生物工程自主學習教學模式探索

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［摘要］生物工程設備基礎是一門集理論和實踐于一體的專業必修課，由于該課程信息量大、計算量大、實踐性強，且學生缺乏對實物的認識和實踐經驗，使得該課程存在難教和難學的問題。為了在有限的授課時間內，讓學生更好地學習并掌握生物技術產品的工業化生產過程及相應設備的配套設計與選型，我們結合自身教學經驗與科研經歷，對該課程的教學模式、教學內容、教學方式與方法、考核模式等進行了改革。結果顯示，激發學生自主學習的教學模式成效顯著。

［關鍵詞］生物工程設備；教學模式；自主學習；教學效果

生物工程設備基礎是西北大學生物工程專業的一門專業必修課。該課程集理論和實踐于一體，既涉及生物過程設計，又涉及該過程上、中、下游相應的處理設備。在該課程中，學生結合化工原理、微生物學、生物化學、生物工藝學等專業知識，學習生物工程設備在整個工藝流程中的配套設計、選型、操作等技術問題，從而提高設計生產工藝、開發新產品、解決實際生產問題等專業技能。然而，生物工程設備基礎課程具有信息量大、計算量大、實踐性強、學習難度大等特點［1］，尤其是對于結構復雜或功能多樣化的設備，由于學生缺乏對實物的認識和實踐經驗，課堂講授時常出現教師難教、學生難學的現象。因此，我們結合自身教學經驗與科研經歷，對教學內容、教學方法、授課形式、考核形式等進行了改革探索，以期提高教學效果。

一、合理安排教學內容，引導學生自主學習

（一）重視緒論教學，激發學生的專業學習熱情。從多年的教學經驗來看，大三學生往往處于專業困惑期，尤其是生物工程專業的學生。由于部分生物工程專業課程的教學對象看不見（如基因）、摸不著（先進的儀器、大型的設備等）、關系復雜（如細胞系統代謝）、計算難（如動力學、設備設計）等，學生對所學專業的熱情受到了影響。因此，緒論絕非是課程正式開始前可有可無的部分。緒論課容量很大，內容豐富，可起到統領全篇的作用。講解緒論時不能照本宣科，教師可通過引入社會熱點問題及生活中遇到的問題凸顯課程的重要性。如人們經常使用的青霉素是怎么發現的，又是如何實現規模化生產的？隨著微生物耐藥性的增強，相關研究人員又是怎么解決這個問題的？在日常生活中，常見的疫苗是如何做到只產生抗體而不具有侵染性的？相應地，這類生物藥品的研發思路和生產工藝是如何在歷史長河中實現一個個階段性突破的？針對目前世人所擔憂的能源危機和環境污染，基于生物工程技術，國內外的科研人員采用了哪些思路、使用了什么方法及設備來生產再生性潔凈能源或解決由礦產資源開采及煉制所產生的水、土、大氣的污染問題？實踐證明，這種方法可以讓學生認識到自己所學不再遠離現實，任何一種新生物制劑的誕生或傳統發酵工藝的改革都與每代“生工人”的付出有關；同時也讓學生知道，目前生產工藝上的不足需要他們每個人去努力解決，借此激發學生自主學習的熱情。對于一些較難理解的章節，我們在講授前都安排了緒論課，設置了一些與關鍵內容相關的問題，告訴學生本章需要掌握的重點，明確應重點學習的內容。同時，講課時告訴學生相應的學習方法，引導其變被動學習為主動學習。（二）重視實例教學，促進學生立體整合所學知識。生物工程設備基礎的教學內容囊括了生物反應過程上、中、下游全程的工藝及相應的設備，不僅每步過程間的操作緊密相關、井然有序，而且所有設備的產能都應配套［2］。結合本課程的理論教學，我們邀請太白酒廠、寶雞啤酒廠等企業的技術負責人一起，從上游的菌種改良、培養基滅菌、種子擴大培養，到中游的基于“三傳一反”的發酵罐選型與發酵過程控制，再到下游提純工藝設計及相應設備的選型，討論并優化教學內容，設計酒精和啤酒的生產實例教學。該模式可促進學生結合實例深入理解各單元知識，從而掌握酒精等大規模發酵產品的發酵工藝及其配套設備的設計與選型。教學內容由簡入難，理論結合實際，并且理論計算融入實際生產。在課堂教學環節，我們深入分析典型的發酵案例，引導學生從實際發酵過程出發，多思考、多計算，優化過程設計，培養學生從工程學、生物學等角度全方位思考問題的能力。（三）重視前沿科研動態及成果介紹，培養學生的國際化視野。生物工程作為一門淵源古老但年輕的學科，所支撐的生物技術產業眾多，涉及人類生活的方方面面［3］。如生物化學和微生物學課程中介紹了糖酵解酶－丙酮酸激酶，該酶的缺乏可引發紅細胞糖酵解酶缺陷性溶血性貧血，現在有效的治療方案源于生物工程產品———促紅細胞生成素（EPO）。老師們結合自己的科研工作，深入剖析了我國氨基酸發酵與日本、韓國等氨基酸強國的差距及其成因，分析了我國酒精工業發酵的研發與美國、英國能源部研發重點的異同及產生差異的原因，同時結合BIO360的生物產業化發展動態，在相應章節適當介紹相關的國際化進展。從教學效果來看，這部分內容的教學可明顯提高學生的專業學習信心，激發學生的專業學習興趣及熱情。

二、靈活應用多種教學方法，培養學生自主學習能力

（一）多媒體教學，變難懂知識為易理解的影像知識。生物工程設備基礎課程涉及大量的圖表和公式，僅靠“粉筆加黑板”的傳統教學手段很難讓學生保持持久的熱情［4］。為了變“枯燥的公式”為“生動的故事”，我們一方面注意幻燈片的色彩搭配，將重點內容突出顯示；另一方面結合“板書”演示公式推導過程，同時介紹前人計算思路和計算方法的演變，將公式的提出及演變還原到前人解決問題時的情景，讓學生置身其中，思考自己該如何解決這些量化分析問題并建立相應的動力學模型。對那些較抽象、難理解的內容（如氣流輸送時顆粒物在水平管中的流動方式有懸浮流、兩相流、團塊流等多種方式），采用多媒體動畫技術可將其描述得栩栩如生；在酒精蒸餾過程中，對初餾塔、精餾塔內的物料分離進行動態模擬，可形象地描述不同揮發度物質在塔中的定位及取樣口的設計。這些可視化的形象演示能顯著改善課堂教學效果。（二）注重理論教學與實踐教學相結合。學生由于缺乏實踐經驗，對生物工程工廠的過程操作缺乏基本的感性認識，難以理解教材中大量的平面圖和計算公式，且對此倍感乏味，學習效果較差。為了將這些抽象的內容具體化，課件內容設計時要避免“照本宣科”。教師可將這些設備及其設計、計算與實際的工業化生產線聯系起來，從生產規模出發，計算每個單元操作的產能，根據產能計算并選擇設備規格及其工程參數。通過把復雜的科學問題轉變成具體操作問題，教師可引導學生變身為“車間主任”，思考生物加工過程中每個單元操作環節的生產規模布局、生產線設計與計算，并依據生產工藝進行相應設備的選型。同時，教師可以給學生推薦適合的參考書和參考資料，引導學生帶著問題主動自學，培養學生的專業自主學習能力。課堂上，學生通過答辯可以充分展示其自學成績。另外，我們依托化工學院的中試研究平臺，結合專業實驗，讓學生走進實驗室親自動手操作一些中試生產設備，在實踐中發現問題、解決問題，引導學生利用所學知識解決實際問題，真正體現教育“學以致用”的目的。我們在課堂教學結束后安排了實踐學習，讓學生在實習過程中及時整理自己的收獲并提出見解，將感性認識升華到理性認識。多年的教學實踐表明，這種理論聯系實際的教學模式可以激發學生對專業課程的學習興趣，提高學生的專業學習熱情。

三、多種教學形式有機結合，提高學生自主學習能力

（一）啟發式教學。在教學過程中，我們有針對性地運用了提問式、啟發式、討論式教學方法。如在通風發酵設備的教學過程中，我們采用比較式教學方法來分析本章3種通風發酵設備的優缺點；在講解較枯燥的滅菌動力學時，我們提前安排學生思考如何用數學模型來控制滅菌操作，從而既達到生產工藝的無菌需求，又能使營養基質滿足工藝需要。由于過濾操作的模型式歸納對學生來說很重要，這部分采用啟發式和討論式教學模式，讓學生思考如何控制這一單元操作。教師在學生討論的基礎上，再進一步講解對數穿透定律及其修正。（二）報告式教學。結合生物工程產業的快速發展，我們選定了一些有代表性的生物技術產品，設置專題閱讀與研究課題，規定重點內容，讓學生自學并分組匯報，充分調動學生挑戰難題、征服困難的積極性，培養學生嚴謹的學風和科學的態度。對于專題研究中較易出現錯誤的地方及學生的知識盲點，指導老師通過設置問題提前讓學生有目的地“查漏補缺”，及時完善自己的知識結構及專題報告。如發酵過程中，基于所選定的發酵微生物的生長代謝特性，如何依據質量守恒定律提高琥珀酸的產量？對此，我們要求學生查閱美國能源部和英國能源部的統計數據與開設的研究課題，從細胞代謝機理出發，設計提高產率的新調控工藝；在課堂上，引導學生對這些易錯知識點展開討論，通過答辯環節讓學生積極思考，發現并商議如何解決問題。這種模式既避免了老師唱獨角戲，又充分訓練了學生的縝密思維。（三）設計式教學。結合我院的中試發酵教學實驗，我們以青霉素、重組人血清白蛋白等產品為例，要求學生從實際工業生產出發，設計一套完整的生產線，包括上游菌種改良及物料前處理、中游發酵、下游分離純化。在模擬生產線建設時，我們要求學生配套設計整條生產線的過程設備，同時要求工程參數與工藝參數有機結合，細化設計各種參數（溫度、攪拌器轉速、溶氧、pH、碳源濃度、氮源濃度、菌體濃度、目標產物濃度等）的檢測分析方案。依據在線／離線檢測的過程參數，我們讓學生分析并優化發酵過程控制，建立一套行之有效的青霉素或重組人血清白蛋白等工業發酵工程工藝參數，實現目標產物的高效合成。實例設計教學模式不但要求學生大量查閱資料，分析文獻數據與自己獲得的中試數據的異同及產生原因，而且要求學生掌握實驗設計、數據處理與分析、動力學模型解析等技能。這種教學模式不僅可以培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，還可以促進學生將骨干專業課程進行融會貫通。

四、完善考核方式

該課程包括課堂教學和實踐教學。課堂教學以考試為考核手段，實踐教學通過論文答辯進行考核。理論聯系實際的教學模式培養了學生的創新能力、工科思維和科學思維。從我們目前的教學經驗來看，為學生布置國內外熱點藥品或生物燃料等產品的生產過程設計與優化，可以激發學生的專業學習熱情，促進學生將已學的骨干專業課進行融會貫通，從根本上認識專業學習的價值。在師生互動的教學模式下，學生的學習熱情很高，學習效果較好。

五、小結

針對生物工程設備基礎課程教學內容、教學方法、授課形式、考核模式的改革較好地解決了該課程難教和難學的問題，極大地提高了學生自主學習的積極性。在課堂教學過程中，師生互動良好，教學取得了較好的效果。

參考文獻：

［1］舒國偉，陳合，呂嘉櫪，等．《生物工程設備》課程教改初探［J］．新西部（下旬刊），2013（z1）：47，24．

［2］高振鵬，岳田利，王周利．“生物工程與設備”課程教學改革與實踐［J］．農產品加工，2015（22）：82－84．

［3］張雁南，劉剛，李彥國．生物工程設備課程教學改革的探索與實踐［J］．長春師范學院學報（自然科學版），2010，29（2）：141－142．

［4］項駟文，魏勝華，陶玉貴，等．生物工程專業《生化工程與設備》課程教學改革與探索［J］．安徽農學通報，2013，19（21）：83－84．

作者:樊安 馬沛 惠俊峰 駱艷娥 單位:西北大學