融合STEAM理念的《生物工程創新實驗》創課設計與翻轉教學

王玉霞，張超，魏琴

(宜賓學院 農林與食品工程學部生命科學與食品工程學院，四川 宜賓, 644000)

在政治、經濟、文化高度繁榮的新世紀，科學技術的快速發展和長足進步，不但對大學教育提出了前所未有的挑戰，也提供了改革進取的機遇。傳統應試型人才培養模式，無法滿足社會需求的職業性、專業性、創新性等創新應用型人才的培養[1]。為適應新發展形式下對人才素質提出的新要求，各類新型教育培養模式和教育理念如雨后春筍般紛至沓來[2]。在高等教育體系中，實驗和實踐教學內容對學生各項綜合能力的培養起著舉足輕重的作用。尤其針對新工科應用型人才對學生創新意識、創新思維和創新應用能力進行的強化式提升[3]，更需要倚重實驗類課程的訓練和培養。因此，新經濟發展更加需要新型工科人才的強力支撐，科學技術的進步離不開實驗實踐的鋪墊，創新應用型人才的培養更離不開創新應用型實驗的開展[4-5]。

STEAM教育(STEAM Education)最早由Steven Howell于1982年在美國航天航空年會報告中提及[6]，1986年美國國家科學委員會(National Science Board，NSB)在發布的《本科的科學、數學和工程教育》(Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education)報告發出倡導[7]。STEAM教育理念有廣義和狹義兩個維度的界定。廣義上講，STEAM教育是集Science、Technology、Engineering、Arts和Maths于一體的綜合性教育[8]。狹義上，則是改革傳統教學模式將STEAM理念融于課程的設計方法。我國對STEAM理念的應用開展相對較晚，2016年后教育部倡導STEAM理念和創客教育等新型教育模式的應用，以提升學生的創新意識和創新能力[9]。“創客”(Maker)，最初是對利用工具和技術進行生產和創造活動的業余愛好者、藝術家等的統稱。隨后創客運動在美國的各行各業迅速發展起來[10]，并且在教育界掀起了創客教育的熱潮[11-12]。創客教育秉承“開放創新、探究體驗”教育理念，是以培養各類創新型人才為目標的新型教育模式，它提倡的創課理念，是“基于創造的學習”，強調學習者融入創造情境、投入創造過程[13]的課程教學手段。

“生物工程”作為四川省首批應用示范專業和卓越工程師教育培養計劃專業，將原先配套于相關課程的實驗及實踐課時獨立出來，創新性地構建了梯度式實驗教學體系，新開設的《生物工程創新實驗》是本體系中的最高階課程。由于缺少借鑒和參考，本課程前期嘗試的小組獨立和多方向同進的教學模式，無法很好地激發學生在各個環節的創新挑戰思維、主體參與意識和團隊協作能力。為此，針對傳統實驗課和當前課程實驗教學中存在的不足，我們開展了融合了STEAM教育理念的創課設計，以項目管理方式全過程監控實驗項目進展，以“多位一體”的手段激發學生在各個環節的主體參與意識，真正做到以學生為主體、創新應用能力為目標[14]，全面培養學生的自主學習能力、團隊協作能力、大膽創新意識和實踐動手能力，滿足新工科對創新應用人才的實際需求。

1 《生物工程創新實驗》課程教學現狀與分析

《生物工程創新實驗》是我校生物工程專業必修課程，其先修實驗課程為《生物工程基礎實驗》和《生物工程綜合實驗》，先修理論課程為《文獻檢索與論文寫作》《實驗設計與優化》《微生物工程工藝原理》《生物工程分析與檢測》等專業基礎課。該課程涉及多門學科知識的交叉和應用，注重學生創新思維意識和創新應用能力的培養，既要求學生具有較為扎實的專業理論基礎，又要與行業實際生產應用聯系緊密，對學生畢業后從事專業相關的工作以及新產品創新開發、創業發展等都具有重要地促進作用。

傳統實驗教學模式中，由授課老師課前制定好詳細完備的實驗指導方案、實驗教學計劃，寫明了實驗目的、實驗原理、所用的儀器設備、試劑藥品及其配制、實驗步驟、操作要點及注意事項，甚至還包括出現的現象和原因的分析等，并充分考慮實驗安全性、可操作性、完成效果等情況下，引導學生進入實驗室進行實驗操作。教師承擔了實驗進程、方向把控、實驗結果呈現等內容。而學生在實驗教學過程中，根據老師的講解和要求，按照方案進行操作，在老師的指導下或者按照老師的示范，完成實驗過程或觀摩教師完成演示實驗，對實驗內涵、原理、現象深入理解和結果分析的程度不夠[15]。傳統實驗課程中以實驗過程和進度為導向的課程教學方式，學生參與熱情、上課興趣不高，更缺少創新能動過程，無法形成良好的工程質量和創新意識，對創新應用型人才培養助力不足，對學生學習結果及目標重視程度不夠，難以形成持續改進的質量保障機制[16]，無法匹配高素質、實踐性創新型應用人才的培養目標[17]，因此迫切需要新型教學理念和教育模式對傳統實驗課程進行改革，以滿足新工科對創新應用人才的實際需求。

2 基于STEAM理念的《生物工程創新實驗》創課設計

融合了STEAM教學理念的創課設計，緊緊圍繞學生的“學”為中心，培養學生探究、對話和批判性思維的跨學科整合式全面發展。針對傳統實驗課程對學生創新能力培養的欠缺，課程團隊以“開放創新、探究體驗、創造中學”為主要學習方式，將科學、工程、藝術、數學和技術素養融入《生物工程創新實驗》課程教學設計中，以期達到更好地培養學生應用已學知識進行跨學科整合的創新思維能力和創新應用能力，以及富有挑戰的開拓意識和不畏困難的擔當精神。

2.1 創新實驗課程的創課設計

目前新工科對人才的高要求，培養適應社會需求的創新應用型人才，是現代高等教育的核心目標。針對這個目標，教學團隊以項目管理式全過程監控實驗項目，以查找問題所在、研究創新思路、設計解決方法、方案實施制備和市場推廣策劃“多位一體”的手段激發學生在各個環節的主動參與意識，做到以學生為主體、創新應用能力為目標、產出結果為導向[18]，對生物工程專業創新實驗課進行創新性課程設計，如圖1所示。

圖1 《生物工程創新實驗》創課設計Fig.1 Maker design of ‘Bioengineering Innovation Experiment’

圖1展示了課程教師團隊針對每屆學生學識水平差異的實際情況，在生物工程教研室內有側重地挑選德才兼備、實踐經驗豐富、科研與教學兩手都硬的優秀教師出任該屆實驗課程導師，每名導師申報一個實驗方向，劃出與該方向相關的問題綜述(包括生產技術類、分析檢測類、市場分析類等)、創新訓練(創新區域和創新點)、方案設計、工程能力培養的衡算及實驗操作、創業策劃6個部分組成的實驗相關內容，并引導學生根據該方向生產問題或市場需求，開發創新性產品，最后設計該產品或工藝技術面向市場的創業策劃。

每位教師申報的實驗方向中(圖1)，既含有創新區又包含創新點，能夠矩陣式組合形成復雜、綜合的超大型實驗項目，涵蓋實際生產企業上中下游的全線路框架。為了更好地解讀設計中各方向創新區域和創新點設置，以及它們的矩陣組合關系，以果酒發酵方向為例，加以闡述和解析(表1)。

由表1可知，創新區設置結合創新點的使用，能夠很好地開拓學生的思維、激發學生的創新意識和創新能力。無論是哪個方向的實驗，學生們不但要掌握基本的流程(如水果酒釀造的基本流程)，還要在此基礎上創新性地開發和研究新穎性產品及其工藝技術。

表1 創新實驗方向創新區及創新點設置(果酒方向)Table 1 Set of experimental innovation points and districts (fruit wine)

2.2 課程設計的STEAM理念體現

基于STEAM理念的創課設計，充分將科學、技術、工程、藝術和數學方面的元素深度融入整個實驗過程中(圖2)。

圖2 創課設計中STEAM理念體現Fig.2 Exhibition of STEAM within Maker design

圖2中“問題綜述”部分，無論是查閱資料，還是撰寫綜述，都會用到科學、技術和工程等方面的知識，以便能更好地獲取、歸納和分析所需要的資料，挖掘生產問題、捕捉市場發展趨勢，從而為創新區及創新點的選擇提供基礎信息，同時，也為方案的擬定做出前期鋪墊。“創新模塊”，要求學生具有工程技術的專業素養，運用數學知識進行衡算或模型的預測，以及操作物料的需求和控制，同時應用藝術性眼光和審美觀去設計或預想樣品的可能呈現方式、受眾和市場等因素，以便在方案中完美體現。“樣品制備”過程，則需要工程、技術、數學和藝術知識將方案變成現實的產品，而如何呈現的過程，除了需要專業的工程、技術技能外，還需要準確的數學計算和較強的藝術想象能力和創造能力。“創業策劃”部分，無論是設計產品包裝、宣傳還是創業策劃，以及基于產品開發的生產設備或獨特生產工藝的保護等，都離不開藝術、數學、工程、科學的縝密思維和詳細籌劃。

由此可見，基于STEAM理念的《生物工程創新實驗》創課設計，可以實現對學生多學科知識的學習和應用能力的提高進行系統培養和強化鍛煉。

3 實驗課程的翻轉

《生物工程創新實驗》創新性地采用翻轉課堂方式，以學生為中心開展實驗課程的教學工作。眾多教師參與的實驗項目申報，使學生可以從豐富多樣的方向中，投票選擇感興趣的實驗方向開展后續各方面的實驗內容，充分體現了翻轉式教學以學生為中心的核心宗旨。此外，同一方向下，創新區域和創新點的自由選擇，打破了傳統實驗課程學習的被動性和枯燥性。學生自由選擇喜歡的方向，自由選擇創新區域和創新點，自己查資料挖掘信息、設置實驗方案、計算實驗原料、配制實驗藥品和試劑，團隊協作完成實驗過程，并對產品進行評價、完成創業策劃等，老師在實驗課程中起著答疑解惑、引導啟發和監管指導的作用。實驗課程的翻轉式教學，創新性地打破了傳統實驗課程教學的被動枯燥，極大地激發了學生的參與熱情和創作樂趣，使學生在探索中學、挑戰中做，為學生創新性思維和創新應用能力的提升，提供了展示的途徑和鍛煉的平臺。

此外，以創客方式進行的實驗課程創課設計，翻轉了傳統實驗課的教學方式，全面以學生為中心的教學手段，從實驗資料的查閱、實驗方案的撰寫修改和實施、到最終產品的試制及創業計劃，對學生的主體參與意識及應用創新能力具有多位一體的培養效果。

4 創課設計下的學生任務

學生在眾多教師提供的實驗方向中選擇某個任務后，依據每個實驗方向中教師提供的至少2個創新區和每個創新區2個以上創新點，思考選擇并構思實驗內容和設計實驗方案，以達到全面而系統地鍛煉學生創新思維能力和創新應用能力。仍以果酒方向為例，介紹學生選擇的方法和小組間實驗創新內容的分布及創新區創新點矩陣組合關系(表2)。

表2 創新區創新點選擇開展示例(果酒方向)Table 2 Example choosing innovative points and districts (fruit wine)

分析表1提供的創新區和創新點，假設選擇2個創新區和3個創新點形成的表2所示的選擇結果。根據表2選擇示例，果酒組可以設計成3×4的創新區和創新點組合實驗矩陣，即3個酒種類型與4個原料類型的組合，能夠從中組合實施包含以下甚至更多的實驗內容。

G1組，制作柑橘和獼猴桃的單品種干型與甜型酒，觀察與分析不同原料起酵速度與發酵現象，以及水果品種香氣與發酵香氣的分析評價；可以延伸出半干型、半甜型以及濃甜型，甚至是單水果濃醪發酵酒等。

G2組，柑橘+枸杞不同比例混合發酵，考察與學習柑橘枸杞保健酒釀造工藝，以及藥食同源原料對柑橘單品種酒品質改良和提升的效果，探索枸杞添加范圍和前處理方式；可以繼續延伸不同含糖量類型的保健果酒，甚至是特種酒等。

G3組，獼猴桃+枸杞不同比例混合發酵，考察和學習獼猴桃枸杞保健酒釀造工藝，及對柑橘單品種酒品質改良情況，并與G2組共同探討分析，添加枸杞類輔料發酵酒的用量范圍和共性特征，不同水果添加相同輔料工藝是否需要變化，以及為什么需要改變原因的深入挖掘；可以繼續延伸含糖量的果酒，或者不同加強手段類型的果酒。

G4組，柑橘與枸杞醪液體積比3∶1，獼猴桃與枸杞醪液體積比為3∶1的兩類混合果醪(或其他比例情況)，干型與甜型酒釀造工藝；與G1小組對比分析添加枸杞對干甜型酒品質、釀造工藝的影響，以及消費趨勢預測等。延伸類型可以是G2和G3組結果中最佳枸杞用量的干甜型酒比較分析，系列比例枸杞添加量的柑橘和獼猴桃加強型干酒、加強型甜酒釀造工藝等。

G5組，制作柑橘和獼猴桃的單品種加強型酒，添加食用酒精或者單品種水果白蘭地的不同加強方式，以及不同加強度對普通甜型酒品質影響及對比分析，從而探索特種加強型酒的釀造工藝。加強原料中，還可以延伸出白蘭地、中國白酒等，也可以是加強型干酒、加強型半干酒、加強型半甜酒和加強型甜型酒等類型，還可以延伸出水果不同原料組合發酵后的眾多類別加強型酒。

通過示例組合的解析，果酒方向會得到至少4個以上的系列果酒產品。在每個小組內，實驗相對簡單易行，但組合起來，卻是相對復雜多樣的體系。這是對果酒組設計和制定實驗方案的綜合考驗和全局性把握，更是對該小組創新思維和創新意識“多位一體”的培養和鍛煉。每一個小組的實驗方向，進行多因素的組合和深化后，可以較好地為畢業論文實驗打開一個延伸面，實現高階實驗課程承上啟下的聯結作用。

全班學生，按人數平均分成幾個小組，每個小組從教師團隊中選擇1個方向，并在老師指導和協助下，完成該方向上的所有任務。其中在衡算操作板塊中，每小組除需要計算全班各小組完成該實驗所用的實驗原料、藥品、試劑、儀器、用品等的數量和規格，以及特殊生鮮原料的采購外，同時在導師指導下，要協調全班同學按本小組擬定的實驗方案完成該方向的實驗操作、樣品制備和創新點的實現等內容。最終，每個方向上的實驗成果由1份綜述、1份創新區域及創新點選擇說明、1份針對全班開展的切實可行的實驗方案、1份班級實驗操作衡算表、1套實驗實施方案的系列實驗報告、多個創新點組成的系列創新產品和1份創業策劃書組成。這些任務，既有小組內成員合作完成的部分，也有小組間協調完成的環節，對學生小范圍的協調溝通能力，以及小組間密切合作的統籌安排能力都有很好的培養和鍛煉。

5 圍繞教師科研設置方向

《生物工程創新實驗》各實驗項目的方向，由生物工程教研室的教師提出。所申報的實驗方向并非盲目隨意，而是基于教師的科研項目和研究方向，或者在其研究成果基礎上的延伸，充分保證了實驗項目的合理性、前瞻性、創新性和挑戰性，從而為學生在實驗過程中創新應用能力的培養提供了先決條件。

教師的科研歷程和項目成果，是學生實驗項目創新性的有力保障，不但為學生創新區和創新點的選擇提供了重要參考，還為學生實驗方案的可行性和產品的可預見性奠定了堅實的基礎，確保了學生既能有創新能力的培養，又有現實可行的操作實施，既能較好地體現科研創新的挑戰，又有新型成果的開發過程體驗。因此，高度融合了教師科研內容的創新實驗項目設置，為學生創新應用能力的培養，以及基于STEAM理念的多學科知識的交叉學習和應用，夯實了必要基礎。

6 與地方經濟的緊密結合

宜賓地處川、滇、黔三省結合部，金沙江、岷江、長江匯流中心地帶，是我國南絲綢之路的起點之一、茶馬古道的重要驛站，作為區域經濟、文化、行政中心，發揮著四川南向開放的樞紐門戶作用。傳統發酵產業及原料生產，是宜賓最具代表性的區域特色經濟產業，如酒類中的五糧液、食醋和醬油等調味品，以及無數民間獨特發酵類食品等，都在為宜賓的經濟繁榮做著不可替代的積極貢獻[19]。

教研室參與實驗項目的教師，都是擁有緊緊圍繞地方經濟特色的市廳級以上科研課題的高學歷一線教師，具有非常豐富的科研和教學經驗。教師們申報的實驗項目與科研方向相同或相近，不但充分保證了對學生實驗項目的深度指導和前瞻性把握，還保證了實驗項目與地方經濟的緊密聯系，在校內實驗課程與企業生產實踐之間架起了聯系的紐帶。教師團隊結合區域支柱性產業生產現狀和科研課題的研究情況，有效地引導學生在實踐中查找問題、圍繞問題挖掘根源、再尋找科學有效的解決途徑和新產品開發研究的教學模式，創新性地扭轉了傳統實驗課程教學體系與生產沒有聯系、應用性不強的局面，具有較好的應用推廣和借鑒價值。

7 多維評價體系全面考察學生能力

傳統實驗課程，主要由老師主導把握，學生的實驗成績則主要由實驗報告體現。學生動手能力差、參與度不高、成績考評面也比較窄的傳統實驗課程，對學生的開拓挑戰意識、創新應用能力、團隊協作能力、協調溝通能力、人文藝術素養等的提升都無法得到很好的培養、鍛煉和考量。因此，針對傳統實驗課程中存在的這些問題，團隊構建了由實驗項目指導老師、教師團隊、學生組內互評、學生組間評價和學生班級間考核組成的多維評價體系，以全面考察整個實驗過程中學生各方面的能力。

由教師與學生共同組成的多維評價體系，具體體現為60%的成績由指導老師和老師團隊給出，各板塊成績的分布為：綜述10分、方案設計15分、原料工程計算10分、班級實驗完成情況13分(含實驗報告，體現同學們在完成實驗過程中的動手操作能力、參與積極性等)、創業策劃書12分(針對組內互評的最優產品撰寫)。導師依據每位同學對某部分工作的完成情況、完成質量進行評定打分。學生評定分占總成績的40%，分為班級內與班級間評價。班級內評價成員，在每個小組內隨機抽取2名同學組成評委團。班級間評價成員由班級學習委員、各小組組長和每小組的1名組員組成。學生評定員，依據統一的標準就綜述、方案、工程計算、創業策劃書等各項內容的完成情況以及產品質量的盲評結果，分別進行評定打分，班級內和班級間各占總分的20%。其中每小組1份的內容，如文獻綜述、實驗方案等，需要體現本小組每位成員在該份任務中完成的部分，以方便在綜合得分的基礎上評價每位同學的完成分數。

學生參與實驗成績的評定，而且占有較大比重，不但提高了學生參與實驗的積極性和關心實驗過程的注重度，也培養了他們客觀公正的思政素養。

8 結束語

本課程是生物工程專業的創新實踐類頂階課程。秉承專業培養知識、能力、素質協調發展的創新型應用人才的目標，教師團隊結合區域支柱性產業生產現狀，依據區域經濟特色和生產問題設置創新實驗項目，使教師科研方向和學生實驗項目與地方經濟發展有機結合起來。通過學生自主選擇實驗項目、實驗創新區域與創新點，以及查找資料歸納并撰寫實驗方案等多位一體的培養訓練模式，不但使學生們體驗了創新的樂趣，也增強了學生的自主學習意識和主動參與的積極性，更是極大地激發了學生們勇于挑戰的熱情，并在正確價值觀的樹立、較強社會責任感和職業道德的培養、健全人格的養成等方面，起著不可或缺的積極作用，從而實現對學生的實驗動手能力、創新思維能力、綜合組織能力、團隊協作能力和交際溝通能力的多位一體式培養和鍛煉。