基于OBE理念的“生物工程工廠設(shè)計(jì)”課程改革探索

［摘 要］ “生物工程工廠設(shè)計(jì)”是生命科學(xué)學(xué)院生物工程專業(yè)的核心課程，是將專業(yè)課和生產(chǎn)實(shí)習(xí)進(jìn)行綜合與系統(tǒng)化，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)能力的必需環(huán)節(jié)。然而傳統(tǒng)教學(xué)枯燥、難懂，為了進(jìn)一步提高教學(xué)效果，促進(jìn)工程技術(shù)人才的成長(zhǎng)，對(duì)該課程特色及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。以虛擬仿真技術(shù)為重要手段，融入立德樹(shù)人的課程思政要素，探索了基于OBE理念的適合于“生物工程工廠設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式，以期培養(yǎng)出富有強(qiáng)烈社會(huì)責(zé)任感與人文情懷、扎實(shí)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)與卓越創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

［關(guān)鍵詞］ 成果導(dǎo)向教育；虛擬仿真；課程思政；工廠設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

［中圖分類號(hào)］ Q819 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2025）05-0065-04

引言

2019年4月，教育部啟動(dòng)“雙萬(wàn)計(jì)劃”，經(jīng)過(guò)三年左右時(shí)間，建設(shè)一萬(wàn)個(gè)國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)點(diǎn)和一萬(wàn)個(gè)省級(jí)一流本科專業(yè)點(diǎn)，培養(yǎng)可引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展能力的各類卓越人才［1］。其中，我校生物工程專業(yè)入選國(guó)家級(jí)“本科教學(xué)工程”專業(yè)綜合改革試點(diǎn)、山東省首批一流本科專業(yè)，“生物工程專業(yè)群”入選山東省高水平應(yīng)用型重點(diǎn)立項(xiàng)建設(shè)專業(yè)群。在此契機(jī)下，以服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略和地方需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)高素質(zhì)拔尖人才為目標(biāo)，強(qiáng)化課程教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

“生物工程工廠設(shè)計(jì)”傳統(tǒng)的授課模式是以教師授課為中心，教師將教材中的知識(shí)通過(guò)教學(xué)課件或板書(shū)的形式傳遞給學(xué)生。這種授課模式無(wú)法向?qū)W生表達(dá)和傳遞設(shè)備、生產(chǎn)線、車間及全廠等的三維空間效果，更反映不出生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。另外，由于企業(yè)注重安全生產(chǎn)問(wèn)題，學(xué)生深入企業(yè)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)減少，造成學(xué)生對(duì)工廠生產(chǎn)工藝流程概念的模糊。而且發(fā)酵設(shè)備多數(shù)為封閉式結(jié)構(gòu)，外部構(gòu)造相似，學(xué)生無(wú)法觀測(cè)設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，更難以了解設(shè)備的組裝和運(yùn)行。因此，如何能夠培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求的高素質(zhì)工程技術(shù)人員，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的工程圖紙，是“生物工程工廠設(shè)計(jì)”課程教學(xué)必須解決的問(wèn)題。以虛擬仿真技術(shù)為輔助工具的教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了資源的跨時(shí)空共享，將“課堂—學(xué)生—工廠”連接起來(lái)，構(gòu)建切實(shí)可行的培養(yǎng)工程技術(shù)人員的教學(xué)模式。培養(yǎng)過(guò)程中要以立德樹(shù)人為根本任務(wù)，將生態(tài)文明教育、可持續(xù)發(fā)展、文化自信等各類課程思政元素融入課程教育，以期培養(yǎng)出既有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)又富有社會(huì)責(zé)任感的卓越應(yīng)用型人才。

成果導(dǎo)向教育（outcome-based education，OBE）理念是以學(xué)生產(chǎn)出為導(dǎo)向、以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的持續(xù)改進(jìn)的教育理念，是工程教育專業(yè)普遍采用的教育模式［2］。本課程以O(shè)BE理念為依托，以服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略和地方需求為導(dǎo)向，持續(xù)探索該課程的教學(xué)模式。

一、虛擬仿真技術(shù)在課程中的應(yīng)用

（一）虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

20世紀(jì)80年代，虛擬仿真技術(shù)得到質(zhì)的飛躍，目前已成為理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后第三種認(rèn)識(shí)改造客觀世界的重要手段［3］。2018年5月，教育部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，指出深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的原則，開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作［4］。我校生物工程專業(yè)仿真教學(xué)也在積極探索中，綜合運(yùn)用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及仿真技術(shù)，于計(jì)算機(jī)上建立一套反映真實(shí)生產(chǎn)工藝過(guò)程和設(shè)備的虛擬分析系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，能夠生動(dòng)形象地介紹相關(guān)工藝過(guò)程及設(shè)備運(yùn)行方式。學(xué)生通過(guò)操作虛擬設(shè)備及軟件，可以得到與真實(shí)設(shè)備與儀器類似的豐富操作經(jīng)驗(yàn)。仿真技術(shù)對(duì)于生物工程課程教學(xué)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

第一，發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備非常龐大，在學(xué)校里建一套能夠體現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)線作為實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)裝置，要占據(jù)較大的空間，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)、原料消耗量大，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)成本很高。虛擬仿真技術(shù)可以彌補(bǔ)上述缺憾。

第二，能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。模擬仿真軟件具有較強(qiáng)的直觀性和互動(dòng)性，合理使用不但能解決大部分生物工程教學(xué)內(nèi)容抽象和課堂枯燥等問(wèn)題，而且讓學(xué)生全面了解發(fā)酵生產(chǎn)工藝要求及條件等。

第三，可以補(bǔ)充企業(yè)實(shí)習(xí)，方便實(shí)用。仿真系統(tǒng)能夠很容易地查看相關(guān)設(shè)備介紹的圖片、文字說(shuō)明、原理演示、動(dòng)畫(huà)和錄像等，逼真地展現(xiàn)出部分企業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)看不清楚的結(jié)構(gòu)、工作原理及操作過(guò)程。學(xué)生還可以直接在計(jì)算機(jī)上通過(guò)仿真軟件進(jìn)行具體生產(chǎn)模擬操作，從而較好地提高實(shí)習(xí)效果。

（二）虛擬仿真技術(shù)在本課程中的應(yīng)用

基于仿真工藝實(shí)習(xí)軟件設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，輔助“生物工程工廠設(shè)計(jì)”的教學(xué)工作。通過(guò)互動(dòng)性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)展示激發(fā)學(xué)生對(duì)于工程實(shí)踐的參與熱情，學(xué)生既可掌握發(fā)酵生產(chǎn)的主要參數(shù)和調(diào)整操作，也可獨(dú)立完成整個(gè)工藝流程的全面操作，最終提高“生物工程工廠設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)效果。

首先，學(xué)生在實(shí)踐課開(kāi)設(shè)之前根據(jù)課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容觀看3D動(dòng)畫(huà)，了解生產(chǎn)過(guò)程，結(jié)合思維導(dǎo)圖繪制梳理預(yù)習(xí)內(nèi)容并進(jìn)行小組討論，在課程平臺(tái)上傳討論結(jié)果。然后，教師進(jìn)行指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)，并演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的使用方法，隨后學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真內(nèi)容的模擬操作。以啤酒生產(chǎn)為例，打開(kāi)虛擬仿真軟件，出現(xiàn)3個(gè)界面，第一個(gè)界面是仿分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）界面，總貌圖展示了啤酒生產(chǎn)的總流程，依次點(diǎn)擊界面下方的按鍵，可以學(xué)習(xí)到啤酒種類、啤酒釀造原料和制麥工序等文字性敘述。按照啤酒生產(chǎn)工藝流程，可以對(duì)糊化和糖化、過(guò)濾與煮沸、旋沉、發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行溫度、流量等工藝參數(shù)的操控。第二個(gè)界面是運(yùn)行界面，學(xué)生可以在此界面看到操作情況，根據(jù)學(xué)生的操作，系統(tǒng)可以打分。第三個(gè)界面是啤酒發(fā)酵仿真培訓(xùn)界面，學(xué)生以第一人稱視角操作角色移動(dòng)，進(jìn)入生產(chǎn)車間，身臨其境進(jìn)行操作。生產(chǎn)車間以實(shí)際工廠為原型進(jìn)行了設(shè)備及管道布置。

通過(guò)虛擬仿真的學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)操作單元不是完全獨(dú)立的簡(jiǎn)單串聯(lián)關(guān)系，在不同環(huán)節(jié)之間有交叉操作，甚至在罐體的使用中亦有綜合調(diào)配的情況，因此在完成虛擬仿真教學(xué)后，強(qiáng)化了整體設(shè)計(jì)的理念，分析了流程中的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，掌握了整體工藝設(shè)計(jì)的思路。

通過(guò)一系列以學(xué)生為中心的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生能夠更專注于主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而獲得更深層次的理解。教師采用討論法和協(xié)作法滿足學(xué)生的需要，促成其個(gè)性化學(xué)習(xí)，學(xué)生也可獲得更真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，符合OBE“以學(xué)生為主體，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教學(xué)理念。為了了解學(xué)生對(duì)本教改項(xiàng)目實(shí)施的真實(shí)態(tài)度與學(xué)習(xí)情況，設(shè)置了調(diào)查問(wèn)卷。結(jié)果顯示，97%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)能夠提高課程學(xué)習(xí)效果，93%的學(xué)生認(rèn)為提高了科學(xué)研究能力，90%的學(xué)生認(rèn)為熟悉了生產(chǎn)工藝流程。

“生物工程工廠設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)實(shí)踐表明，利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生真實(shí)感受到工廠生產(chǎn)情形，直觀地認(rèn)識(shí)發(fā)酵生產(chǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚；另外，虛擬仿真技術(shù)的使用增加了學(xué)生過(guò)程性評(píng)價(jià)的要素，可以更全面地考查學(xué)生素質(zhì)。

二、課程思政在課程中的應(yīng)用

2016年12月，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，“使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)”［5］。2020年，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，指出立德樹(shù)人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)［6］。落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，必須將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可割裂。

專業(yè)課程是課程思政建設(shè)的基本載體，思政教育融入“生物工程工廠設(shè)計(jì)”的課堂教學(xué)，是實(shí)現(xiàn)全方位育人、立德樹(shù)人的重要手段［7］。思政元素在本課程各章節(jié)的具體實(shí)施如表1所示。

在緒論部分學(xué)習(xí)了生物工程工廠設(shè)計(jì)的重要性，生物工程產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要部門，設(shè)計(jì)工作將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和社會(huì)的發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生把國(guó)家、社會(huì)、公民的價(jià)值要求融為一體，把小我融入大我，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。第一章通過(guò)介紹基本建設(shè)程序內(nèi)容，幫助學(xué)生了解相關(guān)專業(yè)和行業(yè)領(lǐng)域的國(guó)家戰(zhàn)略、法律法規(guī)和相關(guān)政策，引導(dǎo)學(xué)生深入社會(huì)實(shí)踐、關(guān)注現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，培育學(xué)生愛(ài)國(guó)、敬業(yè)、誠(chéng)信的社會(huì)主義核心價(jià)值觀。第二章講解廠址選擇原則之一是保護(hù)環(huán)境時(shí)，引入“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)理念，加強(qiáng)學(xué)生的生態(tài)文明及可持續(xù)發(fā)展理念。在講授總平面設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)介紹青島啤酒二廠結(jié)合地形地勢(shì)進(jìn)行了平面和豎向的聯(lián)合布置，介紹了青島啤酒在國(guó)際上的影響力，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情和民族自豪感。第三章通過(guò)闡釋工藝流程設(shè)計(jì)要由淺入深和分階段進(jìn)行，幫助學(xué)生掌握馬克思主義世界觀和方法論。第四章《工藝計(jì)算》部分要求學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算能力，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神。第五章《設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型》在講解專業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型時(shí)，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。第六章在講到車間布置設(shè)計(jì)中對(duì)于生產(chǎn)青霉素類等高致敏性藥品必須使用獨(dú)立的廠房和設(shè)施，排至室外的廢氣應(yīng)經(jīng)凈化處理并符合要求時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生形成安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)的設(shè)計(jì)理念。第七章《管道的設(shè)計(jì)與布置》以身邊的暖氣管道、煤氣管道、供水管道、排水管道等為例，引導(dǎo)學(xué)生形成理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)方法。在講授第八章《公用工程》時(shí)，各專業(yè)既分工又合作，公用工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)相輔相成，形成一個(gè)有機(jī)的整體，增強(qiáng)學(xué)生辯證思維能力。在講授供熱工程中鍋爐設(shè)備的燃料選擇時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從環(huán)境保護(hù)的大局出發(fā)選擇適宜的燃料，增強(qiáng)學(xué)生生態(tài)文明建設(shè)的使命擔(dān)當(dāng)。在講授第九章《清潔生產(chǎn)與末端治理》時(shí)，加強(qiáng)生態(tài)文明教育和可持續(xù)發(fā)展理念，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，號(hào)召學(xué)生增強(qiáng)創(chuàng)新精神。在講授第十章《工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)概算與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)》時(shí)，培育學(xué)生經(jīng)世濟(jì)民的素養(yǎng)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)作為一種現(xiàn)代化教學(xué)手段，架起了理論與實(shí)踐教學(xué)之間的橋梁。將仿真技術(shù)運(yùn)用于“生物工程工廠設(shè)計(jì)”的輔助教學(xué)中，不僅促使學(xué)生更加熟悉生物工程工廠設(shè)計(jì)流程，能使學(xué)生顯著提高學(xué)習(xí)效率和效果，帶來(lái)諸多方便和節(jié)省大量教育成本，而且提高了學(xué)生科學(xué)探究能力和應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，是提高教學(xué)質(zhì)量的一種有效手段。思政元素的融入，豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，讓課程教學(xué)變得有血有肉，學(xué)生學(xué)起來(lái)更有激情，有利于全面提升工科專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。今后，我們將持續(xù)改進(jìn)，繼續(xù)學(xué)習(xí)前沿的教學(xué)模式及課程思政有效融入課堂教學(xué)的滲透方法，為學(xué)生順利成長(zhǎng)和健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］教育部辦公廳關(guān)于實(shí)施一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃”的通知：教高廳函〔2019〕18號(hào)［A/OL］.（2019-04-04）［2023-11-10］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201904/t20190409_377216.html.

［2］扶慶權(quán)，王蓉蓉，韓苗苗，等.基于成果導(dǎo)向教育理念的《食品添加劑》課程思政元素的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2023，49（19）：376-380.

［3］陳海，朱翰昆，戴宏杰，等.后疫情時(shí)代下基于虛擬仿真技術(shù)提升食品科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的探討［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2022，48（13）：359-364.

［4］教育部關(guān)于開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知：教高函〔2018〕5號(hào)［A/OL］.（2018-06-05）［2023-11-10］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

［5］習(xí)近平在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程 開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］.人民日?qǐng)?bào)，2016-12-09（1）.

［6］教育部.關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知：教高〔2020〕3號(hào)［A/OL］.（2020-06-01）［2023-11-10］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［7］吳昊，胡永紅，呂浩，等.《生物分離工程》綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)與實(shí)踐［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2022，48（7）：325-332.

Teaching Reform and Exploration of Bioengineering Factory Design Based on OBE Concept

SONG Wen-xia1， HAN Xiao-long2

（1. School of Life Science， Qufu Normal University， Qufu， Shandong 273165， China;

2. School of Life Science and Engineering， Jining University， Qufu， Shandong 273155， China）

Abstract： Bioengineering Factory Design is the core course for the students majoring in Bioengineering of the School of Life Science. It is a necessary link to integrate and systematize professional courses and production internships， and achieve the transformation of theoretical knowledge into engineering design capabilities. However， traditional teaching was dull and difficult to understand. In order to further improve teaching effectiveness and promote the development of engineering and technical talents， this paper analyzed the characteristics and existing problems of this course. Virtual simulation technology is an important means of “building morality and cultivating talents” with integrating the ideological and political elements into the course. The paper explored a teaching model suitable for Bioengineering Factory Design based on OBE concept， aiming to cultivate high-quality application-oriented talents with a solid foundation in disciplines and majors， excellent innovation and entrepreneurship abilities as well as a strong sense of social responsibility， humanistic sentiment.

Key words： outcomes-based education; virtual simulation; curriculum ideology and politics; factory design; teaching reform

［基金項(xiàng)目］ 2020年度曲阜師范大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于虛擬仿真技術(shù)的‘工程制圖與工廠設(shè)計(jì)’課程改革”（2020JG33）；2019年度濟(jì)寧學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘生物分離工程’理論教學(xué)模式改革與實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)”（JX201929）

［作者簡(jiǎn)介］ 宋文霞（1981—），女，博士，曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講師（通信作者），碩士生導(dǎo)師，主要從事學(xué)科教學(xué)（生物）及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究；韓小龍（1980—），男，博士，濟(jì)寧學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事發(fā)酵工程研究。