面向合成生物產業需求的生物制藥工程設備課程教學改革

中圖分類號 TQ464;G642.0 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731（2025）16-0127-05

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.028

Abstract： To cultivate high-quality applied talents in synthetic biology，this studycarried outa systematic teaching reformon thecourseof Biopharmaceutical Engineering Equipment.Itanalyzed the current teaching situationof the course，including problems such as the dominanceof conventional lecture methods，the lack of practical teaching content，and the imperfection of the assessment system.By integrating the BOPPPS model and the double-teacher system to optimize the teaching content，a practical teaching method covering the whole process of gene operation， fermentation technology，separationandpurification，and preparation preparation was constructed.Moreover，a diversified evaluation system consisting of“usual performance + experimental report + basic assessment + （20 comprehensive assessment”was established.The reform has achieved remarkable results in the past 2 years： the scores ofstudents showanormal distribution，the proportionofstudents inthe2O21 grade who scored above9Opoints reached 7.4% ，which is an improvement compared with that before thereform，with zero failure，and the average score of teaching evaluation reached98.5 points.The research shows that the teaching reform of this course has strengthened students’systematic understanding of pharmaceutical engineering equipmentand improved theirabilityto analyze and solve practical problems.This paper provides a reference for the reform of similar biology courses.

Keywordssynthetic biology industry; Biopharmaceutical Engineering Equipment;teaching reform; industrial demand

生物制藥工程設備課程整合了數學、物理學、化學、微生物學、化工原理和工程學等多個學科的知識體系，并依托基因工程、細胞工程、蛋白質工程技術，重點培養學生在生物藥物研發與規模化生產中的工程設備應用能力。合成生物產業作為融合多學科技術的新興產業領域，其蓬勃發展對生物制藥工程設備的精準應用、高效適配提出了更高要求。該課程培養的具備設備應用能力的學生為合成生物產業中生物藥物的研發與生產提供有力支撐，助力合成生物產業實現技術轉化與規模化發展。

吳旻等對生物制藥設備課程進行教學改革，提出線上線下相結合的方式，通過小組合作進行研究性教學，培養了學生的創新意識和能力，提高了教學質量。張偉等基于工程能力培養探索生物制藥設備課程教學改革方法，提出建設一體化課程體系、采用多種教學方法、加強學生實踐能力培養等措施，提升了學生的學習積極性和綜合能力，同時增強了其參與科研工作的興趣并促進了科研成果產出。周玉燕等3利用Moodle教學平臺優化課程設計與課程管理，并對學生學習全過程進行系統性評估，使教學內容更加生動具體，加強了師生互動，提高了課程教學效果。孫飛龍等4基于BOPPPS法開展生物制藥工程線上課程改革，充分調動了學生參與課堂教學的積極性，激發了其學習興趣，并取得了良好的教學效果及較高的教學滿意度。

目前，面向合成生物產業的生物制藥工程設備教學改革研究較少。本文基于該課程研究現狀，從優化教學內容、創新教學方法和突出考核特色等方面，闡述了具有合成生物學特色的生物制藥工程設備課程的教學改革，實踐表明，學生該課程成績得到明顯提升，并實現零掛科，本文為相關地區工業生物技術的發展提供參考。

1生物制藥工程設備課程建設現狀

1.1 教學內容方面

常規的工科類院校本科生培養體系中，理論知識的傳授一般占據主導地位，而對學生實踐能力和科研素養的系統性培養則相對薄弱[5-7]。生物制藥工程設備課程的學生人數多、教學任務重、課時相對較少，教學內容暫局限于生物制藥技術相關設備的基礎理論講解和簡單的驗證性實驗。這些實驗項目之間缺乏有機聯系，導致教學內容呈碎片化特征，難以滿足合成生物產業對專業技術人才的培養要求。

1.2 教學方法方面

在實踐教學環節，教學方法主要以教師示范、學生模仿操作為主。學生在實踐過程中缺乏自主設計和創新的機會，難以培養其獨立思考和解決問題的能力。例如，在設備安裝調試實驗中，教師通常會詳細講解安裝步驟和注意事項，然后學生按照教師的示范進行操作，這種教學方法限制了學生的主動性和創造性，不利于學生實踐能力的提升。此外，實踐教學中的小組合作學習也存在不足，小組成員之間缺乏有效的分工協作，無法充分發揮團隊合作的優勢。該教學模式容易助長學生的思維惰性，且不利于培養其應用理論知識解決實際問題的能力[8-9]

1.3考核評價體系方面

目前，該課程的考核評價體系中，理論考核占比較大，通常以期末考試成績為主，平時成績所占比例相對較小。此外，現有的實踐考核機制主要依據出勤率和實踐報告質量進行評價，較難真實反映學生對設備原理和操作要點的掌握程度，使得平時表現優異的學生得不到應有的激勵。這種考核方式忽視了對學生實踐能力、創新能力和綜合素質的評價，在一定程度上制約了教學效果的提升[10]。

2生物制藥工程設備課程改革實踐

2.1 優化教學內容

常規教學環節通過講授核心設備基礎理論知識，難以培養學生的實踐能力。基于此，構建了完整的BOPPPS教學閉環（如圖1所示）。在課前準備階段（BOP），教師提前2～3d將生物制藥課程的PPT、核心設備說明書等資料發布至教學平臺，布置預習任務，幫助學生建立知識框架。核心的參與式學習環節（P）采用啟發式教學引導學生積極參與課堂活動，如通過講述設備發明故事激發學生興趣，并設置互動環節計人平時成績以提升參與度。課后通過線上/線下作業進行學習效果與教學成效評估（P）；最后要求學生系統總結（S）課堂所學內容并分享學習心得。呂丁丁等和李智俊分別分析了BOPPPS模式在病原生物與免疫學和食用藥用菌生產技術課程中的應用，證實這種教學模式通過優化教學環節銜接、強化過程性評價，能有效提高學生的自主學習能力和學習成效，優化課程的教學效果。

圖1基于BOPPPS教學模式的課程教學內容和方式的優化

在實踐教學環節重點強化實驗操作技能的培養，通過創新教學方法來提升教學效果。在產教融合方面，深度整合企業資源，將制藥企業生產一線的實踐經驗系統融入教學內容，并實施雙師制教學模式，即在教師講授的基礎上邀請生物制藥企業工程師進行實踐指導，引導學生從實際生產的角度思考實驗流程及設備應用，加深學生對實驗目的及意義的理解。翁德會等[13研究分析\"雙師雙能\"在校企合作和人才培養中的應用，證明了雙師授課可有效提高教學質量，培養學生解決制藥工程領域實際問題的能力。

2.2 改進教學方法與手段

圖2藥物蛋白制備的全流程實驗

教學方法上采用項目驅動式教學，教師提供實驗設備、任務目標及基本框架，學生自主完成實驗流程設計、方案制定、材料準備及設備功能研究。同時創新分組實踐機制，根據實驗的復雜程度對學生進行分組，通過明確組內分工、強化團隊協作、實施組長負責制等措施將團隊合作成效納入考核體系，充分調動學生學習積極性。在保留基礎技術實驗和理論驗證實驗的基礎上，增設了設備設計性實驗和融合多個核心制藥設備操作環節的綜合性實驗[4]。例如藥物蛋白制備的全流程實驗（如圖2所示），涵蓋從藥物蛋白的菌株構建到 50L 發酵罐培養，再到蛋白分離純化的完整制藥工藝流程[15]。不僅強化學生對制藥工程設備的系統性認識，更凸顯了該專業人才培養的鮮明特色。

基于該學科實踐特色，以重組大腸桿菌制備人表皮生長因子為案例[1，構建了涵蓋基因工程操作、發酵工藝優化、產物分離純化及制劑制備的全流程實踐教學體系。在教學實踐中，學生將完整參與從重組大腸桿菌的構建、高密度發酵，到人表皮生長因子的分離純化、產品冷凍干燥及分裝的全過程。通過訓練，學生不僅能夠熟練使用基因擴增儀、電轉儀、電泳設備等分子生物學儀器，還能深入理解 5～ 50L發酵罐、板框壓濾機、高壓勻漿機等中試設備的操作原理，以及親和層析、陰/陽離子交換等純化技術和凍干、分裝等制劑設備的應用要點（如圖3所示）。該教學方法提高了學生的實驗操作技能，深化了其對專業理論知識的理解，并通過掌握系統化的設備操作訓練，強化學生對核心設備構造和功能的認知，提升了學生分析和解決問題的能力。

圖3實踐教學內容的工藝流程涉及的核心設備

2.3 改進考核評價方式

該課程對實驗教學評價體系進行了系統性改革，建立了全過程、多維度的考核機制。在過程性評價方面，增設實驗結束后的總結研討環節，并要求學生制作PPT匯報實驗成果與心得，重點考察其對實驗原理的理解深度和對設備操作的掌握程度。在最終考核環節，采用基礎考核（ 30% 與綜合考核L 30% ）相結合的方式：基礎考核主要考查學生對關鍵實驗操作單元的掌握情況，綜合考核則通過PPT匯報考察其知識綜合運用能力，輔以期末筆試測試學生對知識的綜合運用能力和創新能力。結合平時表現（ 20% 和實驗報告（ 20% ，形成平時成績 20%+ 實驗報告 20%+ 基礎考核 30%+ 綜合考核 30% 的多元化評價體系（表1）。相關學者的研究證實，多元化考核體系可有效激發學生學習熱情，切實反映學習效果[17-18]

表1課程考核方案一覽表

3改革成效

本文基于厚基礎、寬口徑、求創新的理念，對生物制藥工程設備實踐課程體系進行了全面改革。在教學內容方面，構建了完整的BOPPPS教學體系，提升學生自主學習能力和課堂教學效果。在教學方法上，增加綜合性和設計性實驗項目，整合制藥工藝的核心設備，深化了學生對專業理論知識的理解，充分調動其學習主動性。同時建立了“平時成績 + 實驗報告 + 基礎考核 + 綜合考核”的多元化評價體系，實現了生物制藥工程設備實踐教學體系的全面改革與提升。

基于合成生物產業的生物制藥工程設備教學改革已經連續開展2年。通過對比分析2021級（2024年度）、2020級（2023年度）、2019級（2022年度）和2018級（2021年度）4屆學生的綜合成績分布（如圖4所示），結果表明：學生成績均呈正態分布，表明改革之后的課程內容、教學方法和考核體系科學合理。成績低于70分的學生數量較改革前（2018、2019級）明顯下降，并實現零掛科；改革后成績高于80分的學生數量明顯增加，其中2021級90分以上的學生占比達 7.4% ，較2018級和2019級有所提升。學生評教的平均得分為98.5分（ SD= 1.5），獲得廣泛好評。這些數據充分證明，本次教學改革成效顯著，具有原創性、實踐性和可操作性強等特點。本次改革成果為合成生物產業發展培養高素質專業人才。

圖42021級、2020級、2019級和2018級課程成績分布

4結論與展望

本文對生物制藥工程設備課程實施了系統性的教學改革。通過整合BOPPPS教學模式、雙師制授課等多元化教學，重構了貫穿基因操作、發酵工藝、分離純化到制劑制備全流程的實踐教學方法，并建立了包含平時表現、實驗報告、基礎考核和綜合考核的多元化評價機制。改革成效顯著：學生成績顯著提升，2021級90分以上學生占比達 7.4% ，較改革前提升明顯，實現零掛科且評教平均分達98.5分。為進一步提升改革成效，應鼓勵學生參加大學生生命科學競賽和遺傳工程設計大賽iGEM（InternationalGeneticallyEngineeredMachineCompetition）等高水平學科競賽，增強其團隊合作意識和勇于擔當的責任感，持續為區域產業發展培養高素質應用型人才。本文為培養合成生物產業相關人才和生物制藥工程教育改革實踐提供參考。

參考文獻

[1]吳旻，向斌，鄭珩，等.《生物制藥設備》課程的教學改革與探索[J].教育現代化，2020，7（37）：58-60.

[2]張偉，李芊，王平，等.基于工程能力培養的《生物制藥設備》課程教學改革探索[J].廣東化工，2017，44（10）：236-237.

[3]周玉燕，張明芮.Moodle平臺下《生物制藥設備》課程建設的研究[J]赤峰學院學報（自然科學版），2013，29（14）：266-267.

[4]孫飛龍，王雅靜，何琪鈺.基于BOPPPS教學法的生物制藥工程線上有效教學策略與實踐[J]生物工程學報，2022，38（12）：4808-4815.

[5]郭緒虎，王潤梅，劉小翠，等.新工科建設背景下“生物工程設備”教學改革與實踐[J]教育教學論壇，2022（22）：89-92.

[6]李春鳴.民族高校《生物工程設備》教學難點探析：以西北民族大學為例[J]西北民族大學學報（自然科學版），2020，41（4）：90-92.

[7]閻欲曉，粟桂嬌，莫柏立，等.基于成果導向教育理念的“微生物工程工藝與設備”課程教學改革與實踐[J].微生物學通報，2020，47（4）：1011-1018.

[8]劉瓊，蔚曉敏，黃孝天.現代微生物學研究生課程教學改革與實踐：專題教學與seminar教學模式相結合[J].微生物學雜志，2024，44（1）：123-128.

[9]周吟.生物工程專業普通生物學課程教學改革探索[J]安徽農學通報，2024，30（14）：108-112.

[10]武忠偉，王明艷，張榮先，等.微生物學課程思政元素的挖掘、融合設計與教學實踐[J].食品工業科技，2023，44（15）：410-417.

[11]呂丁丁，劉福杰.病原生物與免疫學課程BOPPPS教學模式探索[J].安徽農學通報，2024，30（5）：116-119

[12]李智俊.基于BOPPPS教學模式的食用藥用菌生產技術精品在線開放課程建設研究[J]安徽農學通報，2024，30（4）：120-123.

[13]翁德會，程弘夏，許臘英.培養應用技術型制藥工程人才內涵建設模式的探索與研究[J].山東化工，2017，46（24）：160-161，163.

[14]曾小美，蘇莉，劉亞豐，等.合成生物學底盤微生物細胞的應用及其生物安全在創新型本科生培養中的實踐[J].微生物學通報，2020，47（4）：1224-1229.

[15]LIU K，TONG Z，ZHANG X Q，et al.A review：development of a synthetic lactoferrin biological system[J].Biodesign research，2024，6：0040.

[16]LIU K，WANG F Q，ZHAO M，et al. Economicoptimization of expression of soluble human epidermalgrowth factor in Escherichia coli[J]. Biotechnologyletters，2022，44（12）：1401-1414.

[17]盧彥，張冬梅，李俊，等.《生物化學實驗》課程考核改革的探索與實踐[J].高教學刊，2020，6（32）：137-140.

[18]柳大軍，趙婉清，靳輝，等.動物生理學實驗課程教學改革探索[J].安徽農學通報，2024，30（20）：122-125.

（責任編輯：李媛）