生物工程专业创新实验应用型人才新培养模式的探索——以生物制药方向人才培养模式为例

吴晓敏， 张 强， 宋运贤， 查岭生， 段永波， 张海军

(淮北师范大学 生命科学学院， 淮北 235000)

生物工程专业创新实验应用型人才新培养模式的探索

——以生物制药方向人才培养模式为例

吴晓敏， 张 强， 宋运贤， 查岭生， 段永波， 张海军

(淮北师范大学 生命科学学院， 淮北 235000)

摘 要为了不断适应高等教育改革和发展的形势，满足生物制药等相关行业和科研院所研究生深造的需求，积极探索高等师范院校生物工程专业(生物制药方向)的教育教学规律，进行创新实验应用型人才培养，构建“立体化、四层次、三步走”的人才新培养模式，形成专业特色突出、体系独立完整、管理科学和学生主体地位突出的教学培养体系。通过创新实验应用型人才培养模式体系的构建和探索，解决生物工程专业(生物制药方向)学生理论基础与实践(科学研究)应用(生物医药领域)脱节的问题，形成以实践能力和创新能力培养为重点，着力提高学生的综合应用能力，促进学生科研深造与就业工作两方面发展，适应科研院所研究和生物医药科技相关公司企业的要求。

关键词创新实验；应用型人才；教育规律；培养新模式

据统计截至2015年我国已有本科高等学校2542所，随之而来的不仅是高校毕业生数量急剧增加，就业形势也日益严峻。据最新报道，2016年全国高校毕业生已高达约770万人，比2015年增加约21万人，与此同时师范类高校毕业生将面临更为严峻的就业形势。学生的就业压力直接影响到日常学习的积极性，严重阻碍创新型、实践应用型高素质人才的培养。对于师范院校的生物工程专业来说，大量毕业生面临的就业问题主要存在于大学学习内容与实际工作要求脱节，面临改行转型。为促进我校生物工程专业学生创新应用实践能力的培养，满足当前生物制药相关行业和科研院所研究生深造的需求，我们立足师范院校重视中小学教师人才培养的教育教学规律的同时，积极探索构建创新实验应用型人才培养模式体系，为提高学生创新素质与实践应用能力提供保障。

1生物工程专业(生物制药方向)理论与实验教学面临的问题

目前我校生物工程专业本科生培养方向主要有发酵生物工程、食品化学与工程和生物制药3个方向。生物制药方向是近年来伴随着生物工程技术开发应用与社会发展需求激增而形成[1]，也是我校生物工程专业重要的培养方向之一。目前我校生工专业生物制药方向的本科生仍以理论基础课(如微生物学、酶工程、基因工程、细胞工程、生物化学和生物制药工艺学等课程)学习为主，缺少生物制药相关的主干课程如生药学、生物药物分析与检验、药物化学、药物分离纯化等药学类专业课；另外，与之相配套的相关实验教学项目和课时不足的问题导致学生对生物制药相关的实验技术操作训练严重匮乏，难以得到较好的人才培养效果[2-5]。近年来随着不同学科交叉的深入渗透以及计算机软硬件技术的迅猛革新，计算机辅助药物设计(CADD)技术日益成熟。通过CADD技术成功设计的药物制剂早已上市或进入临床研究阶段，进一步表明计算机辅助药物设计这门生物模拟实验技术已广泛地改进目前传统药物研发过程，这也给我们生物工程专业(生物制药方向)的教学和实验研究都提出了更高的要求[6-8]。计算机辅助药物设计、药物设计等相关专业课程本身是基础学科(药学、化学和生物学)和计算机软件应用技术的交融，所涵盖的基本理论知识与模拟计算实验技术手段都非常多，尽管有助于培养学生具有扎实多学科理论知识和多学科综合创新应用实践能力，但教学难度非常大[9]。我院已建立了计算机辅助药物设计、生物信息学等生物模拟实验平台，积极摸索探讨了一系列教学方法与实践手段，仍然存在以下问题：学生基础知识储备不足、生物制药课程实践不系统、软件调试学习困难、实验模拟动手能力不高以及相关案例教程模拟难以灵活掌握等问题。为拓展我校生物制药方向学生科学实验视野、加强实践应用能力的培养效果、适应相关科研院所研究生的需求，我院立足以师范院校为特色，探讨目前生物工程专业创新实践应用型人才的培养新模式，满足目前生物医药公司和生产企业所需的专业应用实践型人才[10, 11]。

2 构建生物工程专业创新实践应用型人才的培养新模式

2.1构建“立体化、三层次、四步走”的理论实验教学新模式

为不断适应高等教育改革和发展的形势，积极探索师范院校生物制药方向的教育教学规律，我们坚持以满足生物制药等相关行业和科研院所需求为目标，进行创新型、应用型人才培养，构建“立体化、三层次、四步走”的培养新模式(如图1所示)，形成专业特色突出、体系独立完整、管理科学、学生主体地位突出的教学培养体系。

图1 “立体化，三层次，四步走”主体思想的新培养模式

第一步，对药物化学(药物毒性分析)、结构生物学、生物化学、分子生物学、化学生物学、细胞生物学、生理学等生物制药方向的理论基础课教学内容进行梳理提炼；加强对学生计算机辅助药物设计、生物制药学、制药工艺学以及生物信息学等专业课程实验技能的培养，以验证性实验为主，小综合实验为辅，既加深理论知识的理解，又培养实验基础技能与应用。第二步，在完成上述理论课与基础实验技能训练的基础上，增加综合实验训练项目，实验内容表现为实验与理论计算学科之间的交叉，既巩固实验技能与应用，又加强学科之间的横向联系，为学生完成毕业论文设计、就业工作以及将来进一步深造打下基础。第三步，根据不同学生兴趣爱好与未来规划发展需求，增加专业方向案例设计性实验，以设计为主，完成课题案例实验。第四步，针对基础知识扎实，又具有实践技能的学生通过申请自主创新项目的形式进行实验自主设计，通过解决前期实验训练中存在的实际问题进而培养创新能力。

在上述的基础实验、综合实验、专业实验和创新实验4个阶段遵循由简到繁、由浅入深的原则，逐步实施制定的实验培养方案，注重培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，而不是简单的掌握课本理论与实验技能，尤其是最后阶段的课题案例专业实验和自助设计的创新实验，着重培养学生创新意识和较强的自主动手能力以及严谨的科研作风。在这4个层次的实验内容选择上力求把知识结构的完整性、学生自主独立的选择性、课题案例的应用性和不同训练实验的开放性融为一体，凸显以学生主体地位为本的个性化培养模式。

2.2新培养模式下创新实验实施的探索

为渗透贯彻 “立体化，四层次，三步走”的人才培养新模式，首先在修订生物工程专业人才培养方案中，将以往的选修课开课时间调整更为宽泛，给不同基础的学生提供更多的选择机会，学生可根据个人的自身学习进度情况与技能基础在第4、第5、第6、第7个学期里选择适应的课程进行学习。在前两个学期中，学生可根据掌握的基础知识进入实验室只进行各项基础实验，在基础实验阶段主要采取实验室开放[12]，学生可以进行基础实验，训练基本实验技能，但是专业综合实验不开放，避免前期基础训练不够；在后两个学期中，学生掌握基础实验技能后，可以进行专业设计性实验和部分综合实验训练，在此实验阶段，既进行实验室开放，同时进行专业设计和综合实验开放，进而达到扎实基础为基，创新训练为本的目的。其次，我们将相关应用性课程大纲增加实践教学的比重，如通过调整学时比例为学生开设《计算机辅助药物设计》上机实践操作机会。最后，为加深生工专业学生对课堂所学相关课程知识的应用，提高对实际生产过程的认识，我们在制定生工专业实验教学体系改革中，着力改革相关生物发酵和制药工程方向的实验教学体系。结合本专业生物发酵与制药工程两个方向实验教学的特点和现有的工作基础，我们主要从基础实验虚拟仿真、课题训练虚拟仿真和创新实践虚拟仿真三个层次逐步进行建设完整的发酵工程虚拟仿真实验和生物制药仿真实验教学资源平台，并在日常实验教学活动中，将教师承担的“虚”(理论模拟计算)与“实”(实证研究)两方面相关课题内容贯穿进入到生物工程本科教学活动中，着力提升了学生的创新能力。例如在2015年度，我院生工专业学生根据自身学习情况，积极参与到相关课题项目中，共申报并获批校级A类综合实验室开放项目4项，B类基础实验室开放项目29项，6项重点，均进展顺利，达到了预期效果，顺利结题，并且学生积极申请“2015年度安徽省大学生创新计划项目”，经学校择优遴选12项课题，推荐为“2015年度安徽省大学生创新计划项目”并全部获批，相比以往的培养模式效果明显。另一方面，通过不同层次阶段的实验训练，加深了生工专业学生对相关专业课内容的理解，生工专业学生的考研录取率也从2014年的32.6%提高到2015年的41.8%。

2.3新培养模式下教学资源与教学方法的探索

2.3.1整合现有实验验证平台，引入理论模拟计算(计算机辅助药物设计、计算生物学及生物信息学)

改变传统的纯实验平台训练，建设开放、互联、共享的基础生物制药实验教学平台和综合设计实验教学平台，探索以能力为本的多元化教学模式、教学手段和教学方法，协调理论教学和实验教学，开放各个不同专业实验室，实现资源共享，节省资金进一步建设理论计算平台，特别是引入目前国际主流常用的相关软件。目前我们的部分实验平台已搭建在暨南大学生命医药科学研究中心与深圳超算中心的高性能计算集群上，为学生基础实验训练与课题案例专业实践都提供了有利的软硬件资源支持。让学生在掌握理论知识基础上学会如何将书本理论应用到真正的模型体系范例中，加强学生的实验软件系统调试与数据统计分析能力；并要求在实际操作中深刻领悟并能自主调试处理软件相关问题，逐渐培养学生成为软硬件知识、理论计算与实验操作兼具的创新应用实践型专业人才。比如我们在《计算机辅助药物设计》课程中，通过引入国内外计算机辅助药物设计最新文献案例分析，让学生在教学过程中掌握计算机辅助药物设计基本原理，了解各种常用药物设计模拟计算软件及其相关上机操作实验问题，为后期进入案例课程分析打下基础。在日常课程教学中融合课堂师生互动讨论与分组协作实验、实验视频与软件教程同步、案例课题模拟实验与学生上机指导等多种方式[9]。

2.3.2开发网络实践教学资源，引入开放性实验教学

在多媒体教学的今天，我们除了需要搭建校内外网络平台，最重要的是引入网络教学资源。因为实验所需的书本文献资料可以在网上直接获取，实验教程和案例以及实验实施过程都可以借助网络教学资源进行，所以在互联网信息产业高速发展的今天，新的教学模式与互联网也是密不可分的。理论课和实验训练我们均可以采用多媒体方式进行教学，并通过网络硬盘和远程集群登录的形式建立网上虚拟实验室，实现教学手段多元化，让学生在课上和课下都可以进入网络实验平台进行生物实验的观摩和学习；同时鼓励学生有效利用网上资源，开展文献调研、数据采集下载、线下数据分析与对照，引导学生对网络教程案例进行比较验证他们的实验结果，极大提高学生的动手应用实践机会。例如我们在《计算机辅助药物设计》课程中，将实验所需要的Schrodinger、GROMACS 5.0.2、Discovery Studio 4.0、Insight II2005、VMD 1.8.7和Pymol 10.0.3等软件统一安装压缩在虚拟机中，学生课堂上机实验和课下练习只需将虚拟机压缩包挂载到个人电脑上就可运行，无需进行Linux系统和复杂软件的安装调试，并且软件文件的读取可直接登录各种数据库或通过网盘形式下载，完成后的实验结果也可远程进行分析比较和网盘上传提交，通过这种开放性实验教学资源约90%学生在规定学时内能够迅速熟练掌握大纲要求的教学内容。

2.3.3利用网络教学综合平台，加强混合教学课程的设计与建设

提高对学生的培养教育质量，一方面要构建与相关专业课程相辅的实验或实践操作平台，着力形成一整套包括培养定位、培养理念及培养模式的运行体系；另一方面，必须调动生物制药相关专业教师科研与教学互动相长的能动性与积极性[13-15]，各制药专业课教师结合自身科研项目课题充分发挥其学术研究特长，在课堂授课过程中能充分将理论基础知识点与最新相关研究动态紧密结合，让学生切身感受到专业课的应用实践效果，进而调动学生的求知主动性以及激发他们的科学研究兴趣，为满足学生将来实践就业和未来学术发展等诸多方面的需求提供更多的接触平台与锻炼机会[9, 11]。首先在课堂教学中改变传统的传授模式，用循环问答互动的方式来引导学生构建自己的知识体系，以对等的讨论引导学生在已掌握知识的基础上构建新的知识体系。其次，在课堂之外，我们积极搭建与学生交流的沟通平台，除了课堂直接互动沟通外，课堂下通过网络教学综合平台、微信群、QQ群以及手机APP程序等多种自媒体交流方式，广泛征集学生对教学内容、教学方法、教学形式等方面的反馈信息，并予以适时调整。结合每个学生的特长兴趣为基础点，以实践能力和创新能力培养为重点，着力提高学生的综合应用能力，拓宽学生理论课知识与实践能力相结合的道路。最终起到提高教师对知识的引导作用，而不是简单的传授知识；培养学生对知识的能动构建作用，做到真正的掌握吸收，而不是简单的实验重复与知识堆积。

3结语

生物医药业的快速发展为新的就业市场开辟了广阔的前景，也极大地推动了生物制药人才培养模式的革新与发展。研发新药物信息的层出不穷，数以万计的文献报道加速了本领域广度和深度的拓展，领域中的药物设计方法，分子模拟筛选、药物作用反应机理等相关操作在实践中发挥越来越大的作用，这对于生物工程专业(生物制药方向)人才培养是一个新的挑战，也是一个机遇。根据最新研究动态变化和社会专业人才的需求，及时制定一整套既具有自己特色又能满足当前形势和需求的人才培养模式是至关重要的。随着未来健康医药产业对绿色生物制药业依赖性的增强，生物工程专业(生物制药方向)的学生将面临更为广阔的就业工作平台和科学研究领域。

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Exploration of the new cultivating mode of comprehensive applied talents with innovation ability oriented to the bio-engineering specialty——taking the bio-pharmaceutical direction as an example

WU Xiao-min， ZHANG Qiang， SONG Yun-xian，ZHA Ling-sheng， DUAN Yong-bo， ZHANG Hai-jun

(1. College of Life Science, Huaibei Normal University, Huaibei 235000, China)

AbstractIn order to adapt to the innovation and development of higher education, the educational and teaching rules of setup bioengineering specialty (bio-pharmaceutical direction) for students in normal universities are actively explored. The "a three-dimensional teaching mode of integration with three levels through four steps" cultivation is constructed by reconstructing creative and applied experimental instructor on basis of meeting the demands of the pharmaceutical and other related industries and companies as well as postgraduate studies of research institutes and colleges. A cultivating system with prominent professional feature, independent and comprehensive system, scientific management and the prominently subject status of student is perfectly formed. These solutions could perfectly solve the disconnection problem between the theoretical basis and practice in the scientific research and the application in the field of bio-pharmaceutical and medicine. This cultivation is focused on forming the ability of practice and innovation for the bio-pharmaceutical students, and improving their comprehensive application. These initiatives promote the two aspects of students′ development in further scientific investigation and formal employment development, adapting to the requirements of scientific research of institutes and the pharmaceutical and other related industries.

Key wordsinnovation experiment; applied talents; teaching rule; new cultivating mode

收稿日期：2015-02-02；修回日期：2015-09-06

基金项目：安徽省高等学校省级教学研究项目(2014jyxm164)；省级/校级生物工程特色专业建设项目(2013tszy018, 800862)；省级精品资源共享课程(2014gxk042)；淮北师范大学校级重点教学研究项目(jy14105)

作者简介：吴晓敏，博士，副教授，从事计算生物学、药物设计等相关教学与研究，E-mail: dolphin1009@sina.com; 通信作者：张海军，博士，教授，从事分子生物学等相关研究和管理工作，E-mail: haijunzhang@163.com。

中图分类号G646

文献标识码C

文章编号2095-1736(2016)03-0121-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.03.121