生物工程下游技術進階式實驗教學模式的探索與實踐

付暢，井樂剛，甄鑫，郭東林

（哈爾濱師范大學 生命科學與技術學院，黑龍江哈爾濱 150025）

蓬勃發展的生物技術在社會生產實踐的眾多領域創造經濟效益，呈現出廣闊的發展前景[1]。近年來，眾多國家紛紛制定了生物經濟發展戰略[2]。生物經濟的發展壯大需要高質量的生物技術創新創業人才來支撐和推動。生物工程下游技術是生物技術產品產業化的必經之路，擔負著從中游生產過程獲得的原料中分離純化目的物質并將其制成產品的重要任務。生物工程下游技術實驗課程在生物技術高素質專門人才的培養中發揮著重要的支撐作用。由于傳統的教學模式不能滿足生物技術產業發展對人才質量的要求，近年來，各高校在生物工程下游技術實驗教學中作出了一些探索與改革。在教學改革中著眼于優化教學內容，改革教學方法[3-5]。我們在前期的教學改革中建立了生物工程下游技術創新綜合實驗教學體系，通過演示性實驗教學模塊培養學生的規范化實踐操作能力，通過綜合性實驗模塊培養學生綜合運用知識的能力，通過開放性實驗模塊培養學生的創新能力[6]。這些探索與改革都取得了一定的效果，但是現有的教學模式與生物技術產業發展對生物技術人才的要求還有差距。提高生物工程下游技術實驗課程在生物技術人才培養中的效能，充分激發學生的活力，筑牢學生的知識基礎，提高學生分析和解決問題的能力、實踐創新能力，提升學生專業素養，仍有很大的開拓空間。為此我們探索了生物工程下游技術進階式實驗教學模式，立足成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念[7-8]，力求為生物技術人才培養提供更優質、更有力的支撐。

1 課程建設基礎

1.1 教學團隊建設

教學團隊成員5 人，均具有博士學位，其中3 人具有出國學習經歷，由教授、副教授、講師形成合理的梯隊。教學團隊成員共主持省級教學改革課題3 項、校級教學改革課題6 項，發表教學改革論文22 篇，生物工程下游技術教學案例入選校級線上教學案例匯編；團隊成員獲得省級課程思政教學競賽三等獎1 項，校級課程思政示范課程1 項，校級“寧齊堃”教學獎3 項，校級教學優質獎16 次；團隊成員指導學生參加國家級、省級創新創業競賽獲獎8 項。

1.2 課程資源建設

將前期教學改革中錄制完成的生物工程下游技術實驗過程示范操作視頻和實驗儀器使用示范操作視頻加工轉化為線上微課資源，分解生物工程下游技術實驗的關鍵知識點，制作微課，建立實驗室安全知識考核題庫以及實驗技能考核題庫。

1.3 內容體系建設

在前期的生物工程下游技術實驗教學改革中，建立了以目標物質大腸桿菌堿性磷酸酯酶的分離純化為主線的創新綜合實驗教學體系。全部實驗內容系統化集成，大腸桿菌堿性磷酸酯酶的分離制備、離子交換柱層析純化和凝膠過濾柱層析純化三個大實驗環環相扣，貫穿整個下游技術一般工藝流程。在實驗教學過程中，培養學生綜合運用知識的實踐能力、觸類旁通地將原理和技術用于其他生物技術產品分離純化的能力，在實驗體系中給學生創造自主探究空間，指導學生探索優化實驗條件。

2 分層次定位教學目標

課程教學目標對專業培養目標具有支撐作用[9]，對課程教學具有引領作用[10]。教學目標的規劃和設定應具有高階性[11]，以滿足對人才培養質量的需求，同時又應具有落地性[12]，以使教學目標可以在實踐中達成。布盧姆教學目標分類法將認知過程分割為理解、記憶、應用、分析、評價、設計6 個層級[13]。由于理解與記憶、分析與應用、設計與評價之間的依賴關系更為緊密，我們將這6 個層級劃分成低階、中階和高階3 個認知目標階段，根據生物工程下游技術實驗教學的內容，分層次定位了教學目標，構建了進階式教學模式，在實踐中循序漸進地培養學生的能力（見圖1）。初階教學目標鎖定理解和記憶，中階教學目標指向分析和應用，高階教學目標靶向評價和創造。教學目標的設定遵循學生的學習規律，從易到難，循序漸進地實現高階目標、創新性和挑戰度，培養學生實現知識的系統性增加，能力的系統性提高，專業素養的實質性提升。

圖1 生物工程下游技術進階式實驗教學目標

3 初階教學目標的實現

由于初階的教學目標主要靶向理解和記憶，而學生通過先修課程的學習已經具備了生物工程下游技術的知識基礎和技能基礎，形成了相對成熟的邏輯思維能力，因此初階的教學目標主要通過學生的自主學習實現。課前首先向學生發布實驗室安全知識培訓材料，學生通過實驗室安全知識考試獲得進入實驗室的入門資格。其次，將實驗教程中的關鍵知識點轉化成系列問題發布給學生，將基本知識點原理微課發布給學生，以問題清單引領學生在理論課學習的基礎上自主學習實驗課的基本知識點原理。最后，將實驗過程示范操作視頻和實驗儀器示范操作視頻發布給學生，學生通過課前觀看示范操作視頻，學習實驗基本操作流程和操作要點。學生在自主學習中梳理疑難問題，教師在線提供答疑輔導，課中通過互動答題檢測，獲得學習效果的實時反饋，對學生掌握薄弱的知識點進行對應強化。

4 中階教學目標的實現

4.1 以問題引領學生建立完整的解決問題的思考鏈，培養解決問題的能力

在落實OBE 理念之前，在教學中主要側重講授實驗目的、實驗原理和實驗操作要點，以幫助學生順利獲得實驗結果。在這樣的教學過程中，學生解決問題的能力沒有得到充分的發展。究其原因，是在教學過程中，學生建立的思考鏈缺失解決問題的部分。因此，我們結合實驗課的內容，梳理出系列問題，引領學生建立完整的解決問題的思考鏈，培養學生解決問題的能力。

以問題引導學生思考如何確定大腸桿菌堿性磷酸酯酶的分離純化條件。例如，在大腸桿菌堿性磷酸酯酶離子交換柱層析純化的教學中，首先以問題引導學生思考，采用離子交換法分離純化大腸桿菌堿性磷酸酯酶，如何選擇離子交換劑？接下來以問題引導學生思考，如何確定大腸桿菌堿性磷酸酯酶離子交換柱層析的條件？依次設定問題選擇吸附階段的樣品濃度、pH 值、離子強度，洗脫階段的pH 值和離子強度，通過判斷和投票選擇的反饋結果即時獲得學習效果的反饋，針對性地解決學生學習存在的問題。

以問題引導學生思考，如何優化分離純化條件，獲得理想的分離純化結果。例如，在完成大腸桿菌堿性磷酸酯酶離子交換柱層析后，向學生展示不同的純化結果，通過頭腦風暴法引領學生比較純化效果，分析討論導致離子交換柱層析分辨率低的原因及解決辦法。學生在頭腦風暴中主動思考的廣度和深度都得到促進，可以將導致離子交換柱層析分辨率低的原因較為充分地分析出來，并提出相應的解決辦法。

4.2 以實驗示范視頻促進學生應用關鍵技術完成分離純化操作過程

實驗課前學生通過自主學習觀看實驗過程示范操作視頻和實驗儀器使用示范操作視頻，學習實驗操作技術和儀器使用，明確實驗操作的基本過程。實驗課上對記憶不清的地方可以在知到平臺上隨時觀看示范視頻，在此基礎上完成大腸桿菌堿性磷酸酯酶的分離制備和純化過程。在實驗操作過程中，學生可以反復觀看示范視頻，學習實驗操作技術，教師對學生的操作進行糾錯，對關鍵環節進行技術指導。在教學過程中提高了教學效率，提升了教學效果。

5 高階教學目標的實現

5.1 課上延伸學習，通過協同完成小組任務培養學生的評價能力

在完成大腸桿菌堿性磷酸酯酶分離純化實踐操作之后，組織學生舉一反三，以小組為單位，綜合運用生物工程下游技術，完成納豆激酶分離純化工藝過程的設計。進一步組織學生比較評價各小組的設計方案，探討改進措施，引導學生在設計中融入清潔生產的環保理念。在完成評價討論后要求學生提交評價報告。學生以小組為單位完成納豆激酶分離純化工藝過程的設計和評價任務后，在發展評價能力的同時也為學生完成個人課程設計奠定了重要基礎。

5.2 課后拓展學習，通過獨立完成個人課程設計培養學生的創新能力

學生在課上延伸學習中通過對小組設計的評價，已經具備了評價分離純化過程的能力。在課后拓展學習中，以任務推動學生獨立完成自選項目的個人課程設計，實現高階創造性學習目標。要求學生設計一個生物工程下游技術方案，說明要從什么原料中，分離什么目的物質，采用什么樣的下游技術工藝流程及技術方法，達到什么目的，具有什么意義。要求目的明確，意義明確，技術路線合理，過程完整可行，具有創新性。

5.3 協同融合大學生科技創新創業項目，培養實踐創新人才

培養實踐創新人才是課程高階性的重要體現。創新創業項目是培養實踐創新人才的重要依托[14]。我們將生物工程下游技術實驗課與大學生科技創新創業項目協同融合。一方面，通過開放實驗室為學生提供自主探索和創新實踐的重要基地，培養實踐創新人才。指導學生從榨菜、許氏大醬等材料中分離鑒定了多株產納豆激酶的菌株，利用分離到的高產納豆激酶菌株優化發酵基質，基于研究成果指導學生參加大學生生命科學競賽及創業活動。另一方面，以大學生創新研究成果建立納豆激酶分離純化系列內容，作為可選模塊拓展生物工程下游技術實驗課內容。該模式可以緊跟生物下游技術的發展前沿，作出動態的調整，在培養創新人才的同時豐富和更新實驗課程內容。