)容不斷更新，有利于啟迪學(xué)生的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，為學(xué)生科研工作開展奠定基礎(chǔ)。同時，通過資金扶持與推廣，將優(yōu)秀的科研成果中的裝備轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)裝置，增加自行設(shè)計實驗裝備的研制，如新型生物反應(yīng)器、生物分離裝置和膜分離裝置等，使實驗教學(xué)與科學(xué)研究互動，促進實驗教學(xué)內(nèi)容不斷更新，實驗裝備水平邁向現(xiàn)代化。

2.5 基于真實情境、虛實結(jié)合的實訓(xùn)教學(xué)體系

生物工程本科人才培養(yǎng)的短板在于解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式主要以課堂教學(xué)為主[12]，涉及工程能力的教學(xué)環(huán)節(jié)一般安排在認識實習(xí)及生產(chǎn)實習(xí)，然而，這種前往企業(yè)的學(xué)習(xí)往往是走馬觀花、流于形式，學(xué)生很難獲得系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，工程思維及解決實際工程問題的能力薄弱，用人單位多次反饋要強化學(xué)生的工程訓(xùn)練。工程實訓(xùn)構(gòu)建了“從實到虛、從虛返實、虛實互補”的教學(xué)體系，共由七個教學(xué)模塊組成：

圖3 真實情境、虛實結(jié)合的生物工程實訓(xùn)中心

（1）理論講授：由具有產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗的專業(yè)教授講解工業(yè)發(fā)酵原理、裝備、過程以及控制；

（2）工廠及安全教育：由高級工程師講授，學(xué)生考核通過后方可進入實訓(xùn)車間；

（3）設(shè)備及工藝認知：由高級工程師帶隊瀏覽廠區(qū)，并對所有設(shè)備進行講解，包括設(shè)備的功能、操作要點、潛在的安全風(fēng)險及環(huán)境影響；

（4）虛擬仿真訓(xùn)練：虛擬系統(tǒng)包括實訓(xùn)預(yù)習(xí)、工業(yè)發(fā)酵滅菌、種子培養(yǎng)、連續(xù)發(fā)酵控制、產(chǎn)品分離等內(nèi)容，采用浸入式、情景式、互動式的虛擬學(xué)習(xí)方式；

（5）自由探究學(xué)習(xí)：學(xué)生通過手機端或電腦端的虛擬仿真系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)，同時在實訓(xùn)基地各個車間自由觀摩，指導(dǎo)教師現(xiàn)場答疑，通過這種虛實結(jié)合的探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的工程思維；

（6）實操訓(xùn)練及考核：在虛擬仿真系統(tǒng)考核通過以后進入實操學(xué)習(xí)，指導(dǎo)教師現(xiàn)場示范，并設(shè)置50個考核點；

（7）設(shè)計訓(xùn)練：完成廠區(qū)設(shè)計、工藝流程圖及關(guān)鍵設(shè)備圖繪制。

3 教學(xué)改革成效

3.1 科研成果融入實驗教學(xué)，提升了實驗教學(xué)水平

依托國家級實驗教學(xué)示范中心，國家重點實驗室等平臺的建設(shè)成果，積極將科研課題轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，保持實驗教學(xué)內(nèi)容的先進性，使學(xué)生獲得科技前沿知識的傳授，接受最新科技成果的熏陶和培養(yǎng)。通過引進、消化吸收國內(nèi)外先進裝備技術(shù)、自主設(shè)計和制造了生物工程新裝備建立了先進的實驗教學(xué)裝置研發(fā)生產(chǎn)基地，開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的“生物反應(yīng)器”“化學(xué)工程”“化工原理”和“環(huán)境工程”等4個系列35種型號的教學(xué)設(shè)備，品質(zhì)精良、功能齊全、操作方便、測控先進。人才培養(yǎng)水平得到了顯著提升。

3.2 構(gòu)建了遞進式的實驗教學(xué)體系和“集約、集成、開放”的運行模式

通過理順實驗教學(xué)管理體制、提高資源共享程度、改革實驗教學(xué)指導(dǎo)思想、實驗教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式等方式為學(xué)生提供了更多、更好的發(fā)展自身綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的機會，使中心實驗教學(xué)水平得到迅速提高，實驗教學(xué)效果日益凸現(xiàn)。所開展的實驗教學(xué)改革工作經(jīng)過實踐，得到了學(xué)生的支持、教師的贊同及教學(xué)管理人員的認可。

3.3 建成了全國一流的生物工程實訓(xùn)平臺

目前已經(jīng)建成占地約2000 m2的校內(nèi)實訓(xùn)基地，累計投入2600萬元，設(shè)置發(fā)酵車間、提取車間、中控車間、公用工程以及污水處置等多個功能區(qū)，以L-苯丙氨酸的工業(yè)尺度連續(xù)發(fā)酵為工藝主線，配置了完備的發(fā)酵生產(chǎn)以及后提取設(shè)備，工業(yè)發(fā)酵能力15 m3。基地每年可以為超過2000人提供工程訓(xùn)練服務(wù)。通過實訓(xùn)，可以培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)滅菌、發(fā)酵過程控制、產(chǎn)品分離精制等工程能力，幫助學(xué)生建立工程化概念，增強學(xué)生的環(huán)境、安全意識，提升學(xué)生的綜合職業(yè)素養(yǎng)。

4 結(jié)語

南京工業(yè)大學(xué)生物工程實驗教學(xué)中心堅持以人為本，把知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高貫穿于實驗教學(xué)的全過程。通過教學(xué)改革，在教學(xué)體系、管理體制、運行模式等方面建立了以生物工程為主線，遞進式的實驗教學(xué)體系和“集成、集約、開放”的運行模式，科研成果不斷融入教學(xué)，實驗教學(xué)水平得到全面提升，同時為全國20多所高校、科研院所提供了實驗裝備和技術(shù)，取得了豐碩的成果，輻射作用顯著，為國家和社會培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的生物工程人才。