基于實踐創新能力培養的生物工程綜合實驗教學改革研究

張曉娟，張辰露，陳琛，張濤，王令，陳銳

基于實踐創新能力培養的生物工程綜合實驗教學改革研究

張曉娟，張辰露，陳琛，張濤，王令，陳銳

（陜西理工大學 生物學院，陜西 漢中 723001）

以培養具有工程應用能力和創新設計能力的生物工程專業人才為目標．針對陜西理工大學生物工程綜合實驗問題，從教學內容、教學模式、考核體系等方面進行改革和實踐．通過產教研結合，設立自選課題，采取翻轉課堂，開放性實驗教學方式等措施，提高學生的創新及實踐能力，全面培養學生綜合素質及能力．實驗教學改革取得了良好的效果，可為其他院校相關專業的改革提供參考和借鑒．

生物工程綜合實驗；實踐創新；翻轉課堂；開放性實驗教學

生物產業作為國家戰略性新興產業，是支撐我國經濟增長的新支點．生物工程是集細胞工程、基因工程、發酵工程、生物分離工程等多門技術于一體的實踐應用性非常強的生物類綜合性學科，是將生命科學領域研究成果轉化為實際生產力的重要環節．目前，生物工程產業發展迅速，迫切需要大批掌握扎實專業理論及技能，具備創新及實踐能力的復合應用型人才．然而生物工程專業學生就業率普遍較低，造成專業人才急缺和學生就業難的情況同時存在，說明現有的人才培養方案已不能適應生物工程產業的快速發展及行業競爭的不斷加劇．因此，改革現有的人才培養方案，將創新實踐型人才培養作為人才培養核心目標刻不容緩．生物工程綜合實驗是生物工程專業的一門重要的綜合性實驗課程，是生物工程專業學生實踐操作能力及綜合素質培養的重要實踐環節[1]．

陜西理工大學生物工程專業于2000年開設，該專業依托于地方產業發展和區域經濟特色，以秦巴地區天然藥物開發和功能基因及其表達產物研究開發為主．生物工程綜合實驗是培養學生綜合運用專業知識解決實際生產問題的重要環節．針對我校綜合實驗教學中存在的問題，結合辦學特色，圍繞專業人才培養目標，對綜合實驗進行了一系列改革與實踐，通過調整教學內容，優化教學方式，形成了具有區域特色的、包含系統的生物工程上游、中游、下游技術的開放性生物技術綜合實驗．

1　存在的問題

陜西理工大學生物工程專業相對于國內其他兄弟院校，背景及基礎較為薄弱．生物工程綜合實驗在教學內容、教學模式及考核方式等方面存在不足．實驗內容獨立、分散，缺少有機聯系，不利于學生形成系統、完整的知識體系．實驗項目簡單、陳舊，創新性、設計性不足，不能反映生物工程產業發展的最新動態及研究熱點，不利于學生創新思維及開拓精神的培養．此外，實驗與實際生產結合不夠緊密，缺乏工程理念，不利于學生工程意識和思維的培養．

教學采取以教師為主導的“灌輸式”教學方式，即先由教師集中講解、演示，再由學生自己操作．教學中，一些學生無法全方位觀察教師的示范操作，導致錯誤操作頻發，影響了學生參與實驗的積極性，常出現“一人做，多人看”的圍觀現象．另外，課堂主要由教師講解示范，學生的實際操作時間及師生互動交流時間有限，學生遇到問題沒有時間思考及更正，最后不了了之，導致一些學生，特別是學習成績較差、動手能力較弱的學生跟不上進度，不能完全理解、掌握實驗技能．同時，不利于學生創新性思維和實踐動手能力的培養[2]．實驗考核體系主要以實驗報告為主，過程操作被忽視，不能真實反映學生的知識掌握及應用能力．

2　改革生物工程綜合實驗，提高學生工程實踐及創新能力

陜西理工大學以培養學生工程實踐能力和創新能力為理念，結合行業發展趨勢及學校生物工程專業優勢、特色，以就業為導向，以產教研融合發展為主線，對生物工程綜合實驗內容進行改革及實踐，建立了集綜合性、實踐性、創新性、開放性于一體的綜合實驗課程體系[3]，旨在提高學生綜合分析及處理實際問題的能力，為學生今后從事相關專業生產及研究工作奠定基礎[4]．

2.1　改革綜合實驗內容

2.1.1建立高度綜合系統的實驗教學內容生物工程綜合實驗內容應符合學科交叉發展趨勢，打破課程之間的界限，將獨立、分散的實驗內容整合成圍繞產品生產，包含上游基因工程，中游發酵工程及下游分離純化工程技術的綜合實驗體系，使學生熟悉產品生產的整個流程，能夠綜合應用所學專業知識分析解決實際問題[5]．

2.1.2實驗內容與生產實際密切結合生物工程產業對人才工程素質和實踐應用能力具有很高的要求．因此，生物工程綜合實驗改革應緊跟產業及技術發展，密切結合企業生產實際，培養學生的工程意識、實踐動手能力及分析解決實際問題的能力，促使學生畢業后能快速服務于生產一線，提高學生就業率．如結合學校所在的秦巴地區企業生產實際，開設了薯蕷皂甙元的提取純化與檢測實驗項目，旨在使學生熟悉包括原材料處理、發酵、提取純化及產品純度檢測的整個天然產物生產工藝，為學生今后從事生物工程行業實際生產積累經驗．

2.1.3科研融入教學，設立團隊開展的自行設計實驗我國生物工程產業發展突飛猛進，不斷有新技術的突破并轉化為實際生產力，因此要求專業人才具備良好的研究創新能力以及自主學習能力，能夠不斷地進行自我提升．實驗教學是培養學生創新意識的重要途徑[6-7]．因此，生物工程綜合實驗改革應采取教研結合方式，及時將最新的技術融入教學，不斷更新及優化實驗項目．

（1）將實驗內容與教師的科研項目結合，增加實驗的研究創新性．讓學生更多地接觸前沿性的實驗技術與手段，培養學生的科研思維和意識，提高學生的創新能力．如依托專業教師的最新科研成果，設立了蒲公英多糖的提取及初步純化中試實驗項目．借助學院薯蕷皂素研究團隊課題，設置了薯蕷皂甙元的提取、分離、純化及檢測項目．在基因克隆表達及蛋白純化項目中，增加了生物信息學分析環節，讓學生學習常用的科研分析方法，適應大數據時代多學科融合發展的科研趨勢．主要內容包括：利用Primer5 軟件進行引物設計，利用NCBI進行基因序列比對，利用DNAstar軟件預測分析序列的開放閱讀框，翻譯基因序列，利用ExPASy軟件預測分析編碼蛋白質的理化性質，利用MEGA5構建系統進化樹等．

（2）開設自行設計的創新設計性實驗，給學生提供更大的思維空間，充分發揮每名學生的潛力．實行項目研究式教學，設立了以團隊形式開展的自行設計和創新設計性實驗，由團隊教師負責結合實際生產及研究中的熱點設計若干專題，學生自行組隊，查閱文獻，自主規劃設計實驗方案、實施操作過程．通過交流合作及時解決實驗中的問題．團隊開展的自行設計實驗為學生提供更多的選擇，滿足不同個體的需求和發展，有助于提高學生研究創新、組織實施及團隊合作能力[8]．

研究專題設置除了應注重研究探索性，還需具備可行性，在現有的實驗條件、時間下，學生通過研究探索可以得到結果，從而起到調動學生積極性的作用．如設置了茶多酚提取、純化及含量測定項目．要求學生采用不同的提取方法（如水浴提取、超聲提取、微波提取等）及不同的純化方法分離純化茶多酚，通過比較得到最優的工藝條件．由學生自己查閱資料制定實驗方案、流程、設定參數，從而使學生認識到產品生產中工藝優化及參數控制的重要性．

生物工程綜合實驗根據學校生物工程專業的主要特點，以產品生產為主線，融合基因工程、生化工程、發酵工程、蛋白質工程等專業理論和操作技能，主要包括以生產蛋白質類大分子為主的生物工程綜合實驗I及以藥物小分子生產為主的生物工程綜合實驗II．綜合實驗I將上游基因工程，中游發酵及下游分離純化技術結合，主要包括目的基因克隆、重組質粒轉化及陽性克隆鑒定、重組菌的擴大培養、目的蛋白的誘導表達、發酵液的初步處理、目的蛋白的精細分離純化及檢測等內容．采取GFP為純化目標，可以通過紫外直接觀察，使學生在有限的時間內完成整個蛋白純化流程．綜合實驗II主要是讓學生對生物類產品生產過程有全面系統的認識．主要實驗內容見表1．

表1　生物工程綜合實驗主要實驗項目、方法、內容

2.2　改革綜合實驗教學運行方式

2.2.1利用翻轉課堂教學方式網絡媒體的飛速發展，為實驗教學帶來新的機遇，利用最新網絡信息技術優化實驗教學方式成為實驗教學改革新趨勢．翻轉課堂是一種以學生為中心和主體的、自主式的學習方式．翻轉課堂教學由教師在課前先將要求學生掌握的理論知識及技能錄成教學視頻，發布給學生．學生通過自主觀看教學視頻、討論交流等方式掌握理論及操作技能．對于綜合大實驗中的基因工程實驗部分，采取的翻轉課堂具體運行方式為：（1）由教師通過線上教學的方式提供基因克隆、載體構建、蛋白表達純化相關技術的原理及操作方法等視頻，提出實驗目的和要求．（2）學生通過查閱資料，設計具體的實驗方案和操作流程．（3）教師與學生一起討論，對方案進行審查、修改，完成后進入實驗操作階段．翻轉課堂教學模式通過多媒體生動形象地將教學資源傳遞給學生，從而促進了學生對知識的充分理解，促使學生在課前產生自己的想法，帶著問題進行實驗研究，最終掌握正確的理論和技能．這種問題引導式的學習方式更符合學習知識的一般規律．（4）翻轉課堂充分考慮到學生之間的差異，采用教學視頻替代教師講課，每個學生可根據自身學習狀況，自行設定學習時間、內容、進度，自主學習．（5）通過翻轉課堂，學生可以方便地與教師在線交流，提升學習效果．因此，翻轉課堂激發了學生自主學習的熱情，提高了學生的理解能力及分析思維能力[9]．

2.2.2實行開放性實驗教學方式生物工程綜合實驗安排在第７學期，學生實習和實踐環節較多，同時面臨考研、就業等問題，實驗時間較難統一，因此采取開放性實驗的教學方式．從時間及場所兩方面實施開放，學生自行組隊，制定實驗方案及具體的實施方法，根據需要選擇合適的時間段進入實驗室開展實驗操作．開放性實驗教學模式為以學生為中心的教學理念提供了切實可行的操作形式．該教學模式強調學生的獨立自主性，由學生自己安排時間，自主完成實驗準備、試劑配制、實驗操作以及分析總結整個實驗過程，為學生的自主發展提供了良好的氛圍，同時提高了儀器設備利用率．生物工程綜合實驗中，以學生為主體的開放性實驗共24學時，占總實驗學時的38.5%．開放實驗教學中也存在一些問題，如加重了教師的工作量以及實驗室管理負荷．對此，從研究生中挑選若干責任心強、操作技能好、具有一定協調管理能力的學生，通過培訓，讓其參與實驗教學，協助教師指導本科生以及管理實驗室，并將此列入研究生培養環節，記以相應學分．該措施自實施以來，有效緩解了開放性實驗教學帶來的教師授課及實驗室安全管理壓力．同時，提高了研究生的管理及交流能力．

2.3　加強校企合作，建立高素質“雙師型”師資隊伍

校企結合，將實驗課程內容與生產實踐緊密結合，是培養學生將專業知識轉化為實踐應用能力，提高學生綜合素質的有效途徑．與一般實驗課程相比，生物工程專業綜合實驗涉及更多的生產實踐知識，要求教師具備較高的綜合業務能力及工程實踐能力．同時，網絡媒體時代下的實驗教學既需要經驗豐富的老教師，又需要掌握新技術的青年教師，因此應將引進與培養結合，通過老教師“傳、幫、帶”，建立一支具有工程背景、專業技術扎實、結構合理的高素質教師隊伍，將最新的行業技術理念及時應用于實驗教學．學校生物工程專業教師共24名，其中教授7人，副教授11人，博士21人，45歲以下教師20人（均具有博士學位）．

2.4　考核體系

以往的實驗考核體系忽視了對學生實驗過程的跟蹤考核，導致有些學生在實驗中思想懈怠，不動手、不操作，實驗報告照抄照搬．因此，應制定新的評分標準，對學生文獻查閱、實驗前準備工作、操作動手能力、分析解決問題能力、合作交流能力等進行全面考核和評價．將實驗成績分為平時成績和考查成績，平時成績突出對學生實驗操作過程的評價，包括出勤率、操作規范性、課堂交流及回答問題情況．考查成績由實驗考試成績、實驗報告成績、匯報成績組成．實驗考試一般隨堂進行，主要考核學生對基本知識原理、基本實驗操作、儀器使用方法的掌握情況．實驗報告要求包含文獻綜述、實驗技術路線圖、實驗原始記錄、數據分析和處理、結果分析及討論、對實驗成敗原因及實驗過程中一些現象的分析．實驗匯報以小組為單位對實驗過程及結果進行PPT匯報，交流實驗心得體會及收獲．要求學生提出實驗工藝優化方案或其它實驗問題的解決方案．匯報成績采取多方評價，包括教師評價、小組自評和學生互評，旨在讓學生加深對實驗的理解和認識，提高匯報交流能力．

3　生物工程綜合實驗教學改革實施效果

3.1　提高了學生的學習興趣和積極性

隨著學校生物工程綜合實驗改革的不斷進行，產教研結合、翻轉課堂、開放性教學等措施的實施，學生的學習積極、主動性大為提高．調查顯示，學生對實驗課程改革反映良好．

3.2　提高了動手能力和解決實際問題的能力

綜合實驗注重過程考核及結果分析，要求每名學生獨立完成資料檢索、實驗設計、實驗準備、實施、數據采集、處理及分析、實驗報告撰寫的過程．培養了學生綜合分析信息及多途徑解決問題的能力，為今后解決生物產品制造與技術服務復雜問題奠定了良好的基礎．如在轉化實驗中，有的學生采取CaCl2法，有的學生采取電擊轉化．在分離過程中，有的學生選擇離心洗滌，有的選擇抽濾洗滌．在溶劑回收中，有的選擇旋轉蒸發儀，有的選擇索式提取儀．學生的觀察、分析問題、實踐動手能力明顯提高，綜合能力及素質普遍提升．

3.3　提高了學生科研素質和創新精神

綜合實驗實行教研融合，使學生充分認識到科學研究的主動性、探索性與創造性，提高了學生的學習興趣及積極性，使學生個人能力得到充分發揮及施展，培養了學生不斷探索、堅持不懈的科研精神．同時，綜合實驗內容復雜，需要多人合作，培養了學生科研合作意識[10]．

生物工程綜合實驗改革以來，學生科研能力和創新精神顯著提高．學生主持的國家級或省級大學生創新創業項目共41項，參與發表論文29篇，其中SCI論文2篇，權威論文1篇，核心論文8篇，申報專利7項，為今后從事產品研發等研究打下良好的基礎．

3.4　學生考研率和就業率顯著提升

對生物工程專業的就業和考研結果數據分析發現，學生就業質量和考研效果顯著提升．2019屆生物工程專業學生就業率為98.53%，考研報考率為80.58%，考研錄取率為33.81%．

4　結語

我國生物工程產業正處于不斷變化、迅速發展的階段，對專業人才的實踐操作技能及創新能力要求不斷提高．因此，改革現有的實驗教學體系是培養生物工程專業人才的重要途徑．陜西理工大學生物工程專業綜合實驗教學經過幾年的探索和實踐，取得了較好的效果．學生分析思維能力、研究創新能力不斷增強，實踐操作及綜合應用能力顯著提高，為就業、考研奠定了良好基礎．今后，生物工程綜合實驗還需進一步優化改革．借助電子信息領域的新技術，建立生物工程與技術模擬仿真實驗室，幫助學生更快地熟悉并掌握最新的專業技術是綜合實驗教學改革的重要方向．此外，作為生物工程專業的主干課程，生物工程綜合實驗應進一步加強實踐性，除了從教學內容和方式上進行改革，還應更好地與生產實際接軌．如建立綜合性創新實驗工場資源，模擬企業運行機制[11]，進一步提高學生的工程實踐能力．

[1] 游玲，朱文優，侯茂，等．以產業需求為導向的遞進式實驗教學體系構建[J]．中國輕工教育，2018（6）：88-92，97

[2] 張麗，李寒，薛鋒，等．復合型教學模式在生物工程綜合實驗中的探索與實踐[J]．廣東化工，2018（10）：264-265，272

[3] 黃金林，潘志明，李求春，等．優化整合生物工程專業課程實驗，建立綜合大實驗課程體系[J]．教育教學論壇，2014（26）：183-185

[4] 葛飛，陶玉貴，朱龍寶，等．工科類院校生物工程專業綜合實驗教學改革與實踐初探[J]．安徽農學通報，2016（10）：169-170

[5] 劉紫英，冷桂華，呂美云，等．生物工程綜合實驗的“珠鏈式”教學模式改革與創新[J]．微生物學通報，2015，42（10）：2026-2032

[6] 廖國建，何穎，謝建平．以達托霉素產生菌菌株改造為主線的微生物工程綜合實驗的探索和實踐[J]．微生物學通報，2018，45（3）：713?716

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[8] 沈潔，李加友，陸筑鳳，等．生物工程專業綜合實驗的“項目化”改革[J]．廣州化工，2016，44（18）：234-236

[9] 林艷，孟蕾，林麗美，等．基于翻轉課堂的生物工程綜合實驗教學研究[J]．科學大眾：科學教育，2017（9）：147-168

[10] 陳鵬，武永軍，張大鵬，等．生物技術綜合大實驗開設的實踐與探索[J]．安徽農業科學，2011，39（36）：22874－22876

[11] 陳平，仝飛飛，張希，等．高校轉型期生物工程專業綜合實驗課程教學模式的改革初探[J]．廣東化工，2017（20）：224-226

Study on reform of comprehensive bioengineering experiment teaching based on the cultivation of practical innovation ability

ZHANG Xiaojuan，ZHANG Chenlu，CHEN Chen，ZHANG Tao，WANG Ling，CHEN Rui

（School of Biological Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）

With the goal of cultivating bioengineering professionals with engineering application ability and innovative design ability，aiming at the problems of Shaanxi University of Technology′s comprehensive bioengineering experiments，reformed and practiced in terms of teaching content，teaching mode，and assessment system．Through the combination of production practice，teaching and research，set up optional topics，adopt measures such as flipping classrooms，open experimental teaching methods to improve students′ innovation and practical ability and comprehensively cultivate students′ comprehensive quality and ability．The experimental teaching reform has achieved good results and provided a reference for the reform of related majors in other colleges．

comprehensive bioengineering experiment；practical innovation；flip classroom；open experimental teaching

Q819∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.09.024

1007-9831（2020）09-0091-05

2019-05-18

陜西理工大學一流專業建設項目子項目——《生物工程綜合實驗Ⅰ和Ⅱ》教學研究與實踐

張曉娟（1980-），女，陜西寶雞人，副教授，博士，從事生物化學與分子生物學研究．E-mail：zxj12162001@163.com