新工科視域下生物工程專業教學與人才培養探索①

王鉆文， 劉子鶴， 史碩博

北京化工大學 生命科學與技術學院/北京軟物質科學與工程高精尖創新中心， 北京 100029

生物工程是指基于特定目的和需要， 在分子、 細胞或個體水平上利用生物技術手段改良生物大分子特性或生產需要的生物大分子物質等． 生物工程自上世紀70年代開始異軍突起， 進入新世紀之后發展迅速， 被認為是21世紀世界知識經濟的核心之一． 生物工程的發展和進步為解決目前人類面臨的多種生存問題， 比如糧食問題、 健康問題、 環境問題、 能源問題等開辟了更加廣闊的前景． 生物工程應用范圍廣泛， 不僅助力于人民健康， 更是推動了我國高端經濟產業的進一步發展， 踐行了可持續發展戰略． 近年來， 新工科建設理念的提出， 顯著提高了高等教育應用型、 高素質人才培養標準， 如何有效培養中國社會主義新時代 “德才兼備”的新型人才已成為生物工程專業教學的重中之重.

生物工程專業是一門發展迅速、 知識與技術更新快、 系統性強的前沿學科， 且具有工程應用性強的特點， 因此， 生物工程專業在教學過程中必須兼顧理論知識的傳授和工程實驗的引導， 這無疑為生物工程專業的教學開展提出了特殊的要求[1]． 首先， 在生物工程專業教學探索與實踐中要做好理論知識傳授和工程實驗教學的協同， 新生因為學科引導不到位及實驗經歷不足， 會對一些理論概念缺乏認知， 從而造成對學科知識理解的缺失或偏差； 其次， 工科專業教學需要遵循理論教學與實踐教學并行的特點， 而現實中經常出現學校教育和企業需求“脫鉤”的情況． 高校與企業雙方對人才培養沒有建立起良好的合作共贏機制， 在人才培養和科研方面， 高校追求高質量基礎科學研究， 側重于理論知識的傳授和培養學生的學術研究能力， 企業則追求更高效率的科研結果的應用轉化和經濟效益， 高校和企業在人才培養模式上的目標不同， 產生人才供需矛盾是必然的結果[2]． 此外， 目前生物工程專業教學課程思政建設不夠成熟， 生物工程專業所涵蓋的專業課大多數有著較強的邏輯性， 與強調感性共鳴的思想政治教育缺乏聯系， 且生物工程相關知識中思政元素較難挖掘[3]； 而專業課教師授課方式不靈活， 思政元素發掘不到位， 部分專業課教師只關注學生專業知識的學習和對專業能力的培養， 意識不到課程思政建設對學生教育的重要性， 僅僅教授學生專業內的理論知識， 而忽視培養學生的思想政治意識[4]； 同時工科專業學生往往理性思維占據主導， 且受限于自身的知識儲備和工科認知， 對思想政治教育更難產生理解， 在價值觀構建上往往無法引起共鳴， 導致生物工程專業課融入思政元素有著很大的困難[5].

培養一批符合我國生物技術產業發展需求的高素質生物工程人才成為我們的當務之急． 針對上述現象， 本研究通過線上虛擬和線下實體教學混合式教學方式完善學科引導， 提高學生的學習質量； 與企業構建“產學研”合作與實踐平臺， 協調高校和企業對人才培養的需求， 助力生物工程專業學生的“產學研”協同育人； 同時不忘初心， 充分挖掘生物工程教學中的思政元素， 積極探索生物工程專業課程思政建設的思路與方法， 進一步推進生物工程專業課程思政建設的長效機制， 實現“三全育人”.

1 生物工程專業線上、 線下虛實結合教學模式探索

1.1 完善學科引導

中學教育中的生物學課程往往因為教學目的和學生規模而簡化實驗操作， 生物學課程在許多中學成為一門“純理論”課程， 教學中更強調記憶和背誦， 讓學生用文科思維去認知生物相關問題和知識， 這一現象無疑為高校開展進一步的生物工程專業教育增加了一定的困難． 本研究采用電子問卷形式對北京化工大學部分生物工程專業學生關于學科引導的評價進行調查， 問卷參與者為2019級生物工程專業中的54名學生， 占該專業2019級人數的76%， 參與問卷調查的54名學生中有52名學生在初次開展專業學習時都出現過困難， 對學科的理解存在偏差， 參與問卷調查的所有學生都對進一步完善學科引導報以支持態度(圖1).

圖1 生物工程專業學科引導狀況調查結果

生物工程專業是一門理論與實踐相結合的綜合性學科， 不僅要求對理論知識有著必須的理解， 同時對實驗實踐操作也有著較高的要求． 幫助學生做好從中學教育的純理論到高等教育的理論與實踐相結合的學習方式的過渡， 進行生物工程學科的再啟蒙， 探索幫助學生盡快適應生物工程專業的教學方式， 可以真正幫助學生融入到生物工程專業的學習之中． 例如， 在對生物工程專業新生進行理論課學習時， 建立本科生導師制度， 讓學生進入高校不同課題組的實驗室進行實習， 通過專業認知、 科研實踐等活動， 對課本上的概念、 理論以及應用產生一個直觀認知， 提升理論學習效果； 另外， 課堂上教師可以介紹一些生物工程領域的學術期刊、 學術會議， 讓學生通過閱讀學術文章、 參與學術會議對生物工程的科研應用形成一個基本的認知， 使其更快適應之后的工程實踐教學.

1.2 創新線上虛擬教學

受新冠疫情影響， 在網絡信息技術迅速發展、 仿真軟件不斷完善的今天， 越來越多的高校開始借助網絡進行線上教學， 這種新的教學形式越來越融入現代生活． 將生物工程專業一部分的理論學習轉移到線上平臺， 借助網絡技術平臺進行理論學習、 實驗原理講解、 實驗操作規范教學、 工廠生產實踐等， 通過網絡實現隨時隨地學習和復習， 有助于學生從被動接受知識轉而開始主動地追求知識[1]． 這樣最大限度地發揮學生的主觀能動性， 讓學生對理論學習有著更加深刻的理解.

線上虛擬教學的首要優勢是輔助加強對生物工程理論知識的理解和學習． 以往的線下傳統教育方式比較枯燥， 學生對理論知識的學習效果有限． 采用線上教學的方式， 可以讓新生學習一些較難直接觀測的知識原理或難以理解的復雜生物過程， 例如可以讓學生通過虛擬仿真認識蛋白質翻譯過程中多肽鏈是如何在信使RNA、 轉運RNA等生物分子作用下隨著核糖體移動增加肽鏈長度的； 還可以利用軟件建模輔助教學DNA分子在復制、 轉錄過程中雙螺旋結構是如何形成的， 進而模擬教學DNA分子可能存在的多螺旋結構的假象示意圖.

線上虛擬教學的另一個優勢是加強學生對工程實踐的應用能力． 例如RNA抽提、 聚丙烯凝膠電泳、 流式細胞分析等實驗， 可以將理論錄屏與操作實拍相結合， 既有利于加深學生對實驗原理的理解， 又可以減少學生未來實驗操作規范中可能出現的錯誤； 再如教導學生如何規范使用大型精密儀器， 采用錄像和錄屏的方式教育學生儀器的構造和操作方法， 可以讓學生反復學習， 使其靈活運用理論知識， 掌握優秀的實驗儀器操作能力.

同時， 線上虛擬教學要充分發揮優勢， 進行多種新形式的教學嘗試． 可以利用電子信息技術的特點， 開展工廠仿真模擬教學， 例如北京化工大學生命科學與技術學院建立啤酒發酵生產與仿真實訓中心， 讓學生通過虛擬仿真平臺完成理論知識學習， 通過仿真操作掌握啤酒生產的必備知識， 了解啤酒生產的整個工藝流程； 學生前往工廠進行生產實踐觀摩往往受到時間與空間的限制， 利用網絡直播技術便于學生對生產線各單元進行實踐觀摩， 培養學生的工程實踐意識． 這種建立在現代實時通訊技術上的新式教學方式， 有機會讓學生掌握之前無法接觸或較難接觸到的信息與知識.

1.3 深化線下實體課程

在生物工程專業線下實體課程的教學中， 教師要打破傳統的教學方式， 積極開展多種形式的教學模式． 如： 可以開展“翻轉課堂”式的教學模式， 教師提出一個實驗命題， 學生分組進行討論學習， 各組提出初步的實驗設計方案， 經教師的指導以及吸納各組之間的建議， 進一步完善實驗設計方案． “翻轉課堂”的教學模式， 讓學生成為生物工程專業課學習的主體， 可以加深學生對學習過程的印象， 顯著提高生物工程專業課的教學效果.

生物工程的工科特性要求學生具有較好的實驗實踐能力， 教師應該著重強調實驗中的操作規范， 指導學生的實驗并在實驗結果和數據分析上給予更深層次的指導意見． 線下實驗中， 教師給予針對性指導， 糾正學生實驗中的不規范操作， 使學生熟練掌握各項基本實驗操作， 增強數據分析能力.

生物工程是一門綜合性較強的學科， 不僅對實驗操作有著明確的規范， 對實驗設計也有著較高的要求． 生物工程實驗越來越多地融入生物信息學相關的知識， 線下課程中教師可以開展綜合實驗項目， 讓學生有機會結合后續實驗自行完成基因的獲取和設計， 這樣既可以幫助學生檢驗實驗設計的合理性、 實驗操作的規范性和數據分析的準確性， 也可以幫助學生養成良好的實驗習慣以及謹慎的科研態度， 為以后科研實踐打下堅實的基礎.

1.4 做好線上與線下虛實結合的教育

建設好線上教學資源不僅可以拓寬學生的自主學習渠道， 而且可以讓學生接觸一些之前難以接觸或者觀察的實驗或實踐， 同時學生可以實現隨時隨地學習和復習， 通過形式多樣、 內容豐富的虛擬仿真提高學習質量； 深化拓展線下實體課程， 指導學生獨立自主地進行實驗設計、 實驗操作和實驗結果分析， 引導學生互相進行實驗問題的反思和討論， 教師應集中講解學生在實驗中出現的普遍問題， 通過列舉典型案例等方式加深學生的記憶從而避免未來出現相同的錯誤， 培養學生良好的實驗習慣和創新思維． 高質量線上虛擬教學資源的建設與線下實體課程的進一步深化拓展實現了教學方法的相互補充.

2 生物工程專業“產學研”教育模式的構建

2.1 “產學研”教學模式下的理論教學

在生物工程專業學科教學建設中， 教學形式要與時俱進， 教學內容也要不斷創新， 盡可能將實踐知識融入到理論學習中， 開設實踐性較強的課程． 相關任課老師應該提前學習行業內的生產流程和常見的設備性能， 不能僅憑數據理論和經驗直覺進行教學， 課堂上要將工程實際融入到教學中去， 注重工程實踐與理論相結合； 同時要求關注最新的研究成果， 激發學生的專業思維和興趣； 任課老師還要積極了解企業需求， 找到課堂教育與企業需求的交匯處， 在課堂上潛移默化地融入企業實際需求， 不僅幫助學生掌握理論知識， 更要學會聯系實際.

課堂教學要創新形式， 校方應積極與企業合作， 聘請有經驗的相關企業工程師為學生講授生物工程相關產品的生產工藝， 這樣既加深了高校與企業的密切聯系， 也為企業的人才引進及學生未來的實習就業提供了良好的平臺.

2.2 “產學研”教學模式下的實踐教學

因為教學成本等問題高校內的實驗課教育基本從屬于理論課教育， 而且實驗課內容多為驗證性實驗， 嚴重影響了學生的自主創新意識和能力． 高校應該進一步改革培養方案， 順應實際需求， 引導教育學生開展從基礎實驗到綜合性實驗的學習， 并要求學生具備自主進行實驗設計、 分析和完成實驗報告的能力.

學生設計實驗時， 要充分考慮到企業在實際生產過程中所面臨的問題， 學生實驗方案的設計完成后， 可以在學校導師和企業導師的指導下作進一步完善， 還可以將完善后的實驗方案用于參加“合成生物學創新大賽”等項目或企業實踐， 以檢驗學生實驗設計方案． 實驗的內容和結果可以應用到學生自己的畢業課題中， 也可以和企業開展合作將實驗結果轉化為實際產品． 校企合作既可以加深學生和企業之間的聯系與了解， 同時學生也有機會接觸到實際的生產工藝流程， 培養其自身的創業意識和創新能力.

2.3 校企合作促進“產學研”一體化

各地方高校應該利用好優勢資源， 結合地方經濟建設的實際情況， 與地方企業共同建設“產學研”實踐教育基地， 為構筑“產學研”合作教育平臺添磚加瓦[6]． 一方面， 在“產學研”實踐教育基地的學習中， 學生可以更早地接觸到實際生產狀況， 有利于學生養成自主分析、 自主學習、 自主實踐的良好習慣． 高校應積極與企業開展多方面教學合作方案， 利用假期生產實踐課程， 去合作企業進行實踐． 例如， 北京化工大學與魯南制藥集團多年來積極開展教學合作， 由教師帶隊學生前往魯南制藥集團的生產基地進行暑期社會實踐教學， 如圖2所示， 學生在相關企業技術人員的指導下， 將自身掌握的理論知識同實際生產相結合， 有利于未來更好地適應企業的工作環境， 為自己的就業提供良好基礎.

圖2 生物工程專業實踐狀況調查結果

另一方面， 建設好“產學研”實踐教育基地， 企業也有穩定的人才來源， 可以進一步篩選優質人才． 良好的“產學研”合作平臺， 可以滿足高校和企業雙方的需求， 還有利于不斷創新高校和企業的合作模式， 為國家培養更多的人才.

3 加強生物工程專業“課程思政”建設

3.1 生物工程專業教學中思政元素的挖掘

如圖3所示， 本研究調查結果顯示， 不少生物工程專業學生認為專業課程學習缺乏思政元素， 且大多數學生不重視課程思政． 為響應教育部提出的以“課程思政”為目標的課堂教學改革， 更好地實現知識傳授與價值引領相統一的育人目標， 高校應當深挖生物工程專業教學中的思政元素， 弘揚社會主義核心價值觀， 引導學生樹立迎難而上、 甘于奉獻的科學精神， 培養“德才兼備”的生物工程專業人才.

圖3 生物工程專業“課程思政”狀況調查結果

生物工程專業在教學過程中要注意弘揚社會主義核心價值觀． 青年學生正處于構建人生觀、 價值觀和世界觀的關鍵時期， 在專業課教育上推進社會主義核心價值觀的培養非常重要． 我國的生物技術應用已經有上千年的歷史， 是世界上記載最早進行人工釀酒的國家之一， 可以通過介紹類似具體的案列， 引導學生樹立勤勞與智慧的民族形象， 幫助學生樹立文化自信， 培養學生的民族自豪感和愛國主義情懷， 鼓勵學生為實現中華民族偉大復興的中國夢奉獻自我， 從而在潛移默化中成為社會主義核心價值觀的踐行者.

生物工程是保障實施“健康中國”戰略的重要助力因素． 生物工程涉及日常生活許多健康問題， 因此在授課中要幫助學生樹立“健康中國”責任感． 例如， 在常見疾病的診斷中離不開對轉氨酶的檢測， 轉氨酶異常通常意味著肝細胞的受損， 這種現象往往因熬夜的不良習慣所致， 警示學生要建立良好的生物鐘習慣； 又如， 抗生素濫用導致“超級細菌”的出現， 啟發學生要合理規范使用抗菌藥物.

生物工程專業教學中應培養學生的科學精神． 科學精神有著廣泛的內涵， 善于批判、 勇于創新、 實事求是、 甘于奉獻等都是科學精神的內核[5]． 在世界新冠肺炎疫情的沖擊下， 我國是最早公布疫情數據和病毒信息的國家， 為防范疫情傳播和維護世界人民的健康做出了巨大貢獻， 體現了我國的大國擔當和實事求是的科學精神； 另外， 面對我國新冠疫情， 許多科研人員和醫護工作人員甘于奉獻， 積極響應國家號召， 奔赴疫區甘做“逆行者”等． 將現實與課程知識點的緊密融合， 引導學生志存高遠、 不畏艱險， 以奉獻社會為己任， 學習科研人員和醫療工作者為國家和人民無私奉獻的科學精神.

生物工程專業綜合性強， 強調理論與實際相結合， 深刻體現了馬克思主義的辯證思維． 例如， 人體內分泌的端粒酶可以延緩染色體衰老， 卻也是引起細胞癌變的元兇， 這要求學生用馬克思主義的辯證思維去學習生物學知識， 認識到事物的兩面性； 還可以順勢提出關于小鼠植入端粒酶延長壽命實驗的討論， 讓學生認知到科學技術對倫理的沖擊， 讓學生辯證地看待生物技術的應用， 建立正確的科學倫理觀.

3.2 “課程思政”建設的思路與方法

在教學中應注意激發學生的主體意識， 對學生進行正確的價值引導． 成長和生活在新時代的學生從小受發達網絡信息技術發展的影響， 有著豐富的信息獲取渠道， 從而產生更多的見解， 生物工程專業的學生還具備明顯的“工科思維”， 因此在教學中應著重引導學生樹立勤于思考和勇于批判的意識， 讓學生自主地進行思政學習， 在不斷的自我學習中培養“課程思政”的意識． 讓學生利用所學知識對現實案例進行分析， 如部分不法商家以牛乳清粉代替羊奶進行虛假營銷的案例， 其實是對等電點沉淀分離純化手段的應用． 現實案例分析， 可以加深學生對知識點的認識， 促使其進行道德方面的思想政治思考， 以及誠信法制意識的教育， 將思政教育很好地與專業知識結合.

生物工程教學中要注重協同育人和“以德育德”． 生物工程專業涵蓋了生物學知識的諸多方面， 培養方案涉及大量的專業課程， 做好課程間的協同育人， 可以使生物工程專業的“課程思政”建設效果事半功倍[5]． 例如， 在微生物學和酶工程學兩門專業課程中， 可以舉例幽門螺旋桿菌及其尿素酶發掘的故事， 強調勇于實踐的科學精神， 強化專業內的協同育人， 增強生物工程專業的思政教育效果； 生物工程專業課程的教學， 專業課教師更要加強自身道德修養， 樹立起正確的思想政治觀， 將思政元素融入到自己的教學工作中， 幫助學生建立正確的思想政治意識， 實現“以德育德”的教學目標.

生物工程專業課程往往具有邏輯性強、 實踐性強等特點， 找到將“課程思政”融入課堂教學的切入點非常重要． 教師不僅要鉆研將“課程思政”融入專業教學的技巧， 更要學會列舉自身的實際經歷對學生進行引導， 與學生在“課程思政”上產生情感共鳴； 此外， 對于某些邏輯性強且難以理解的知識點， 教師要避免刻意進行“課程思政”教育， 否則既干擾了正常的教學工作， 又起不到良好的“課程思政”效果.

生物工程專業的“課程思政”要與時俱進． 我國生物技術進步明顯， 生物產業發展迅速， 行業內新聞不斷更新． 因此， 在教學中要不斷更新教學內容， 將最新的行業熱點和時政要義融入課堂教學中， 激發學生學習興趣的同時， 積極引導學生進行“課程思政”.

3.3 推進“課程思政”建設的長效機制

教師是課堂教學的引導者， 建立系統的教師“課程思政”培訓機制， 才能實現長期有效的“課程思政”建設． 教師要樹立起良好的師風師德， 用自身的優秀品質去幫助學生樹立正確的道德觀念， 使學生愿意以教師為榜樣進行包括思想政治在內的全面學習； 教師還要提高自身思想政治素質， 將正確的思想政治意識潛移默化地融入日常教學， 引導學生建立正確的人生觀、 價值觀； 教師還要掌握良好的教學技巧， 靈活運用各類教學技巧將專業知識和思政元素有機結合起來， 不能生搬硬套.

建立科學的評價體系， 發揮“課程思政”對教學和育人的雙重作用． 高校要建立科學完善的教育評價體系， 立足于立德樹人的根本任務， 把握好“三全育人”的理念， 確保教學和育人兼顧． 教師在教學中注重育人的內核， 將專業知識教授好的同時， 幫助學生樹立正確的價值觀念.

制定規范合理的教師“課程思政”補貼標準， 鼓勵教師在教學中主動推進“課程思政”， 生物工程專業課程中融入良好思政元素， 必然要求教師在備課時消耗更多精力與時間， 因此必須確保教師在物質上的保障[7]． 高校讓教師主動花費更多精力和時間用于建設專業課程中的“課程思政”， 就必須切實提高教師的福利待遇， 確保“課程思政”建設沒有“后顧之憂”.

4 結語

與傳統單純的課堂實驗相比， 生物工程專業線上虛擬和線下實體結合式教學， 可以產生更好的教學效果， 促使學生養成良好的實驗習慣和科研態度． 相關學科可以以生物工程實驗課程為案例， 積極探索生物工程專業課的混合式教學改革， 引導教師主動學習混合式教學理論， 并投入到混合式教學的實踐中． 高校要創新教學方式， 為培養新時代國家所需求的生物學人才探索更加高效合理的生物工程專業教學模式.

積極推動建設“產學研”實踐教育基地， 努力構筑“產學研”合作教育平臺， 建立“產學研”合作教育模式， 從而促進生物工程專業長期穩定良性發展． 學生在“產學研”合作教育模式中有了“走出課堂、 步入企業”的機會， 在企業實驗室的實習經歷， 可以直接地接觸最新生物工藝流程及先進的生產方式[8]． “產學研”合作教育應滿足高校和企業雙方的利益， 不能“厚此薄彼”更不能“顧此失彼”， 只有合作共贏才能推動“產學研”合作教育模式的長期穩定發展.

近年來中國生物工程發展迅速， 已成為中國科技騰飛不可缺少的重要推動力， 生物工程高素質人才的培養是中國生物工程發展的重要一環[9]． 只有不斷探索努力做好生物工程專業課程中的“課程思政”教育， 才能持續培養新時代國家需要的“德才兼備”的生物工程專業人才.