基于應用能力培養的微生物工程課程教學改革

聶春雨，郎亞軍，殷亞杰，任國領，張志國，閆立地

(1.大慶師范學院 生物工程學院，黑龍江 大慶 163712；2.黑龍江省油田應用化學與技術重點實驗室，黑龍江 大慶 163712)

1 引言

微生物工程是一門實踐性較強的課程，該課程不僅要求學生理解和掌握微生物工程理論知識，更重要的是要學會相應的實驗技能，培養學生創新思維和創新意識，為今后從事發酵行業的生產和研發工作打下堅實的基礎[1]。對于一些地方本科院校，微生物工程課程學習主要以理論知識的傳授為主，目前課程不足之處是實踐教學開展相對單一，學生應用能力培養普遍較弱。隨著我國發酵行業的不斷發展和壯大，企業用人要求越來越高。企業選人不但要求理論知識扎實，同時要具備較強的實踐動手能力和創新能力。鑒于此，有必要總結傳統教學過程中存在的問題，制定相應的改革措施，加大人才培養力度，為地方企業輸送應用型人才，讓學生高質量就業。

2 微生物工程教學過程中凸顯的問題

2.1 授課方式單一，學生缺乏學習主動性

傳統教學以教師、教材、課堂為中心，教師按照指定教材安排教學課程，學生完全按照教師設定的內容進行學習。在整個教學過程中，教師扮演著各個角色，而學生在學習中缺乏思考，主動學習的積極性不高[2]。學生表現出了較重的依賴心理，不能做到較好的課前預習和課后復習，總是依賴教師課上直接講解和課后總結歸納。在實驗課尤為明顯，學生完全依照老師指定的實驗項目機械性地按實驗步驟進行，至于實驗原理和實驗方案很少有學生去探究，實驗過程中出現問題也不愿意動腦思考，而總是依賴讓老師作出解釋。這種以教師為主體的教學方式，嚴重影響了學生學習的主動性，學生分析問題和解決問題的能力得不到有效鍛煉[3]。

2.2 實踐鍛煉環節單一，學生綜合能力得不到全面提升

實踐教學是培養學生實踐能力的重要環節，是學生系統掌握和理解理論知識的重要手段[4]。過去學生實踐鍛煉環節較少，僅有實驗課和實驗室開放，實驗課往往以3～5人為一個小組進行，每個小組僅有1～2人從始至終參與實驗的整個過程，親手操作，而其它學生僅是觀察；參加實驗室開放的學生也基本都是一些在實驗課中表現積極的學生。較少的實踐鍛煉環節，使學生參與實踐的機會大大降低，動手能力和創新能力得不到鍛煉和培養，學生無法獨立開展試驗研究。

2.3 考核方式單一，學生整體評價不全面

傳統的微生物工程課程考核一般由平時成績(30%)和期末成績(70%)兩部分組成；平時成績主要體現在上課出勤、作業和課堂表現，期末成績為閉卷形式，由5～7種題型構成。這種考核方式結果僅能對學生的理論知識掌握情況有了一定的了解，對于學生創新精神、創新意識和分析問題及解決問題的能力均不能有效評價，評價結果會出現偏差。

3 改革措施

3.1 引入CDIO教學理念，提高學生學習主動性

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate，構思-設計-實現-運行)4個層次的教育理念是工科類本科人才培養的先進模式及理念，重點培養學生的創新能力和實踐動手能力。CDIO教學理念的引入更能激發學生求知欲，提高學生創新能力、設計能力和解決實際問題的能力[5，6]。

為了提高學生工程實踐能力，根據課程特點和人才培養計劃，在教學過程中引入了CDIO教學模式，充分利用課下時間，開展了小組形式的任務驅動式教學。學生全員參與，自由組隊，每組推薦出一名同學任組長，負責組內的協調工作。教師在課程內容設置時，要根據課程內容的重難點和企業對專業知識的要求，設置一些專題或任務供學生選擇。各小組要對所選任務進行詳細的分析與研究，并將研究情況向全體同學進行展示。全體同學要對各組的完成情況積極展開評價，從而完成知識的共同學習。如谷氨酸及其發酵生產工藝專題，小組接到項目任務后，要對如何完成這項任務進行構思(Conceive)。小組將構思情況與任課教師進行溝通，任課教師結合學習目標和要求進行指導，向學生介紹如何查閱文獻、實驗方案設計要求和研究報告撰寫方法等。如學生通過查閱相關資料，對要講授的內容進行細致的優選和設計(Design)。通過整理、各小組完成方案設計后，不斷完善方案，制作PPT，并對論證報告進行答辯，然后組內同學需要共同參與并討論，創新方案，找到解決問題方法和實現(Implement)途徑，使方案切實可行。方案確定后，再通過組內分工、共同協作來完成項目的運作(Operate)。通過組內采用不同角色互換，如組長、答辯人，使學生體驗不同角色的職責和要求，突出了學生的主體地位，體驗團隊協作的重要性，培養學生的團隊精神[7]。

3.2 開展形式多樣的實踐鍛煉活動，全面提高學生綜合能力

《微生物工程》是學院生物技術和生物制藥專業的專業必修課，是一門綜合性很強的課程，基礎理論性和實踐性均很強，同時要求基礎理論和生產實踐密切結合，不僅要求學生具備生物發酵方面的理論知識，更要具備較強的實驗技能和創新精神[8]。因此在加強理論教學改革的基礎上，我們積極開展實踐教學的改革。將常規實驗教學、第二課堂、工廠見習和生產實習等實踐環節貫穿于學生的整個學習過程，培養學生理論聯系實際能力、工程實踐能力和分析問題解決問題能力，將學生 培養成專業知識扎實、綜合素質較好的復合型人才，詳見圖1。

圖1 微生物工程課程實踐環節結構

3.2.1 常規實驗教學

微生物工程是一門綜合性很強的課程，實驗操作尤為重要，因此通過結合CDIO教學理念，對微生物工程實驗教學進行了改革，形成了基礎、綜合、設計3個層次的實驗內容，減少驗證性實驗，增加綜合性實驗和設計性實驗，并結合就業崗位的需求，鼓勵學生開展創新實驗研究。

基礎性實驗部分主要通過實驗教師對發酵過程工藝流程進行模擬演示和現場拆裝常用發酵設備，讓學生了解相關發酵設備的工作原理，掌握微生物工程實驗室規范、常用發酵儀器的使用方法和基礎操作技術等，占整個實驗學時的20%。此內容設置上盡量做到少而精。 在后續的綜合性實驗和設計性實驗中會進一步得到鍛煉和加強。綜合性實驗是培養學生綜合實驗技能的重要環節，是體現學生綜合能力的重要部分，因此占的比例較大，占整個實驗學時的60%。基于實驗學時的不斷壓縮，在實驗內容上做了精心選擇。結合發酵行業特點，安排了酸奶的制作、谷氨酸發酵和酒精生產等實驗。通過綜合性實驗的鍛煉，基本技能進一步鞏固和加強，使理論和實踐相結合，做到學以致用。設計性實驗是同學們掌握了一定實驗技能和方法的基礎上，運用所學知識，自行提出問題進行選題并設計研究方案，通過實踐培養學生思維能力、實踐操作能力、解決問題和分析問題能力，進一步提升學生的實驗技能和創新精神，此內容占實驗總學時的20%。設計性實驗以小組的形式進行，每個項目至少要有兩個小組來完成，這樣便于后續項目的評比與提高。小組確定后，組長進行分工，向每位同學布置工作。通過各組討論后，進行實驗方案設計、實驗操作、整理分析數據和撰寫報告等，為學生獨立開展科學研究和將來就業增添了籌碼。

3.2.2 第二課堂

為進一步提升微生物工程實驗技能，培養學生分析問題和解決實際問題的能力，積極開展了以學術導師為指導，以學生為主體，以實驗室開放、大學生創新創業訓練項目、課外學術科技競賽和學生畢業論文為實踐教學第二課堂的主要研究內容[8]。實驗室開放以項目的形式進行申報，每學期開學初第2周開始上報，項目經學院教學指導委員會評審通過后方可進行。大學生創新創業訓練項目一般在每年的4月份開始申報，經二級學院、學校和省教育廳評選后，分別篩選出國家級、省級和校級項目，按照計劃內容開展研究工作。學科競賽根據競賽組委會的要求進行申報，主要包括《全國大學生生命科學創新創業大賽》《全國大學生生命科學競賽》《“創青春”(原“挑戰杯”)全國大學生創業大賽》和《互聯網+大賽》等。

學院將發酵工程實驗室、微生物學實驗室和大學生創新創業實驗室作為微生物工程實踐鍛煉的重要場所，隨時開放。學生要認真學習實驗室相關管理制度。通過第二課堂開展，拓展了學生知識范圍，提高了學生分析問題和解決問題能力，增強了學生工程實踐及創新能力的培養。

3.2.3 見習與實習

為使學生切身體會到相關發酵生產的具體工藝流程和設備操作，加深對發酵產品生產過程的了解，安排學生進行工廠見習和頂崗實習。工廠見習一般安排在理論課和實驗課授課的學期進行，對于一些難以理解或實驗室不具備實驗條件的知識，根據當地發酵企業產品類型安排相應的實習內容，借以加強學生對相關知識的了解和掌握。比如講到發酵設備知識時，安排學生到生產酒精的大慶博潤生物科技有限公司進行4學時的工廠見習；講到味精生產知識時，安排學生到龍江阜豐集團氨基酸發酵車間進行見習。實習前教師對各企業生產工藝、設備情況作簡要的介紹，參觀時由各企業的專業工程師帶領學生深入生產車間，講解工藝流程和設備操作，給予技術問題上的具體指導。學生通過實際參觀學習和企業工程師的詳細講解介紹，提高了學生學習的主動性和積極性。

頂崗實習安排在第七學期進行，一般實習期限為4～5個月。學生親身走進生產的第一線，學以致用，在實踐過程中不斷提升自己的操作技能和服務社會的綜合素質。

3.3 實施多元化課程考核，客觀評價學生綜合素質

考核是對學生學習效果的檢驗手段，傳統的考核形式主要是卷面成績，不能全面充分體現教學效果[9]。探索CDIO教學理念下適應《微生物工程》課程考核方式，是教學改革中的重要內容。改革后的考核機制對培養和評估學生能力，提高學生綜合素質以及獨立分析和解決問題的能力都有很重要的意義。

改革后的考核，期末閉卷考核，題目比較靈活，主要考察學生對教學基本理論和知識點掌握情況。項目評價綜合性很強，考查了學生在項目操作工程的構思、設計、實現和運作整個過程中的個人學習能力、個人職業能力、解決問題能力，團隊協作和創新能力等內容。通過整個項目過程中設備操作規范性、PPT制作質量、靈活運用課程基本理論和實踐相結合，實際問題分析能力和解決能力、整個過程參與度、安全性認識程度、組內成員工作協調性、完成質量、項目論證，答辯質量，方案制定實施情況，發酵工藝優化改進及創新型等多方面，同時加上工廠見習成績、實習成績。客觀評價學生的綜合素質。同時，所有上面的評價成績，不是教師一個人打分，而是由組內，各組間同學們共同一起參與，這樣更公正客觀，真實反映同學的綜合素質[10]。

4 結語

CDIO教學模式的引入，為學生搭建了實踐的平臺，提升學生構思、設計、實施和運作能力。在傳統理論教學和實驗教學中間加入企業生產實習和見習，可以夯實教材中難以理解的原理并為獨立開展實驗研究做鋪墊。通過實踐教學內容的重新整合，使理論教學與生產實踐有機結合起來，增強了學生學習的主動性、積極性和創新性，提升了大學生的分析問題和解決問題的能力，逐步形成了工程思維模式，培養了學生的科研能力。