學科競賽與實驗中心教改深度融合的探索

呂海霞，張麗靖，張艷輝，楊志杰，尚龍安

(浙江大學寧波理工學院 生物與化學工程實驗教學中心， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

浙江省為加快調(diào)整高等教育結(jié)構(gòu)，2016年省內(nèi)10所高校入圍省應用型高校建設試點單位。結(jié)合國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略推進的新形勢下地方經(jīng)濟和社會發(fā)展對生物與化學工程相關(guān)專業(yè)人才的需求，緊密圍繞培養(yǎng)“應用型、復合型、外向型”創(chuàng)新人才的目標，省級重點實驗教學示范中心生物與化學工程實驗教學中心(以下簡稱“中心”)，以內(nèi)涵發(fā)展為動力，以提高學生實踐創(chuàng)新能力為核心，積極提升實踐育人工作。學科競賽是培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力、促進大學生全面發(fā)展的有效載體，已經(jīng)成為實踐教學的重要組成部分，受到越來越多高校的重視[1]。本文以學科競賽為導向，探索實踐學科競賽與實驗教學的深度融合，推動學科競賽和實驗教改發(fā)展的同時提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 中心大學生學科競賽現(xiàn)狀及其分析

中心指導學生每年參加全國大學生化工設計競賽、大學生制藥工程設計競賽、大學生化工實驗大賽和浙江省大學生化學學科競賽、大學生生命科學競賽、大學生新材料創(chuàng)新設計大賽，這些競賽都是在全國或省內(nèi)高校中有較好基礎和較大影響力的綜合性學科競賽，代表學科發(fā)展的前沿。競賽題目一般聯(lián)系生活實際或產(chǎn)業(yè)行業(yè)熱點，限定范圍設計一種典型產(chǎn)品及其生產(chǎn)車間或工廠或者在給定范圍開展自主探索研究。

隨著參賽師生人數(shù)逐年增加，在不斷取得成績的同時，也陸續(xù)出現(xiàn)一些實踐教學中存在的問題。① 以上學科競賽有許多共性，與專業(yè)教學緊密相關(guān)，與人才培養(yǎng)質(zhì)量密不可分，目前各自為陣，沒有充分利用中心的優(yōu)質(zhì)教學資源，不利于學科競賽長遠發(fā)展。② 實驗教學內(nèi)容單一陳舊，缺乏綜合探究型實驗，與學科競賽相比系統(tǒng)性和難度都不夠。③ 傳統(tǒng)的實驗教學方式不能激發(fā)學生的主動性，致使實驗教學效果大打折扣，學生的能力與競賽要求差距太大。④ 目前各個學科競賽主要吸納部分優(yōu)秀學生參與，受益面有限。

2 學科競賽與中心實驗教學的關(guān)系

實驗教學示范中心的建設是提升高等教育質(zhì)量、提高大學生實踐創(chuàng)新能力的一項重要舉措。學科競賽是一種以學生為主，促進學生全面發(fā)展的深受學生喜愛的綜合性教學活動。學科競賽不僅鍛煉學生的實踐動手能力，提高分析問題、解決問題的能力，鞏固理論課程的學習；而且啟發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和思維，鍛煉創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)團隊合作精神、人文精神和科研能力，為學生后續(xù)發(fā)展打下良好的基礎[2]。

中心現(xiàn)有參與的學科競賽全國大學生化工實驗大賽、浙江省化學學科競賽主要側(cè)重所有專業(yè)的專業(yè)基礎課程化學和過程工程原理；全國大學生化工設計競賽、全國大學生制藥工程設計競賽、浙江省大學生生命科學競賽和浙江省大學生新材料創(chuàng)新設計大賽分別側(cè)重化學工程與工藝、制藥工程、生物工程和高分子材料工程專業(yè)。這些學科競賽都是與專業(yè)教學直接相關(guān)、基于專業(yè)學科知識而展開的應用性、研究性、創(chuàng)新性教學活動，與專業(yè)實驗課程的教學任務一致。競賽要求學生具備文獻調(diào)研、實驗設計、實驗操作、工程設計、撰寫報告及答辯等綜合素質(zhì)，并與學校培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才的目標完全一致。

由此可見，學科競賽與實驗教學二者相互支持，應將學科競賽與實驗教改深度融合，調(diào)動中心實驗課程組的合力來共同建設[3]。中心與生物工程、制藥工程、高分子材料與工程、化學工程與工藝4個專業(yè)的建設緊密結(jié)合，堅持實踐教學與科研結(jié)合、實踐教學與工程應用結(jié)合、實踐教學與產(chǎn)業(yè)需求結(jié)合，已經(jīng)建成“教—學—研”一體化、“產(chǎn)—學—研”系統(tǒng)化的以學生能力培養(yǎng)為核心的“四個化工專業(yè)、三個拓展結(jié)合、八大實驗模塊、三個培養(yǎng)層次”的創(chuàng)新實踐實驗教學體系和“內(nèi)接專業(yè)、外接產(chǎn)業(yè)”的校企深度融合的實踐教學模式[4]。在此基礎上，將學科競賽群與實驗中心的建設目標和建設內(nèi)容結(jié)合，通過切實有效的實驗教學改革，更好地發(fā)揮學科競賽對教學的引領(lǐng)促進作用，強化實踐教學，提高競賽水平的同時提升實驗教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量(見圖1)。

圖1 學科競賽與實驗教學融合

3 具體措施

基于學科競賽發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合人才培養(yǎng)目標，積極發(fā)揮學科競賽對實踐教學的引領(lǐng)和促進作用[5]。理順各個學科競賽與教學的關(guān)系，分析學科競賽之間的橫向關(guān)系，相互借鑒、共享優(yōu)質(zhì)資源。依據(jù)學科競賽適當調(diào)整教學培養(yǎng)計劃，將學科競賽部分內(nèi)容納入教學，通過學科競賽切實轉(zhuǎn)變實驗教學理念，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，創(chuàng)新實驗教學方式，完善實驗教學體系。促使學科競賽與實驗教學深度融合，強化大學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6]。

3.1 推行原料到產(chǎn)品全過程實驗教學

競賽題目一般會限定產(chǎn)品或原料。比如2017年全國大學生化工設計競賽和全國大學生制藥工程設計競賽題目分別是“為含硫工業(yè)廢氣源設計一套深度脫硫裝置”和“阿奇霉素精烘包及制劑車間設計”。所以學生要熟悉產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域從原料到產(chǎn)品的整個流程。傳統(tǒng)的專業(yè)實驗項目學生“照方抓藥”只做整個流程中關(guān)鍵一步或兩步，學生的實踐機會太少。所以應該融合競賽模式，以“產(chǎn)品”為導向優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，推行原料到產(chǎn)品全過程的實驗教學[7]。

依據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點和課程實際，精選合適的“產(chǎn)品”，老師設定或?qū)W生選定的圍繞該“產(chǎn)品”的實驗內(nèi)容要體現(xiàn)各專業(yè)教學的整體性和系統(tǒng)性，盡量涵蓋本專業(yè)核心課程的知識要點，突出課程之間的關(guān)聯(lián)性。實驗項目來源于經(jīng)典實驗的挖掘拓展或引入教師科研成果。保證實驗內(nèi)容的綜合設計性，并具有合理性和可行性。

比如制藥工程專業(yè)實驗整合優(yōu)化原有的實驗項目，選擇合成經(jīng)典的藥物阿司匹林和提純天然化合物白藜蘆醇對學生進行系統(tǒng)訓練，讓學生在建立制藥學科整體知識體系的基礎上了解新藥研發(fā)全過程。

3.2 實施CDIO實驗教學模式

浙江省大學生生命科學競賽要求學生圍繞生命科學相關(guān)領(lǐng)域的任何科學問題，開展自主性設計實驗或野外調(diào)查工作，讓學生了解生命科學的發(fā)展，尋找解決生命科學問題的有效方法以及防控措施。旨在培養(yǎng)大學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的獨立科研能力。傳統(tǒng)的實驗教學方式完全不適應這種實驗任務。

優(yōu)化后的實驗項目綜合了本科階段的學習內(nèi)容，都是1級CDIO項目，相當于一個科研探究過程。教師應該按照CDIO工程項目的實施來組織設計“學生為主，教師為輔”的實驗教學過程。將選定的“產(chǎn)品”實驗項目合理設計，完整地開展構(gòu)思、設計、實現(xiàn)、運作過程，使實驗教學內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，每個實驗項目對應相關(guān)專業(yè)核心課程的知識單元及知識點，要學生明確“實驗目的”，老師明確“能力培養(yǎng)目標”。各個實驗項目之間既相互獨立又相互銜接，全部實驗項目組合在一起形成一個完整的從原料到產(chǎn)品的開發(fā)過程[8]。教師系統(tǒng)地指導學生完成從開題檢索、實驗準備、實驗全程到結(jié)題答辯的整個學習探究過程，學生通過完成相關(guān)產(chǎn)品的全過程，既強化基礎知識和專業(yè)理論的“學”，又強化實驗實踐和訓練的“習”，確保循序漸進地提高不同層次的能力。尤其在項目實施階段前的方案構(gòu)思和方案設計階段更需要師生共同討論、反復論證，確保方案的合理可行。實施階段遇到問題、發(fā)現(xiàn)問題，也要及時指導，鼓勵學生堅持完成。最后，教師規(guī)范學生運作階段的實驗報告撰寫及結(jié)題答辯，不斷提升專業(yè)實驗課程教學效果。

生物工程專業(yè)實驗以培養(yǎng)生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域從事設計、生產(chǎn)、管理和新技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)工作的、具有團隊合作精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和高度社會責任感的高素質(zhì)應用型生物工程人才為目標，開設的生物制藥(吉他霉素的生物合成及產(chǎn)品分離純化)、生物制造(甲酸脫氫酶的制備)兩個綜合設計性大實驗，通過2013、2014級生物工程專業(yè)學生逐步實施CDIO實驗教學模式。學生學習“生物產(chǎn)品”從菌種活化、工程菌構(gòu)建、發(fā)酵培養(yǎng)到產(chǎn)品的分離提取檢測，實驗過程涉及多門專業(yè)課程的技術(shù)手段，各個技術(shù)環(huán)節(jié)均自己動手完成，提升了學生綜合實踐能力和科研創(chuàng)新能力。繼而培養(yǎng)學生掌握生物產(chǎn)品的生產(chǎn)制備全過程，使學生受到專業(yè)實踐的系統(tǒng)訓練，接觸該領(lǐng)域的研究熱點，讓學生在平時的實驗課中就受到競賽要求的訓練。CDIO教學方式極大地激活了學生的自主能動性和潛力，帶動整個實踐教學的CDIO模式探索。

3.3 突出系統(tǒng)的工程訓練

全國大學生化工設計競賽、制藥工程設計競賽和浙江省大學生新材料創(chuàng)新設計大賽都要求做工程設計，包括設備、工段、工廠等設計，相應要提供工藝流程圖、設備設計圖、廠區(qū)布置等圖紙，對學生的工程思維、工程設計和工程系統(tǒng)能力是一次全面的檢驗和挑戰(zhàn)[9]。這就需要統(tǒng)籌調(diào)整各專業(yè)教學規(guī)劃，在教學計劃中盡早、盡量多安排學生開始系統(tǒng)工程訓練。

全國大學生化工實驗大賽還有化工單元仿真操作環(huán)節(jié)。為了讓學生對工廠實際操作有直觀了解和感受，中心將相應的仿真軟件操作納入化工原理實驗課程。原有的機械制圖課程不適應學科競賽的要求，需要增加AutoCAD、3D模型的培訓。化工專業(yè)開設“化工軟件及應用”課程，專門讓學生學習Aspen模擬軟件等，鼓勵其他專業(yè)學生選修；在化工設計、反應工程等課程增加相關(guān)的工程訓練，如增加設計的大作業(yè)；其他相關(guān)課程增加化工經(jīng)濟分析的大作業(yè)、安全環(huán)保設計的大作業(yè)等。

現(xiàn)有4個專業(yè)有明顯的交叉性，中心協(xié)同各專業(yè)，通過教改進行系統(tǒng)的工程訓練，強化工程應用型人才的培養(yǎng)[10]。

3.4 重視實驗報告及答辯

學科競賽基本采用提交作品加現(xiàn)場答辯的開放式形式[11]，再好的競賽作品也必須通過文檔介紹和口頭表達展示出來。要求學生具備分析處理實驗數(shù)據(jù)、科學規(guī)范撰寫報告、文檔整理、PPT制作演示及項目答辯的綜合能力與素質(zhì)。對學生的團體精神、責任意識、抗壓能力、表達及自信都是考驗[12]。尤其是現(xiàn)場答辯的時間有限，非常考驗參賽學生的口頭表達和應變能力。

中心借鑒競賽模式，相應改革實驗教學考核方式，重視實驗報告及答辯。規(guī)范實驗報告撰寫，要求以學術(shù)論文的形式提交，開題綜述、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗現(xiàn)象分析、實驗結(jié)果討論都是考核的內(nèi)容。再通過開題報告答辯、實驗報告答辯強化學生的PPT制作及匯報表達能力，促進學生全面發(fā)展及課程考核的合理化。目前已經(jīng)在生物工程專業(yè)實驗課程中采取這種模式，爭取逐步推廣到其他實驗課程。

4 建設成效

(1) 學生綜合素質(zhì)增強。通過參賽不斷提高了學生實踐創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)顯著提高，提升了中心應用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量[13]。學生在各類學科競賽中獲獎90多項，其中國家一等獎1項、二等獎8項、三等獎3項，優(yōu)勝獎1項；華東賽區(qū)特等獎1項、一等獎4項、二等獎6項、三等獎3項；省級一等獎3項、二等獎18項、三等獎16項。學生課外科技活動參與踴躍，近5年國家挑戰(zhàn)杯入圍6項[14]；在校學生發(fā)表科研論文31篇；申報專利12項；學生就業(yè)競爭力增強。

(2) 提升了中心的教學質(zhì)量。將競賽模式向?qū)W生實驗教學內(nèi)容和方式滲透，推動第二課堂和第一課堂的教學改革，優(yōu)化、創(chuàng)新實驗教學內(nèi)容和方式，完善實驗實踐教學體系，受益面擴大到全體學生[15]。“基于實際創(chuàng)新能力培養(yǎng)的生物與化學工程實驗教學示范中心建設”獲2016年學校教學成果一等獎。

(3) 進一步凝練并提升中心的特色建設。學科競賽的任務要求與中心的“產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)”為主線的教學特色完全一致，強化中心特色的培育，提升了中心的示范輻射效應。隨著學科競賽與實驗教改融合的推進，中心在教學理念、實踐教學、特色培養(yǎng)等方面得到升華，凝練了創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的新思路，實現(xiàn)新的跨越式發(fā)展。2017年“應用型大學國家級生物與化學工程實驗教學示范中心建設”項目做為學校的標志性教學成果成為我校國家級實驗教學示范中心培育項目。

5 結(jié) 語

通過浙江省應用型高校建設和學科競賽與實驗教學深度融合的探索實踐表明，提高了學科競賽群整體參賽水平，增強了學生的實踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，促進了實驗教學改革，提升了實驗教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，凝練了中心的建設特色，繼而推動學科競賽和實驗教改的可持續(xù)發(fā)展。學科競賽與實驗教改同步發(fā)展的良性循環(huán)，也為我校實現(xiàn)“十三五”建設區(qū)域特色的高水平應用型大學做了有效的探索實踐。