生化工程课程教学改革与探索

摘要:为了适应现代生物工程学科的发展,对“生化工程”的课程教学模式和教学方式进行了多方面的改革与探索,优化了教学内容,提升了教学效率。通过实践证明,新型教学模式具有较好的成效,学生对课程兴趣及掌握水平有大幅提高,这促进了专业能力的提升,为培养应用型人才奠定了良好基础。

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关键词:生化工程;课程教学;教学改革;考核方式

“生化工程”是郑州轻工业大学生物工程专业的主干专业课，在生物工程专业教学中占有重要的地位，和实际生产联系密切，是学生走出校门应用最强的一门专业性学科。本校作为轻工类本科高校之一，如何培养应用型的专业人才对社会和经济的发展至关重要。在前期“化工原理”“微生物学”“生物化学”“发酵工艺原理”“发酵工程”等专业课程的基础上，针对生物工程专业学生，通过学习与研究生化工程定量分析基础，论述生化工程过程分析与设计原理，使学生获得独立解决工业生产、试验研究及技术开发等方面的能力是专业课的教学目标。但该课程知识点较为专业，对前期学习的基础要求高，涉及诸多理论公式及相应的复杂运算，对学生的专业水平及学习能力有较高的要求。学生掌握能力不好，打击学习兴趣和积极性，使得教学效果多年来一直不佳。此外，网络技术的快速发展及网络信息多元化，学生不止满足于教师课堂的知识灌输，对人才培养提出更高的要求。郑州轻工业大学生物工程专业于2020年通过了工程教育认证，将该课程的课程目标进行重新制定和梳理，并与毕业要求相契合。在此基础上，对该课程的教学内容进行了详细梳理，制定了适合于工程认证的教学和考核模式改革，并获得了较好的教学效果。相对于课堂上教师的理论解读，学生倾向于引导式教学等多元教学方法。为了提高学生的综合能力和应对能力，探讨一种适合轻工类高校“生化工程”教学的新模式势在必行。慕课（MassiveOpenOnlineCourse，MOOC），英文直译“大规模开放在线课程”（是“互联网+教育”的产物），也是近年来涌现出来的一种在线课程开发模式[3]。微课（Microlecture），是指按照课程及教学实践内容，将教学中某个知识点（一般是重点或难点）制作成5~10min的视频，把难点简单化、通俗易懂。慕课、微课的出现是信息时展的产物。随着多媒体的发展和教学要求的改进，慕课、微课必然会渗透到高等教育的课程教学中，也是对传统高等教育的有效补充和改革。这种新的教学模式拉进了老师与学生的距离，提高了学生的兴趣，促进了人才培养计划的完成。文章将“生化工程”课程的教学模式“慕课化”，探索该课程在实际教学中的问题以及针对性改革，培养学生们的实践能力及创新能力[2]，以求最大限度地促进学生的学习积极性和提升专业应用型人才的培养水平。

1“生化工程”教学现状及存在问题

1.1教学理论和实践教学脱节

“生化工程”课程综合了多门课程的基础内容，包括有酶工程、发酵工程、微生物学、生物分离工程以及生物过程控制等，所涉及的内容复杂难懂、内容丰富、涉及面宽，对教师教学和学生学习都是一个大的挑战[4]，其课程特点是理论与实践应用联系紧密，由于涉及理论内容多，重点知识点多，信息量巨大，因此多数老师选择性的给学生教学，按照考试大纲、其他内容以自学为主的授课方式。同时目前可参考的综合性强教材极少，使得“生化工程”这一面向应用的课程，教学内容陈旧，难以满足教学需求，这对授课教师不断跟进技术发展趋势和行业动态提出更高要求。此外，现有教材在内容安排上倾向于介绍原理和方法，而对具体工程实践案例涉及较少，重理论，轻实践，存在一定脱节现象。在面向培养应用型人才的课程目标，如何将理论内容多，实践强的专业课程因材施教的传授给学生，是教学改革应思考的主要问题。

1.2教学手段相对落后

随着信息技术的发展，老师教学从板书到制作内容精致，逻辑清晰PPT，一定程度上提升了备课效率和改善教学效果。但是，针对于“生化工程”课程内容存在诸多复杂理论、与应用联系密切，缺乏实践，仅仅依靠课堂上的多媒体课件展示和口头讲解是远远不够的，学生课堂参与度低，掌握程度极低，进而失去长久学习兴趣。面对这一类应用性很强的专业知识很难让学生有深入和直观的理解，难以吃透知识点，因此如何合理的利用丰富的教学手段完善“生化工程”教学也是面临的一大问题。

1.3学生主动学习兴趣不高

“生化工程”课程设置前提需要学生掌握大量的专业基础知识，因此较多将该课程安排在专业培养方案中大三或大四的几个学期。多数学生对理论基础知识掌握水平参差不齐，能力培养也不重视，认为只要通过期末考试就足够了。面对复杂的教学理论，如酶促反应及酶反应动力学、衡算计算和微生物反应动力学等内容，理解难度高。缺乏实践认知环节，知识掌握程度不牢，只有少数学生能够掌握学习重点，知识不系统，工作中很难融会贯通并加以正确运用。有些学生上课注意力不集中，课后很少和授课老师沟通，自主学习能力差，学习效果不尽人意。往往出现相互抄袭作业，考前临时突击，只为学分的应试现象。这种现象导致学生未切实掌握内容，考后就忘，难以成为基础扎实、实践能力强的专门人才。因此如何转变学生在授课过程中自身状态，提升积极性和主动性，这也是教学改革面临的一大难题。

1.4慕课等课堂设计存在一定难度

尽管网络技术有了空前发展，但是如何有效利用信息技术和课堂教学融合，对教师来说有一定的难度[5]。比如线上学习，如何对学生的效率进行掌控，暂时还做不到细节化管理。这就需要学生自身养成良好的习惯，这也是慕课等在线学习初期必须克服的问题。对教师来说，课堂的设计和学习效果息息相关。因此，在课堂设计时，在实现课堂目标基础上兼顾对学生实践性与创新性的培养。

2课程教学模式改革整体思路

面对“生化工程”课程教学中存在的诸多问题，切实需要对“生化工程”进行合理的教学改革，以不断优化课程内容，提高学生对知识的掌握能力以及学习的积极性。将传统模式理论教学与网络课程的教学优势结合起来，不仅可以帮助学生尽快的消化课堂知识而且可以调动学生的积极性，提高学生对该课程的兴趣。通过这种新型的教学模式，可使学生的综合素养得到有效提升。针对于传统教学模式存在的问题，首先应该改变当前教师与学生的现状。教师不仅仅是灌输者，应该成为一个成功的引路人，与学生共同去进步，将老师与学生结合起来，增强学生自主学习的责任感[6]。近几年，随着慕课与微课在国内教学的不断应用，涌现出不少成功案例。陈京等[6]用软件实现了教学模式的转变，从单一的教学转变为多媒体教学，受到学生普遍欢迎，效果极好，丰富了“生化工程”的教学方法和内容，适应了教学改革。台州学院付永前等[7]探讨了“生化工程”教学过程中的改革措施，优化教学内容，培养学生学习的兴趣，探索了适合台州经济的新型模式，这种新的教学模式重新调整了课堂内外时间的分配，学生除了上课时间可以自己决定课外的学习时间，这种举措可以充分激发学生学习积极性，还可以培养学生自主思考的能力和学习自主性。“生化工程”的课堂教学模式改革主要从教学内容、教学模式、课堂设计、考核方式四个方面进行改革。

2.1跟进行业发展趋势，梳理教学内容

生物行业的发展给本专业学生提供了机遇，在目前本科生培养方案大幅度压缩专业课学时的大趋势下，对于教学内容的优化提出了更高的要求。“生化工程”作为一门多学科穿插的学科，与之符合的教材极少。主要的还是中国轻工业出版社出版的《生化工程》（2008年）以及清华大学出版社出版的《生物反应工程原理》（2011年），出版时间长，书中的部门内容早已不符合当前技术发展现状，对于目前的教学要求已经不能满足需求。因此，在当前的教材内容基础上，结合行业发展趋势和新兴技术方法，重新梳理教学内容，将教学内容模块化和和“慕课化”，这也是此次教改研究重点。课程的模块化设计将生化工程理论基础知识和生产工艺流程等内容分为五大模块，分别是酶促反应及酶反应动力学、化学计量和微生物反应动力学、生物反应传质和生物反应器设计与放大、发酵过程和发酵动力学[4]，以及重组微生物和合成生物学新兴技术，拟定新的教学大纲和课程内容设置。“慕课化”课程教学是根据修订后的新版教学大纲对“生化工程”的教学内容进行重新整合、编排，根据新的模块内容制定新的教学目标，各模块内容相互紧密联系。由于课程采用“慕课化”管理，特别适合学生课前复习、课堂重点听讲、课后习题与讨论。现在修改后的目标：（1）介绍生化工程的相关概念和理论，使学生掌握生化反应过程中带有共性的工程技术原理，为学习生物工程相关科学和技术打下坚实的基础。（2）使学生掌握酶促反应动力学、微生物反应的基本原理和方法，了解质能衡算等的基本原理和方法，建立用理论知识分析和解决生化生产过程实际问题的概念和能力。（3）使学生掌握微生物反应动力学以及发酵过程中物质传递的基本原理，了解生物反应与物质传递以及反应器设计、比拟放大、过程控制与优化等技术原理方法。（4）介绍重组微生物细胞、系统生物学及合成生物学的基本原理，使学生掌握相关领域的基本原理和方法，了解生物工程领域发展前沿及趋势。毕业要求指标点：指标点1.4：能够将专业知识和数学模型用于生化反应过程中动力学建模、工艺优化、工程放大等工程问题的比较与综合。指标点2.2：能够运用专业基础相关原理，识别、表达和分析微生物代谢规律、生化反应关键过程、工艺参数控制、产品分离过程等生物学相关问题，并获得有效结论。

2.2实施多元化教学手段，改变学生被动学习模式

生化工程课程和实际生产联系非常紧密，面对应用性很强的专业知识，仅仅依靠课堂上的多媒体课件展示和口头讲解，很难让学生对所学知识有深切和直观的理解，难以吃透知识点，容易失去学习主动性和积极性。为解决这个问题增强学生的学习兴趣，教学过程中需要运用多种教学方法和各种教学资源[8]。我们尝试利用本校的E-learning平台建立“生化工程”网络课程，充分利用网络课程教学优势，丰富教学素材以配合课堂教学，将课堂与网络、课内外有机结合，使教学方法多元化，激发生学习兴趣提高教学效果。目前结合网络资源，整合各个教师的科研成果，在课堂教学中引入最新的研究进展及研究成果展示，采用课堂教学与慕课相结合的教学模式，运用多媒体将难点以动画或者视频的形式分解为小知识点，或者将工厂的实际操作流程录视频或刻光碟，进而创建一个优异的教学平台。具体教学设计为采用视频预习-课堂教学与讨论-复习与测验-在线讨论与反馈的模式。在重要的教学难点内容展示上，制作通俗易懂的微课，加深学生对重点知识的掌握与理解，在学习理论知识的同时，进一步补充课外知识和动手能力。教学上改变传统的“填鸭式”教学模式，挑选合理的章节和教学内容，组织学生以小团队形式参与教学环节，锻炼学生查阅资料、制作演示文稿、语言组织和表达等能力，并可同时培养学生团队协作和组织能力。

2.3改变传统课堂教学形式，实践与理论相结合

2.3.1整合资源、合理应用

在系统性安排教学内容的基础上，积极吸取他人讲授生化工程课程的成功经验。参照他人的成功经验[6]，设计一堂含微课的50min课堂教学流程，大概包括5个环节：（1）巩固所学知识点，3~5min；（2）微课导入，5~10min；（3）教师提炼知识点精讲，15~20min；（4）师生互动、教师指导，5~10min；（5）效果评价，3~5min。在教师精讲阶段，学习国内外同行优秀制作技巧，结合学校的在线E-learning平台与学生积极互动，比如布置课前预习内容，课后作业，还可以进行线上答疑。该平台可以有效地拉近学生和老师之间的距离，并切实动态掌握学生的学习兴趣方向和掌握程度，以更好地对自身教学中存在问题进行纠正，同时指导学生多利用公共网络资源，比如其他高校生化工程精品资源共享课，MOOC慕课[10]等生化工程相关内容，如江南大学部级精品课程“生化工程”即为非常好的学习典范。通过对其他学校的学习，做到查漏补缺，拓宽学生的知识面，意识到该课程的实用性。适当让学生借助网上图书馆阅读相关文献，把握生物行业的发展动向，提升学生专业能力水平。

2.3.2增多实践，激发兴趣

将课程有关设备的内容从原本的课堂搬到实验室或者工厂中，增强学生的感触，加深理解，激发学生的求知欲。如笔者所在实验室中有多型设备，如上海知楚仪器全自动摇床、山东省科院生物所SBA-40E葡萄糖快速检测仪、上海保兴生物全自动小型发酵罐、Agilent高效液相色谱和气相色谱等设备，可以分别对应于微生物细胞培养、发酵过程参数检测和控制、产物成分检测和分析等理论教学内容，生物反应工艺控制和相关设备理论的讲授与实践相结合，可大幅提升学生的学习兴趣和感观认识，有利于全面系统掌握知识点[8]。另外，利用学院公共实验平台建设的啤酒、白酒、葡萄糖全套工艺生产线，以及乳制品制作等相关实验平台，结合理论教学内容进行指导并让学生完成实际操作，不仅有利于学生深刻了解和掌握生产工艺重点难点，也有利于满足企业对专业应用型人才的需求。在讲授过程中将理论知识和实践应用相结合，列举实际应用案例，加深学生对重点知识点的理解。

2.4改变传统考核方式，增强学生知识运用

在“慕课化”式的开放性教学管理中，形成性考核是一种督促学生主动学习、提高教学效果的有效手段。形成性考核是指对学生学习过程的全面考核，不止单纯的关注学生的期末成绩和学生作业情况，还需重点关注平时学生的学习态度，一个好的学习态度终生受益无穷[11]。传统考核方式为卷面成绩和平时成绩的占比总和。为避免应试现象，考评方式必须有利于培养高素质应用型人才，加强学生综合能力培养。在课程考核上，考试成绩分为平时成绩35%、考试成绩50%和实践成绩15%，强调平时学习重要性以及弱化应试现象。对平时成绩包含的内容也进行了扩展，在原先学生的考勤、课前预习和作业几个部分外，还着重添加了课上互动部分，对完成较好的学生进行鼓励表扬。对于实践成绩部分，利用实验室已有设备，对各个小组布置简单实验操作，对小组成员参与程度及获得成果进行评价。在考试命题上严格实际教考分离，AB卷同时统一命题，且重复率三年内小于30%，着重考核学生对问题的综合分析解决能力。这种考核方式的转变可大幅度的调动学生积极性，小组内的各位同学之间可以相互帮助，相互督促，相互协作，提高了学生的“主人翁”意识和积极性，培养了学生团队合作的能力，具有良好的应用效果。

3结语

通过对于生化工程授课过程中出现的问题及改革的必要性进行剖析，传统教学方式已经较难满足生物高新技术企业对于应用型人才的需求。慕课、微课作为一种新发展的教学模式，将其应用于高校“生化工程”课程建设，可对应用型强的课程进行资源整合，对教师教学和学生学习产生深刻的影响。通过积极发现授课过程中存在的主要问题，对教学内容的梳理，以及慕课化、实践教学模式的引入，结果表明，这种新的模式可激发学生的学习兴趣，提高学生的综合素质，同时提升该课程的教学质量，为今后培养生物专业应用型人才奠基好的基础。

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[11]郭莹,马重阳,余勤,等.生化工程实验考核方法的改革与综合评价体系的探索[J].中国科教创新导刊,2010(8):24-25.

作者:王光路 刘兰茜 迟雷 陶静 马歌丽 杨雪鹏 单位:郑州轻工业大学 食品与生物工程学院