生物工程專業(yè)“生化工程”課程教學改革與探索

王光路，劉蘭茜，遲雷，陶靜，馬歌麗，楊雪鵬*

鄭州輕工業(yè)大學 食品與生物工程學院（鄭州 450000）

“生化工程”是鄭州輕工業(yè)大學生物工程專業(yè)的主干專業(yè)課，在生物工程專業(yè)教學中占有重要的地位，和實際生產(chǎn)聯(lián)系密切，是學生走出校門應(yīng)用最強的一門專業(yè)性學科。本校作為輕工類本科高校之一，如何培養(yǎng)應(yīng)用型的專業(yè)人才對社會和經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要。在前期“化工原理”“微生物學”“生物化學”“發(fā)酵工藝原理”“發(fā)酵工程”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，針對生物工程專業(yè)學生，通過學習與研究生化工程定量分析基礎(chǔ)，論述生化工程過程分析與設(shè)計原理，使學生獲得獨立解決工業(yè)生產(chǎn)、試驗研究及技術(shù)開發(fā)等方面的能力是專業(yè)課的教學目標。但該課程知識點較為專業(yè)，對前期學習的基礎(chǔ)要求高，涉及諸多理論公式及相應(yīng)的復(fù)雜運算，對學生的專業(yè)水平及學習能力有較高的要求。學生掌握能力不好，打擊學習興趣和積極性，使得教學效果多年來一直不佳。此外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)信息多元化，學生不止?jié)M足于教師課堂的知識灌輸，對人才培養(yǎng)提出更高的要求。

鄭州輕工業(yè)大學生物工程專業(yè)于2020年通過了工程教育認證，將該課程的課程目標進行重新制定和梳理，并與畢業(yè)要求相契合。在此基礎(chǔ)上，對該課程的教學內(nèi)容進行了詳細梳理，制定了適合于工程認證的教學和考核模式改革，并獲得了較好的教學效果。

相對于課堂上教師的理論解讀，學生傾向于引導(dǎo)式教學等多元教學方法。為了提高學生的綜合能力和應(yīng)對能力，探討一種適合輕工類高校“生化工程”教學的新模式勢在必行。慕課（Massive Open Online Course，MOOC），英文直譯“大規(guī)模開放在線課程”（是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的產(chǎn)物），也是近年來涌現(xiàn)出來的一種在線課程開發(fā)模式[3]*。微課（Micro lecture），是指按照課程及教學實踐內(nèi)容，將教學中某個知識點（一般是重點或難點）制作成5～10 min的視頻，把難點簡單化、通俗易懂。慕課、微課的出現(xiàn)是信息時代發(fā)展的產(chǎn)物。隨著多媒體的發(fā)展和教學要求的改進，慕課、微課必然會滲透到高等教育的課程教學中，也是對傳統(tǒng)高等教育的有效補充和改革。這種新的教學模式拉進了老師與學生的距離，提高了學生的興趣，促進了人才培養(yǎng)計劃的完成。文章將“生化工程”課程的教學模式“慕課化”，探索該課程在實際教學中的問題以及針對性改革，培養(yǎng)學生們的實踐能力及創(chuàng)新能力[2]*，以求最大限度地促進學生的學習積極性和提升專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)水平。

1 “生化工程”教學現(xiàn)狀及存在問題

1.1 教學理論和實踐教學脫節(jié)

“生化工程”課程綜合了多門課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，包括有酶工程、發(fā)酵工程、微生物學、生物分離工程以及生物過程控制等，所涉及的內(nèi)容復(fù)雜難懂、內(nèi)容豐富、涉及面寬，對教師教學和學生學習都是一個大的挑戰(zhàn)[4]*，其課程特點是理論與實踐應(yīng)用聯(lián)系緊密，由于涉及理論內(nèi)容多，重點知識點多，信息量巨大，因此多數(shù)老師選擇性的給學生教學，按照考試大綱、其他內(nèi)容以自學為主的授課方式。同時目前可參考的綜合性強教材極少，使得“生化工程”這一面向應(yīng)用的課程，教學內(nèi)容陳舊，難以滿足教學需求，這對授課教師不斷跟進技術(shù)發(fā)展趨勢和行業(yè)動態(tài)提出更高要求。此外，現(xiàn)有教材在內(nèi)容安排上傾向于介紹原理和方法，而對具體工程實踐案例涉及較少，重理論，輕實踐，存在一定脫節(jié)現(xiàn)象。在面向培養(yǎng)應(yīng)用型人才的課程目標，如何將理論內(nèi)容多，實踐強的專業(yè)課程因材施教的傳授給學生，是教學改革應(yīng)思考的主要問題。

1.2 教學手段相對落后

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，老師教學從板書到制作內(nèi)容精致，邏輯清晰PPT，一定程度上提升了備課效率和改善教學效果。但是，針對于“生化工程”課程內(nèi)容存在諸多復(fù)雜理論、與應(yīng)用聯(lián)系密切，缺乏實踐，僅僅依靠課堂上的多媒體課件展示和口頭講解是遠遠不夠的，學生課堂參與度低，掌握程度極低，進而失去長久學習興趣。面對這一類應(yīng)用性很強的專業(yè)知識很難讓學生有深入和直觀的理解，難以吃透知識點，因此如何合理的利用豐富的教學手段完善“生化工程”教學也是面臨的一大問題。

1.3 學生主動學習興趣不高

“生化工程”課程設(shè)置前提需要學生掌握大量的專業(yè)基礎(chǔ)知識，因此較多將該課程安排在專業(yè)培養(yǎng)方案中大三或大四的幾個學期。多數(shù)學生對理論基礎(chǔ)知識掌握水平參差不齊，能力培養(yǎng)也不重視，認為只要通過期末考試就足夠了。面對復(fù)雜的教學理論，如酶促反應(yīng)及酶反應(yīng)動力學、衡算計算和微生物反應(yīng)動力學等內(nèi)容，理解難度高。缺乏實踐認知環(huán)節(jié)，知識掌握程度不牢，只有少數(shù)學生能夠掌握學習重點，知識不系統(tǒng)，工作中很難融會貫通并加以正確運用。有些學生上課注意力不集中，課后很少和授課老師溝通，自主學習能力差，學習效果不盡人意。往往出現(xiàn)相互抄襲作業(yè)，考前臨時突擊，只為學分的應(yīng)試現(xiàn)象。這種現(xiàn)象導(dǎo)致學生未切實掌握內(nèi)容，考后就忘，難以成為基礎(chǔ)扎實、實踐能力強的專門人才。因此如何轉(zhuǎn)變學生在授課過程中自身狀態(tài)，提升積極性和主動性，這也是教學改革面臨的一大難題。

1.4 慕課等課堂設(shè)計存在一定難度

盡管網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有了空前發(fā)展，但是如何有效利用信息技術(shù)和課堂教學融合，對教師來說有一定的難度[5]*。比如線上學習，如何對學生的效率進行掌控，暫時還做不到細節(jié)化管理。這就需要學生自身養(yǎng)成良好的習慣，這也是慕課等在線學習初期必須克服的問題。對教師來說，課堂的設(shè)計和學習效果息息相關(guān)。因此，在課堂設(shè)計時，在實現(xiàn)課堂目標基礎(chǔ)上兼顧對學生實踐性與創(chuàng)新性的培養(yǎng)。

2 課程教學模式改革整體思路

面對“生化工程”課程教學中存在的諸多問題，切實需要對“生化工程”進行合理的教學改革，以不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，提高學生對知識的掌握能力以及學習的積極性。將傳統(tǒng)模式理論教學與網(wǎng)絡(luò)課程的教學優(yōu)勢結(jié)合起來，不僅可以幫助學生盡快的消化課堂知識而且可以調(diào)動學生的積極性，提高學生對該課程的興趣。通過這種新型的教學模式，可使學生的綜合素養(yǎng)得到有效提升。

針對于傳統(tǒng)教學模式存在的問題，首先應(yīng)該改變當前教師與學生的現(xiàn)狀。教師不僅僅是灌輸者，應(yīng)該成為一個成功的引路人，與學生共同去進步，將老師與學生結(jié)合起來，增強學生自主學習的責任感[6]*。近幾年，隨著慕課與微課在國內(nèi)教學的不斷應(yīng)用，涌現(xiàn)出不少成功案例。陳京等[6]*用軟件實現(xiàn)了教學模式的轉(zhuǎn)變，從單一的教學轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝襟w教學，受到學生普遍歡迎，效果極好，豐富了“生化工程”的教學方法和內(nèi)容，適應(yīng)了教學改革。臺州學院付永前等[7]*探討了“生化工程”教學過程中的改革措施，優(yōu)化教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生學習的興趣，探索了適合臺州經(jīng)濟的新型模式，這種新的教學模式重新調(diào)整了課堂內(nèi)外時間的分配，學生除了上課時間可以自己決定課外的學習時間，這種舉措可以充分激發(fā)學生學習積極性，還可以培養(yǎng)學生自主思考的能力和學習自主性。

“生化工程”的課堂教學模式改革主要從教學內(nèi)容、教學模式、課堂設(shè)計、考核方式四個方面進行改革。

2.1 跟進行業(yè)發(fā)展趨勢，梳理教學內(nèi)容

生物行業(yè)的發(fā)展給本專業(yè)學生提供了機遇，在目前本科生培養(yǎng)方案大幅度壓縮專業(yè)課學時的大趨勢下，對于教學內(nèi)容的優(yōu)化提出了更高的要求。“生化工程”作為一門多學科穿插的學科，與之符合的教材極少。主要的還是中國輕工業(yè)出版社出版的《生化工程》（2008年）以及清華大學出版社出版的《生物反應(yīng)工程原理》（2011年），出版時間長，書中的部門內(nèi)容早已不符合當前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對于目前的教學要求已經(jīng)不能滿足需求。因此，在當前的教材內(nèi)容基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢和新興技術(shù)方法，重新梳理教學內(nèi)容，將教學內(nèi)容模塊化和和“慕課化”，這也是此次教改研究重點。課程的模塊化設(shè)計將生化工程理論基礎(chǔ)知識和生產(chǎn)工藝流程等內(nèi)容分為五大模塊，分別是酶促反應(yīng)及酶反應(yīng)動力學、化學計量和微生物反應(yīng)動力學、生物反應(yīng)傳質(zhì)和生物反應(yīng)器設(shè)計與放大、發(fā)酵過程和發(fā)酵動力學[4]*，以及重組微生物和合成生物學新興技術(shù)，擬定新的教學大綱和課程內(nèi)容設(shè)置。“慕課化”課程教學是根據(jù)修訂后的新版教學大綱對“生化工程”的教學內(nèi)容進行重新整合、編排，根據(jù)新的模塊內(nèi)容制定新的教學目標，各模塊內(nèi)容相互緊密聯(lián)系。由于課程采用“慕課化”管理，特別適合學生課前復(fù)習、課堂重點聽講、課后習題與討論。

現(xiàn)在修改后的目標：

（1）介紹生化工程的相關(guān)概念和理論，使學生掌握生化反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)原理，為學習生物工程相關(guān)科學和技術(shù)打下堅實的基礎(chǔ)。

（2）使學生掌握酶促反應(yīng)動力學、微生物反應(yīng)的基本原理和方法，了解質(zhì)能衡算等的基本原理和方法，建立用理論知識分析和解決生化生產(chǎn)過程實際問題的概念和能力。

（3）使學生掌握微生物反應(yīng)動力學以及發(fā)酵過程中物質(zhì)傳遞的基本原理，了解生物反應(yīng)與物質(zhì)傳遞以及反應(yīng)器設(shè)計、比擬放大、過程控制與優(yōu)化等技術(shù)原理方法。

（4）介紹重組微生物細胞、系統(tǒng)生物學及合成生物學的基本原理，使學生掌握相關(guān)領(lǐng)域的基本原理和方法，了解生物工程領(lǐng)域發(fā)展前沿及趨勢。

畢業(yè)要求指標點：

指標點1.4：能夠?qū)I(yè)知識和數(shù)學模型用于生化反應(yīng)過程中動力學建模、工藝優(yōu)化、工程放大等工程問題的比較與綜合。

指標點2.2：能夠運用專業(yè)基礎(chǔ)相關(guān)原理，識別、表達和分析微生物代謝規(guī)律、生化反應(yīng)關(guān)鍵過程、工藝參數(shù)控制、產(chǎn)品分離過程等生物學相關(guān)問題，并獲得有效結(jié)論。

2.2 實施多元化教學手段，改變學生被動學習模式

生化工程課程和實際生產(chǎn)聯(lián)系非常緊密，面對應(yīng)用性很強的專業(yè)知識，僅僅依靠課堂上的多媒體課件展示和口頭講解，很難讓學生對所學知識有深切和直觀的理解，難以吃透知識點，容易失去學習主動性和積極性。為解決這個問題增強學生的學習興趣，教學過程中需要運用多種教學方法和各種教學資源[8]*。我們嘗試利用本校的E-learning平臺建立“生化工程”網(wǎng)絡(luò)課程，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程教學優(yōu)勢，豐富教學素材以配合課堂教學，將課堂與網(wǎng)絡(luò)、課內(nèi)外有機結(jié)合，使教學方法多元化，激發(fā)生學習興趣提高教學效果。

目前結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，整合各個教師的科研成果，在課堂教學中引入最新的研究進展及研究成果展示，采用課堂教學與慕課相結(jié)合的教學模式，運用多媒體將難點以動畫或者視頻的形式分解為小知識點，或者將工廠的實際操作流程錄視頻或刻光碟，進而創(chuàng)建一個優(yōu)異的教學平臺。具體教學設(shè)計為采用視頻預(yù)習-課堂教學與討論-復(fù)習與測驗-在線討論與反饋的模式。在重要的教學難點內(nèi)容展示上，制作通俗易懂的微課，加深學生對重點知識的掌握與理解，在學習理論知識的同時，進一步補充課外知識和動手能力。教學上改變傳統(tǒng)的“填鴨式”教學模式，挑選合理的章節(jié)和教學內(nèi)容，組織學生以小團隊形式參與教學環(huán)節(jié)，鍛煉學生查閱資料、制作演示文稿、語言組織和表達等能力，并可同時培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和組織能力[9]*。

2.3 改變傳統(tǒng)課堂教學形式，實踐與理論相結(jié)合

2.3.1 整合資源、合理應(yīng)用

在系統(tǒng)性安排教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，積極吸取他人講授生化工程課程的成功經(jīng)驗。參照他人的成功經(jīng)驗[6]*，設(shè)計一堂含微課的50 min課堂教學流程，大概包括5個環(huán)節(jié)：（1）鞏固所學知識點，3～5 min；（2）微課導(dǎo)入，5～10 min；（3）教師提煉知識點精講，15～20 min；（4）師生互動、教師指導(dǎo)，5～10 min；（5）效果評價，3～5 min。在教師精講階段，學習國內(nèi)外同行優(yōu)秀制作技巧，結(jié)合學校的在線E-learning平臺與學生積極互動，比如布置課前預(yù)習內(nèi)容，課后作業(yè)，還可以進行線上答疑。該平臺可以有效地拉近學生和老師之間的距離，并切實動態(tài)掌握學生的學習興趣方向和掌握程度，以更好地對自身教學中存在問題進行糾正，同時指導(dǎo)學生多利用公共網(wǎng)絡(luò)資源，比如其他高校生化工程精品資源共享課，MOOC慕課[10]*等生化工程相關(guān)內(nèi)容，如江南大學國家級精品課程“生化工程”即為非常好的學習典范。通過對其他學校的學習，做到查漏補缺，拓寬學生的知識面，意識到該課程的實用性。適當讓學生借助網(wǎng)上圖書館閱讀相關(guān)文獻，把握生物行業(yè)的發(fā)展動向，提升學生專業(yè)能力水平。

2.3.2 增多實踐，激發(fā)興趣

將課程有關(guān)設(shè)備的內(nèi)容從原本的課堂搬到實驗室或者工廠中，增強學生的感觸，加深理解，激發(fā)學生的求知欲。如筆者所在實驗室中有多型設(shè)備，如上海知楚儀器全自動搖床、山東省科院生物所SBA-40E葡萄糖快速檢測儀、上海保興生物全自動小型發(fā)酵罐、Agilent高效液相色譜和氣相色譜等設(shè)備，可以分別對應(yīng)于微生物細胞培養(yǎng)、發(fā)酵過程參數(shù)檢測和控制、產(chǎn)物成分檢測和分析等理論教學內(nèi)容，生物反應(yīng)工藝控制和相關(guān)設(shè)備理論的講授與實踐相結(jié)合，可大幅提升學生的學習興趣和感觀認識，有利于全面系統(tǒng)掌握知識點[8]*。另外，利用學院公共實驗平臺建設(shè)的啤酒、白酒、葡萄糖全套工藝生產(chǎn)線，以及乳制品制作等相關(guān)實驗平臺，結(jié)合理論教學內(nèi)容進行指導(dǎo)并讓學生完成實際操作，不僅有利于學生深刻了解和掌握生產(chǎn)工藝重點難點，也有利于滿足企業(yè)對專業(yè)應(yīng)用型人才的需求。在講授過程中將理論知識和實踐應(yīng)用相結(jié)合，列舉實際應(yīng)用案例，加深學生對重點知識點的理解。

2.4 改變傳統(tǒng)考核方式，增強學生知識運用

在“慕課化”式的開放性教學管理中，形成性考核是一種督促學生主動學習、提高教學效果的有效手段。形成性考核是指對學生學習過程的全面考核，不止單純的關(guān)注學生的期末成績和學生作業(yè)情況，還需重點關(guān)注平時學生的學習態(tài)度，一個好的學習態(tài)度終生受益無窮[11]*。傳統(tǒng)考核方式為卷面成績和平時成績的占比總和。為避免應(yīng)試現(xiàn)象，考評方式必須有利于培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，加強學生綜合能力培養(yǎng)。在課程考核上，考試成績分為平時成績35%、考試成績50%和實踐成績15%，強調(diào)平時學習重要性以及弱化應(yīng)試現(xiàn)象。對平時成績包含的內(nèi)容也進行了擴展，在原先學生的考勤、課前預(yù)習和作業(yè)幾個部分外，還著重添加了課上互動部分，對完成較好的學生進行鼓勵表揚。對于實踐成績部分，利用實驗室已有設(shè)備，對各個小組布置簡單實驗操作，對小組成員參與程度及獲得成果進行評價。在考試命題上嚴格實際教考分離，AB卷同時統(tǒng)一命題，且重復(fù)率三年內(nèi)小于30%，著重考核學生對問題的綜合分析解決能力。這種考核方式的轉(zhuǎn)變可大幅度的調(diào)動學生積極性，小組內(nèi)的各位同學之間可以相互幫助，相互督促，相互協(xié)作，提高了學生的“主人翁”意識和積極性，培養(yǎng)了學生團隊合作的能力，具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

通過對于生化工程授課過程中出現(xiàn)的問題及改革的必要性進行剖析，傳統(tǒng)教學方式已經(jīng)較難滿足生物高新技術(shù)企業(yè)對于應(yīng)用型人才的需求。慕課、微課作為一種新發(fā)展的教學模式，將其應(yīng)用于高校“生化工程”課程建設(shè)，可對應(yīng)用型強的課程進行資源整合，對教師教學和學生學習產(chǎn)生深刻的影響。通過積極發(fā)現(xiàn)授課過程中存在的主要問題，對教學內(nèi)容的梳理，以及慕課化、實踐教學模式的引入，結(jié)果表明，這種新的模式可激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的綜合素質(zhì)，同時提升該課程的教學質(zhì)量，為今后培養(yǎng)生物專業(yè)應(yīng)用型人才奠基好的基礎(chǔ)。