基于“卓越工程師教育培養”能力培養的生物反應工程教學方法改革

朱瑞艷，高大威，張曉宇，劉志偉

摘要：針對生物反應工程課程在工科高校教學過程中存在的問題，開展基于“卓越工程師教育培養”的生物反應工程課程改革，通過探索性實踐教育和引導互動式教學培養學生的工程能力和學習能力，并通過工程設計培養學生團隊協作和溝通能力，使學生具備卓越工程師的工程能力和創新能力，也為該課程的在工科高校的教學提供參考。

關鍵詞：生物反應工程；教學方法改革；探索性實踐教育；引導互動式教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）44-0136-02

“卓越工程師教育培養計劃”是教育部為了貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》啟動的教育改革項目，旨在培養一批創新能力強、適應經濟、社會發展需要的高質量工程技術人才，服務于中國的新型工業化發展及建設創新型國家。美國培養2020年計劃描述了未來工程師應該具備：分析能力、實踐才能、創新意識和創造力、較高的理論道德標準及職業素養、知識更新能力及終身學習能力、良好溝通能力、管理技能和領導才能；此外還需具備對權威工程獨到批判力、自我肯定/否定勇氣、工程環境和諧的意識等特質，具備上了上述特質的工程師才能稱得上真正的卓越工程師。新中國建立以來我國的高等教育曾培養出一大批優秀的工程師人才，但是20世紀末高校擴招以來高等中工程教育弱化趨勢顯著，嚴重影響了工程型應用人才的培養質量。卓越工程師培養計劃的啟動體現了我國對工程教育的理性回歸，教育部已于2011年開始批準部分高校建設“卓越工程師教育培養計劃”學科，將為促進我國高等教育面向社會需求的人才提升工程型人才培養質量起到示范帶動作用。

燕山大學生物化工專業于2011年成為教育部實施卓越工程師培養計劃的試點專業之一。為實現卓越工程師的培養目標，燕山大學生物工程系對生物化工專業的現有課程體系進行了相應的調整、改革和優化，旨在培養生物工程領域從事發酵、分離、工程設計等工作的高素質應用型工程師。

《生物反應工程》是生物化工專業的一門重要的專業學位課，是一門以生物學、工程學、信息技術等多學科為基礎的交叉學科，是利用自然科學的原理解釋和處理生物反應過程共性的工程技術問題的學科。生物反應工程強調工程觀點、定量運算、實驗技能、設計能力和理論聯系實際的能力，從而培養學生分析問題和解決問題的能力。由于生物反應工程課以高等數學、化工原理、物理化學和發酵工程等學科為基礎，尤其對高等數學的基礎要求較高[1]，學生普遍感到此課程晦澀難懂同時不能正確理解生物反應工程原理在工程化過程中如何應用，換言之學生在接受工程化概念時普遍存在障礙，在教與學的過程中體現為學生只關注和記憶動力學建立過程的公式推導或上千參數的物理意義，談起理論知之甚多、具體問題束手無策；久之導致學生失去學習生物反應工程的興趣，嚴重影響了生物反應工程的教學效果和卓越工程師的素質和能力培養過程。因此，如何在實際教學過程中激發學生的學習興趣，幫助學生建立起工程化觀點、使深入體會生物反應工程理論在解決實際問題中的重要性，生物反應工程課程教與學的方法顯得尤為重要。為此，生物反應工程教學團隊從生物反應工程課程教學大綱、教學內容設置、教學手段方法及課程考核評價體系進行改革。這里重點討論基于卓越工程師培養計劃的能力培養的課程教學方法改革。

一、基于“探索性實踐教育”的實踐能力培養

實踐能力是工程師必需具備的首要特質，在高等教育過程中必須改變只注重理論知識傳授而忽視實踐教育的現象，因此必須改革只注重傳授基本理論的傳統教學模式。燕山大學生物反應工程課程教學團隊借助自身的科研平臺進行探索性實踐教育，將科研成果融入到教學中，使課堂教學更具有科學性、探索性和實踐性。如在學習到米氏方程動力學建立的章節時，把課題組教師正在進行的科研項目固定化脂肪酶催化油脂水解的相關研究結合到課程中，使學生了解酶固定化及脂肪酶應用的進展動態；開展關于脂肪酶催化多種油脂的水解試驗，此試驗為非驗證性試驗，在具體操作過程中由學生自行設計試驗方案，經過授課教師修訂之后開展試驗并根據試驗結果建立反應速率—底物濃度、反應速率—酶濃度及反應條件影響下的脂肪酶酶促動力學方程并計算得到脂肪酶催化油脂水解的米氏常數Km和最大反應速率rmax；并結合工程實訓引導學生思索非驗證性試驗結果工程化。非驗證性試驗促使學生經歷探索的過程更深層次低領會、掌握學科內容同時也避免了大學實驗存在的抄襲現象。當學生在探索性的試驗過程遇到問題時，要求學生通過查閱各種資料或咨詢等渠道首先進行不確定因素推理和假設并重新設計試驗方案，與授課教師溝通后進一步試驗驗證假設。生物反應工程課程探索性實踐教育的開展，使生物反應工程課程抽象的工程理論具體化、感性化，使學生在掌握一定理論知識、職業技能的同時，得到了分析問題提解決問題能力的培養，并能夠更深層次地理解生物反應工程理論知識在工程領域中如何應用。

二、基于“引導互動式教學”的學習能力和知識更新能力培養

在知識爆炸的時代，據預測工程師知識的半衰期僅為5—6年，要求工程師不僅要具備駕馭現代功能的能力，還要有引領未來工程發展的潛質，因此引導并培養學生自主學習及知識更新的能力對卓越工程師的培養尤為重要。生物反應工程授課過程中采取問題引導式教學方式，即生物反應工程理論知識授課前要求學生在學習過程中設計一份產品生產工程化設計說明書，并為學生提供一份真實企業產品生產工程化設計可行性報告作為參考，讓學生自行選定設計題目范圍，并進行工程化設計，設計過程包括工藝設計計算、設備計算及選型、工程放大等內容，讓學生在生物反應工程學習過程中始終帶著問題去學習，激發學生學習興趣和積極性，從而產生一種探求知識的渴望。為完成工程化設計的課程內容，學生必須大量的閱讀與設計相關的技術資料及專業發展動態，就生物反應工程課程而言，引導式教學方式引導學生超越教材理論去學習生物反應工程學科的學術成就，促使學生進入到更復雜深刻的學科學習中去，能夠探討學科領域內的問題；引導式教育的實施使學生跳出了只鉆研具體公式數字符號的“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的學習怪圈，而是學會站在宏觀的工程化應用的角度俯視生物反應學科涉及的具體內容。此外，在教學過程中利用信息技術手段創立了師生互動的新平臺，充分發揮網絡技術的交流反饋優勢，作為課堂互動教學的必要補充形式?；邮浇虒W效果也在其他教學單位的生物反應工程教學中得到體現[2，3]。

從卓越工程師培養角度而言，引導式教學避免了“填鴨式”或“灌輸式”的教育方式，讓學生超越教材并留給學生更多的思維空間，也避免了高等教育中教師在講臺上自我表演，學生在臺下充當聽眾的單向信息流動模式，可引導并鍛煉學生主動學習和獨立思考的能力，逐漸具備儲備知識和更新知識的能力以不斷地提升自身的理論素養，既幫助學生鞏固所學知識并加以實際應用。

三、基于“工程設計”基礎的團隊協作和溝通能力培養

引導式教學以工程化設計為載體，工程化設計采取團隊型設計方式，每個團隊6—8人，團隊內成員協作完成某一種特定生物制品的生產工藝工程化設計說明書、匯報PPT；要求團隊中每個隊員都必須對工程化設計有貢獻，并由團隊成員選舉團隊組長實施工程設計的統籌和管理。團隊型工程設計，可鍛煉學生團隊協作精神、溝通能力、寫作能力及自我角色的認知能力，同時個人對集體的貢獻能夠喚醒學生的自我意識促進自信心。設計完成后安排2學時的設計匯報，匯報時間嚴格控制在9—10分鐘，鍛煉學生對時間的管控及語言表達能力；答辯結束后由授課教師組織交流研討，通過總結設計過程中閱讀的海量材料，促使教學迸發出思想交流的火花，激發師生的學術靈感。

參考文獻：

[1]曹飛，張進明，朱建良，等.本科生物反應工程課程考試方式的改革與實踐.化工高等教育，2011（4）：36-38，92.

[2]王蒞，辛峰，徐艷.互動式教學在本科生反應工程教學中的實踐.化工高等教育，2005（4）：64-66.

[3]靳挺，尚龍安，胡升，武玉學.生物反應工程課程教學改革思路.現代化農業科技，2014（5）：343.endprint