生物工程专业《试验设计与统计分析》教学改革与实践*

张　儒

(湖南工程学院化学化工学院，湖南　湘潭　411104)



生物工程专业《试验设计与统计分析》教学改革与实践*

张儒

(湖南工程学院化学化工学院，湖南湘潭411104)

根据生物工程专业人才培养目标以及《试验设计与统计分析》的课程特点与教学现状，结合本校教学条件以及近5年教学改革实践，从教学内容和教学方式进行改革与探索。提出切合实际的教学改革措施与方法，我们在课堂教学中注重案例化、任务驱动和科研实践于一体的教学模式，激发了学生的学习热情与主动性，培养了学生的科学研究与创新能力，在实践中取得了良好的教学效果。

试验设计与统计分析；教学改革；实践

生物工程专业是我国重点发展且极具发展潜力的高新技术专业之一。该专业是一门以生物学理论和技术为基础，融合多门学科知识，实践性很强的应用型专业，其科学的内涵属于实验科学[1-2]。在生物工程相关的科学研究中，需要通过大量的试验研究其内在变化规律，对结果统计分析才能得到合理科学的结论，试验设计与统计分析是从事生物工程技术开发和研究的人员必须具备的技能[3]。

试验设计与统计分析是以数理统计理论、专业知识和实践经验为基础，科学地设计试验和收集数据，并对所得试验数据进行整理、分析，达到减少试验次数、缩短试验周期得出客观、科学的结论[3]。因而该课程是一门贯穿于生物工程科学研究工作的重要工具，对培育本专业学生的毕业论文设计、撰写和今后进行试验有重要的作用，在科研能力培养方面具有十分重要的意义。然而，试验设计与统计分析课程具有内容繁多、理论性强、实践应用要求高等特点。学生反映是学习难度大、难有兴趣的专业课程[4-5]。针对试验设计与统计分析课程教学中存在的问题，根据该课程特点和生物工程专业人才培养目标，结合学校的实际对其教学方法和手段进行探索与实践，激发了学生的学习热情与主动性，培养了学生的科学研究与创新能力，取得了良好的教学效果。

1　开展案例化教学，增强课程内容的针对性

实验设计与统计分析涉及微积分、线性代数和概率论等课程，教材信息量大、学时较少，较难实现对教学内容面面俱到，加之内容抽象、原理枯燥、推理过程复杂和计算烦琐等，导致缺乏学习的积极性和主动性，使其难于感受该门课程的现实意义。

案例化教学具有形象化、生动化、简单化和具体化等特点。能将沉闷的学习环境变成轻松愉快的学习氛围，能有效避免教师满堂灌，学生被动接受的问题[4]。通过案例可以增强理论知识的实践应用性。在案例化教学模式下，教师需要积极调动学生参与到案例中来，并引导和启发学生利用所学的理论和方法解决案例中出现的问题。比如我们在综合实验中，优化酿酒酵母发酵产乙醇的工艺，需要考虑影响乙醇产量的因素和水平，需要设计实验、实施、数据收集与整理、统计分析和得出结论等，引用专业实验中的实例，让学生有种身临其境做实验的感受，瞬间让学生将抽象的统计原理联系到实践。再结合以前的实验过程和数据，从专业理论的角度分析，让学生直接体会到整个实验设计及统计分析的实用性和重要性。这样的实例不仅可以激发学生的兴趣，同时也促使学生从专业角度科学的分析和判断实验结果。

为了促使学生进一步强化试验设计与统计分析理论并能深入联系专业知识。我们在优化的酿酒酵母发酵产乙醇的工艺条件下，探讨乙醇合成酶相关基因变化情况，并设计实验采用qRT-PCR的方法分析基因表达水平，并对前期实验数据统计分析。也可以引导学生思考从发酵的酵母中分离乙醇或者其它产品工艺又是如何设计和分析，等等。通过一个实例引出发酵工程、基因工程、分子生物学和生物分离工程等一系列课程的相关知识，即有助于启发学生利用统计学方法解决实现生产中的科研问题。也为深入学习课程内容打下坚实的兴趣基础，使学生由被动学习变为主动学习，使本课程成为学生能够用掌握的方法解决实际问题，借以训练思维、培养能力的课程。

2　采用PBL教学法，培养解决问题和自主学习能力

PBL教学法(Problem-Based Learning)是以学生为主体，通过小组合作的形式共同解决复杂的、实际的或真实性的问题，学习隐含于问题背后的科学知识，以促进他们解决问题、自主学习和终身学习能力的发展[6]。教师根据学生认知水平、专业课程等相关方面提出的问题，对学习成果提出要求，让每个小组的学生明确自己的任务、目标和分工。引导学生利用网络课程等丰富的教学资源解决问题，且必须达到既定的标准。

教师是实施PBL教学法的倡导者、设计者和具体执行者，学生的主体性需要在教师的指导下逐步培养和发展。因此，教师运用新教学方法的心理准备、对问题的选择与设计、对教学资源的准备、调控课程教学的能力决定着教学方法的实施效果[6]。根据学生对知识理解由简到难和循序渐进的特点，将本课程设计为3个方面的技能：(1)基本技能(资料收集与整理)；(2)核心技能(结果分析与判断)；(3)综合技能(数据的统计分析与给出结论)。围绕这3个主要项目，结合专业实际提出问题。比如，如何收集酵母发酵过程中的资料？如何整理？为何要对结果统计分析？如何分析？如何去看分析结果？再结合其它的简单实例，告诉学生在解决问题的过程中要深入思考问题的各个方面。比如，如何获取资源、如何评价资源、如何根据这些资源来解决实际问题等。实现知识传授与技能培养的有机融合。

除了善于提出问题，教师应根据学生的基础、学习能力等的不同，适当准备和设计一些教学资源，并且这些资源难易兼顾，既要考虑到基础知识，也要有拓展知识，既能让学生自主独立、循序渐进的学习，也能让其自主探究学习。

3　加强“任务驱动式”教学，强化学生课程应用实践性

试验设计与统计分析是实践性较强的一门课程，单纯课堂讲授远不能满足教学目标的要求，需要结合相应的实践才能让知识得以巩固。目前的教学方式主要通过完成教材中的课后作业来实践。但是这些作业(任务)相对简单，对知识综合运用和拓展没有太大的帮助。在实践中，亦存在学生不动脑、作业抄袭、学生间互动少、作业应付差事的情况。

任务驱动式教学模式，即学生在教师的引导下，围绕一个切合实际的任务中心，在任务动机的驱动下，调动学生的主动性，进行自主探索和互动协作的学习，并在完成既定任务的同时，引导学生完成学习的一种实践活动[7]。

该教学模式使学生带着真实的任务在探索中学习，构建属于自己的知识和技能，同时提高学生分析问题、解决问题能力。在完成任务的过程中，不断获得成就感，进而激发学生的求知欲，形成自我学习的良性循环，逐步培养出独立探索、勇于进取的自学能力。将以往简单的解决问题转变为以完成任务为目标的探究式学习，学生根据自己对问题的理解，以最积极的态度，竭尽所能的运用各种资源和经验提出方案、解决问题。

根据任务驱动教学法的原理，结合生物工程产品科研生产实践，对教材内容进行适当的删减和调整，减少复杂抽象公式的推导和计算，在授课过程中加入一些专业教师科研中的一些案例，如人参皂苷合成酶基因SS的PCR引物设计和条件优化、渗透压等对葡萄酒酵母发酵过程中甘油合成与挥发酸生成的调节作用、人参皂苷等药用活性成分提取分离工艺优化、葡萄糖苷酶稳定性分析、葡萄糖酶固定化工艺等。再对实验中需要的一些设计和统计分析软件，如正交实验设计、均匀实验设计、Design expert、SAS和SPSS等进行重要介绍。在阶段性完成某一部分内容讲授后，然后布置与上述的实例相关的任务，要求学生分组查阅相关的最新文献，在任务驱动下进行实践和网络拓展。通过指定任务督促学生将课堂讲过的理论知识进一步的消化吸收，借助任务的完成真正实现知识的深入理解和灵活运用，通过课内引导和课外拓展结合弥补学时和教材内容不足的局限，这样既增强了学生团队协作意识，也训练学生查阅资料，进行自主学习的能力。

4　充分利用科研平台，调动学生积极性

“教”的目的是为了学生的“学”，“学”的目的是为了用。然而学习过程需要学生能够独立思考和较高的主观能动性。通过科研活动可以消除学生对课本知识的厌烦情绪，加深了对知识的理解，培养了学生的观察能力、分析能力、实际运用等方面的能力，更重要的是提高了学生的主观能动性。教师如果能及时将一些研究成果带进课堂，深入浅出的让学生对科研的重要性和魅力有所了解，这样会增加学生对科研的新鲜感，也能增加学习的兴趣。为了能让学生所学到的实验设计与统计知识能广泛应用到生物工程专业课程实践和应用之中，在指导学生进行相关的科研活动时，教师尽可能将科研项目与教学内容密切联系，引导学生运用所理论知识对实验结果进行分析和解释，并能提出自己的建议，在合适的时候，还可以让学生独立完成部分科研课题，进一步激发学生科学探索的兴趣。

基于上述的思路，结合化学化工学院省级省高校重点实验室和省校企人才合作培养示范基地等科研平台，开展多种形式的逐层递进的科研创新活动：校级、省级和国家级大学科技创新创业训练计划项目；开放实验(带着自己感兴趣的课题进入实验室)，国家和省级挑战杯大学生创业大赛；湖南省大学生课外化学化工创新作品竞赛等；结合我校发生物工程学科特点，鼓励大二以上的学生根据自己的兴趣，在专业教师的指导下开展科学研究。积极引导学生参加各级科技创新活动，以及各级别的挑战杯大学生创业大赛等活动。近五年，生物工程专业有近100名本科生参加各类科技创新活动，获国家和省级科技创新项目5项；校级科技创新项目20余项；省部级以上挑战杯获奖3项，其它科技竞赛获奖20余项，学生发表论文30余篇，毕业生受到用人单位普遍欢迎。这些成果显示我们这种教学方法的探索与实践取得一定的实效，学生学习的积极性主动性都有明显的提高，教学效果显著。

由于前期的教学内容彼此衔接且循序渐进，引导学生参与科研实践活动，使所学理论知识与科研实践相互衔接、互有补充。我们开展的一系列科技创新活动，明显的激发学生科研兴趣，提高了学生的创新能力。

5　结　语

课程教学必须适应社会发展及人才培养的需要。随着社会发展和科技的进步，已经开始由培养知识型人才向培养创新型能力型和操作型人才转变。因此，教师的作用也应由引导学生学习转变为引导学生自主学习。然而，在我国各大高校的教学中重理论轻实践的教学现象仍然普遍存在，在试验设计与统计分析这样一门理论和实践紧密联系的课程中，此现象也屡见不鲜。

试验设计与统计分析是生物工程专业重要的工具课，通过探索与实践，我们在课堂教学中注重案例化、任务驱动和科研实践于一体的教学模式，激发了学生探索与主动学习的热情，初步取得了良好的教学效果。在以后的教学过程中，进一步优化教学模式，特别要注重解决实际问题能力的提高。为我国的生物工程工业培养出更多优秀的专业人才。

[1]谭之磊, 王颖丽, 贾士儒. 生物工程专业实践教学体系的构建[J]. 广州化工, 2012, 40(19):149-150.

[2]常景玲，李兰，郭丹钊，等．生物工程实验课程教学改革探索[J]. 实验科学与技术， 2008，6(2): 78-79.

[3]惠明, 田青. 生物工程专业《试验设计与数据处理》的教学探讨[J]. 安阳工学院学报, 2009, 37(4):117-119,122.

[4]付晓萍, 李凌飞, 范江平, 等. 食品试验设计与统计分析课程教学改革与实践[J]. 现代农业科技, 2013,22:335-337.

[5]陈柄灿. 《食品试验设计与统计分析》课程教学设想[J]. 西南农业大学学报(社会科学版), 2008,6(1):211-213.

[6]李文莉. 基于问题学习的教学方法影响因素分析[J]. 职业教育研究,2012, 1:141-143.

[7]江宏伟. “任务驱动”化学教学模式的课堂实践研究[J]. 化学教与学,2013, 3:11-12,20.

Teaching Reform and Practice of Experiment Design and Statistical Analysis for Biological Engineering*

ZHANG Ru

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering,HunanXiangtan411104,China)

In view of the training target of biological engineering, characteristics and existing problems in the curriculum of Experiment Design and Statistics Analysis, the content and model of teaching were reformed and explored based on the teaching condition, reformation and practice in recent 5 years in Hunan Institute of Engineering. The model of case-teaching, task-driving and research-practicing was used in the teaching courses. The innovation and exploration of teaching obviously improved the students study enthusiasm and initiative, fostered student’s capacity of scientific research and innovation, and obtained favorable result in practice.

experiment design and statistical analysis; teaching reform; practice

湖南工程学院博士科研启动基金项目(15059)。

张儒(1979-)，男，博士，从事生物工程方面的教学与研究。

G642

A

1001-9677(2016)01-0199-03