生物工程专业实验自主学习开放教学改革

孜力汗，杨 君，袁文杰，贾凌云，高晓蓉

(大连理工大学 生命科学与技术学院,辽宁 大连 116023)

生物工程本科专业的设立主要是培养我国生物产业急需的工程类人才。生物产业作为一个正在崛起的主导性产业,已成为产业结构调整的战略重点和新的经济增长点,正成为我国赶超世界发达国家生产力水平,实现后发产业优势和跨越式发展最有前途、最有希望的领域。因此,生物工程的本科培养方案及培养模式和内容应与时俱进。生物工程专业综合实验是培养学生综合运用知识解决生产实践问题的关键环节[1],其主旨是提高学生工程素养,培养学生综合实践能力,对于培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才具有无可替代和非常重要的意义。

生物工程专业综合实验不同于基础实验,应关注内容的先进性、综合性和研究性[2]。然而,目前大部分实验教学内容单一、教学模式落后；同时缺乏科学合理实验考评和管理方法、对学生实践能力和创新能力的综合培养不够等各种问题[3-5]；学生实验过程依赖性强,不能主动探索和创造性地去学习[6]。由此看来,为何我们培养不出创新性杰出人才与传统的教学模式弊端直接相关。因此,改革目前的实验教学内容、教学模式及实验考评制度是十分必要的。以学生为中心的教学(student-centered instruction,SCI)是以问题为导向(problem-based learning,PBL),通过团队相互协作(collaborative learning)和合作(coopera-tive learning),使学生参与其中主动学习(active learning)的过程,促进学生学习动机和兴趣、及对知识更深的保持和理解[7-8]。

生物工程本科专业的设立主要是培养我国生物产业急需的工程类人才,因此要求创新人才不仅具有相关专业技术知识,而且具有解决特定任务或研究领域所需的能力,使其创造更大的价值[9-11]。大连理工大学生物工程本科人才培养的定位是突出生物制药、生物能源及生物基化学品等新一代工业生物技术领域的行业特色,培养精英人才。大连理工大学生物工程专业实验教学改革建立以来,依托辽宁省生物实验教学中心,面向应用、鼓励创新,以培养大学生创新意识、实验过程突出学生主体地位、提高学生综合实践能力,从教学内容、教学方法和考评制度等方面进行探索和实践。几年来已共承担、完成教学改革项目近10项,其中国家级项目1项,省级项目2项。

1 实验教学内容综合改革

本着教学、研究和社会服务有效结合的理念,打破以前实验内容单一、方法确定的教学模式,以实际研究和生产中的产品研究和生产设计为目标,根据现有的实验条件和仪器,学生通过对相关文献的分析、总结和归纳后设计实验方案并确定实验方法,在老师和班级研讨会讨论后进一步修改和完善。制定实验计划并实施改革的具体实施过程,剔除现有实验既定方案,针对每个完整实验每组采用不同实验方案,根据得到的不同实验结果进行比较、分析和讨论其在实际生产过程的经济性和存在的问题,鼓励学生自主创新。具体实施方案如表1所示。

表1 生物工程专业综合实验内容改革

整个实验项目设计共48学时,以上所有实验最终要求按照研究论文格式写一份研究报告,内容框架与研究论文一致,包括摘要、引言、材料与方法以及实验结果与讨论等,与其他组结果进行比较和分析,最后得出结论。整个实验教学内容设计过程突出以下4个优势和特点。

1)科研成果与教学相结合,在实验教学中将先进的科研成果与本科的实验教学内容结合起来,实现科研反哺教学。越来越多的国际高知名度组织如美国工程教育学会、美国大学协会和科学委员会呼吁并在过去的几十年中付出巨大的努力建立以研究为基础的教学策略,包括主动学习、合作学习、基于问题的学习和服务学习等方式改进传统教学模式[12]。本实验课程内容中的乙醇发酵工艺综合实验运用学院生物反应工程与工艺课题组自主选育的高效乙醇发酵菌株-自絮凝酵母SPSC01,该课题组利用酵母细胞自絮凝形成颗粒作为固定化方法的自固定化细胞的概念,开发了相应的工程化技术,并在安徽丰原集团国家燃料乙醇试点工程建设中得到应用,建立了20万吨级燃料乙醇生产装置[12]。该菌株已获得专利授权。重组蛋白的表达与分离纯化,以及重组酶发酵条件优化、目标产物衍生化及高效液相色谱测定综合实验,是大连理工大学生命学院袁文杰副教授与企业合作项目-发酵法生产丙谷二肽,已成功在酵母菌和大肠杆菌中分别实现了α-氨基酸酯酰基转移酶的高效表达[13]。

2)根据实际科研和生产过程存在的问题展开实践教学。在实验开设之前列出科研和实际生产过程需求,学生带着问题去查阅相关文献资料,根据文献及目前的研究基础制定出自己的实验方案。将科研与教学研究相结合有助于提高学生的创新能力。同时也是促进教师科研过程的有效途径,在教师、设备优化配置和学生中发挥着突出的作用[14]。

3)鼓励学生自主设置实验内容并进行实践。为了满足和实现学生自己创新思路及想法的实践,如兴趣实验要求学生自主设置实验内容,通过查阅文献提出合理的实验方案并进行讨论,并根据学生要求购买所需的菌种和实验器材并实施。培养学生分析问题和解决问题的实际能力和综合素质。

4)理论联系实际。通过实验实践让学生自己发现不同实验方法的优缺点,将学过的理论知识运用到实践中并得出自己的结论,加深学生对知识的理解。如生物碱的提取和鉴定实验项目,学生首先通过文献查阅,提出自己的独创思路并进行实践,进行不同实验设计和操作,不同结果的对比,激发学生学习积极性,启发思维和扩展学生的科研观和创新意识。

2 实验教学方法改革

2.1 开放式教学模式

开放式实验教学是高校实验教学改革的必然发展方向,大连理工大学生物工程专业实验室设有微生物高密度培养、菌体分离及其样品分析检测设备；蛋白分离纯化及其分析检测设备等,发酵、分离及分析检测设备配备齐全,完全满足创新性综合专业实验的要求。

图1 生物工程专业实验部分设备

如图1所示,目前配备有6台5 L全自动发酵罐,6台AKTA Prime蛋白纯化系统,2台岛津高效液相色谱,2台超声破碎仪,1台旋转蒸发仪,4台冷冻离心机,1台全波长酶标仪,1台超微量分光光度计,2台全自动恒温摇床,1台培养箱,1台烘箱,超低温冰箱,普通冰箱及冷藏箱等设备完全满足学生创新性、综合性和研究性实验的开展,实验课程开设的学期生物工程专业实验室对学生全面开放,充分发挥学生的主观能动性。实验过程中没有详细的实验指导书,只提供任务书,实验内容来自于教师科研和工程实践中提炼出的问题,在网上公布实验室资源及要求,学生通过文献查阅、实验方案设计、具体实施、实验结果分析和讨论等进行分段多元化启发式教学。自由开放的学习环境,有利于学生提高思维的依赖性和操作技能的能力,以提高其未来的就业能力,开放式实验教学能适应不同层次、不同能力学生的个性要求,提高学生的实验兴趣,充分调动学生的主观能动性[15]。

2.2 实验过程突出学生的主体地位

主动实践是学生带着问题参与整个实践过程中,是提高学生学习兴趣和人才创新能力培养的关键,因此迫切需要将大学生的“被动实践”转换为“主动实践”,引导学生自主实验,老师仅仅是组织者、指导者与监督者。

图2 实验结果讨论及部分报告图片

如图2所示,在组织实验教学时,学生自主选择组成研究团队,根据实验要求学生首先针对问题查阅大量的国内外相关文献,并对文献分析、总结和归纳,提出和设计切实可行的实验方案、实验方法,将前期调研方案以PPT形式在班级研讨会上进行讲解,根据老师和同学的意见和建议进一步修改、补充和完善。再一次组织探讨会由学生具体讲解制定的实验方案、实验方法和实验计划,并实施。整个过程由学生独立完成,教师主要启发和引导学生,激励学生发现问题和解决问题。在此过程中学生的创造力、判断力、沟通、组织和毅力在通过获取知识、提出自己的发现和观点过程中具有非常重要的作用[16]。酒精发酵工艺综合实验结果如图2所示。

2.3 校内外和课内外协同教学

实验教学要紧紧围绕实际研究和生产过程来进行。如图3和图4所示,基于大连理工大学生物工程校内实践基地(面向新一代工业生物技术行业,突出大连理工大学在生物制药、生物能源及生物基化学品的工程特色,建成3条具有鲜明行业特色的小试生产线)和北京亦庄生物医药产业园平台(在北京亦庄高新区管委会人社局的大力支持下,大连理工大学与北京亦庄美中生物技术产业集群创新联盟签订了战略合作协议,共建“实习生平台”,进行多点分散生产实习和认识实习。),通过认识实习和生产实习让学生真正参与到生产实践中,在实验过程中结合实际研究和工厂生产,了解和学习相关领域前沿和应用,充分激发学生的求知欲和实验动机,从不同角度为学生研究和实践提供新思路和新方法,挖掘大学生创新潜能。

图3 北京亦庄实习总结图片

图4 生物工程校内实践基地图片

2.4 良好实验习惯的培养

无论实验科学研究还是实际生产,为了保证实验数据的可靠、维护仪器、防止危险事件的发生和为大家创造良好的实验环境,进入实验室的所有人员都必须严格遵守实验室规章制度。在生物工程专业实验方案具体实施过程中,学生会面临操作过程的统筹安排、具体实验仪器的正规使用等问题。实验教学过程所有仪器都设有详细的使用说明和注意事项,学生要仔细阅读仪器说明书并理解后再预约使用。大型精密仪器必须由教师系统培训后考核通过的学生才可以预约使用。因此,在整个实验过程中,学生只有明确了实验室规章制度(实验出入登记、安全、学生实验守则,卫生、仪器使用及管理、药品使用等),才能对实验进行统筹安排,这就要求学生在具体安排和操作之前进行大量的准备工作,如实验室规章制度的学习、实验方法具体涉及试剂的配置及计算、保存、仪器的使用、校正以及归位等。如图5和图6所示,这对学生养成良好的科研习惯和培养团队精神非常重要。

图5 实验课程开课前实验室安全与管理培训

图6 实验室试剂、仪器及安全管理学生学习汇报

2.5 加强团队合作

团队协作可充分体现出学生的人际智能,实验方案设计过程与教师、组内及组间成员的交流协作,体现在组内组间之间的分工、配合的协调程度。包括前期文献查阅、分析、归纳和总结,实验设计方案的制定和讨论,实验方法的确定和实验计划的实施,以及组间对公共仪器的协调使用等。为了加强学生的团队合作意识,在实验过程的每个环节都进行要求和强化训练,如实验方案设计讨论过程科研团队每个成员都需要讲解自己对课题的理解、与其他成员协调并提出自己的方案和建议等；实验实施方案讲解包括实验方案设计原则,实验原理及操作步骤的理解及归纳,实验仪器的使用及注意事项等；具体实施过程中教师要根据每个成员的出勤、事前准备、具体操作、相互配合等表现进行相应的肯定、谈话了解学生掌握程度等给出相应的评价。

2.6 强化科研写作能力

对所做实验进行分析、整理和总结,使学生对实验原理、技术及操作等过程的理解得到进一步提升,对于快速提高学生科研素质和养成良好的科研习惯具有很重要的作用。实验教学中摈弃以前照抄实验讲义、抄袭别人实验结果等学生不重视实验报告的心理和行为。改革后需要严格按照科研论文的写作规范进行书写,由于实验内容、实验方案没有固定讲义可抄写,促使学生查阅文献进行归纳总结后按照自己的实验设计逻辑和结构进行撰写,同时每组的实验内容侧重点不同,得出的实验结果以及分析讨论也存在很大差异,因此学生要根据自己的实验设计内容和结果进行分析和总结。改革前后比较如表2所示。

表2 实验课程开设过程教学改革前后比较

2.7 实验总结和讨论

所有实验结束后,每个科研团队按照科研报告PPT形式进行讲解,包括背景介绍、存在的问题、自己提出的解决方案、实验方法的选择、课题具体实施过程、实验结果分析和讨论、实验设计及存在的问题等。在此基础上针对同一目标设计的不同实施方案结果之间进行比较和讨论,提出每个方案的特点和优缺点。在实验汇报过程中,老师和其余学生可以针对报告内容提出问题并进行交流,鼓励学生结合实验结果进一步查阅文献进行分析和讨论,激励学生思考和对整个过程的理解和提升,真正提高学生综合素质。

3 建立多元化考核考评体系

实验考核是实验教学的重要内容之一,开放式实验教学不能采用原有的传统的评价体系,只注重结果会导致学生为做实验而做实验。实验过程建立多元化考核考评体系,对学生实践能力、创新能力、设计能力和提出问题能力等进行全面评价。

1)考核方式方法多元化,如除了规定的大组口头报告和讨论外,还包括在实验过程中定期与每个成员单独进行实验设计、安排和实施、实验仪器使用及操作等的问答考核；实验过程的具体操作情况、实验室规章制度遵守、考勤,以及实验报告书写等；

2)评价阶段多元化,如前期文献查阅、方案设计、实验准备、实验过程、实验结果讨论及实验报告撰写等进程进行考核,贯穿整个实验课程始终；

3)考评层次多元化,首先是基于文献查阅、汇总和分析提出问题,并独立提出设计和研究思路的水平和能力；其次是实验统筹安排、团队协作和实验操作技能等基本能力的考核；再次对实验数据处理和图表制作、并运用学过的理论知识和查阅文献对实验结果进行分析讨论并得出结论；最后实验汇报PPT的制作和表达,以及实验报告的撰写规范及水平。

4 实验教学效益及评价

大连理工大学1998年设立了生物工程专业,2000年开始为该专业的本科生开设生物工程专业实验(必修课)；2004年增设了生物技术专业,2010年获批国家级特色专业,目前生物工程专业每届招收本科生60名,2013年获批辽宁省本科工程人才培养模式改革试点专业,生物工程专业在2014年辽宁省高校本科专业评估中排名第一。生物工程专业实验经过多年教学实践已经形成了较为完善的教学体系和知识框架。自2013年实验教学改革以来,已取得了良好的应用效果,为学生自身能力的展示搭建了一个很好的平台,提升了学生对实践教学内容的兴趣,促进了学生对产业的了解及技术的掌握,培养了学生的实践意识、创新精神,提高了综合素质。

1)进一步促进和完善了实验教学。实践教学是生物工程专业人才培养的重要环节,因此需要长期实践和不断完善,实验教学改革后在实验内容、教学方法以及考评制度等方面都有了很大提高,不仅丰富了实践教学,同时以学生为主体,彻底改变了以前灌输式的教学模式,充分发挥了学生的学习主观能动性。

2)极大地激发了学生兴趣和创新意识。学生在实验过程中改变了以前被动的学习方式,通过自主学习和实践,各方面能力获得很大提高。实验结束后,越来越多的学生以更大的热情投入到创新实验项目和各类竞赛活动中,本科生参加创新创业项目80项,其中省级和国家级创新项目22项。近3年来发表论文18篇,其中英文SCI文章13篇,以本科生为第一作者发表英文文章1篇(IF＝4.3),中文文章3篇。以本科生第二作者发表英文文章2篇,第三、四作者8篇(影响因子最高为IF＝6.3)。近3年获得省级以上竞赛奖项共23项,其中获得国家级一等奖1项,二等和三等奖共6项；获得省级特等奖1项,二等和三等奖共4项。

3)本科生毕设论文及设计的质量显著提高。通过实验教学的系统培养和实践,学生学习和实践过程自主能力获得很大提高,在毕业论文和设计过程中能够自主查阅文献进行总结和开题,提出自己的思路和方案并实施,数据处理、口头表达以及论文撰写能力明显提高。

4)通过校外企业到校考察和交流,很多生物企业对大连理工大学生命学院生物工程本科生产生了很大关注和认可。北京亦庄生物医药园与学院达成 “校企人才供需战略合作伙伴”协议。北京凯茵科技股份有限公司每年为学校设立生物工程与技术类学生专项奖学金,且相关行业知名生物企业已经到大连理工大学进行专场招聘会等。

5 结束语

生物工程本科专业的设立主要是培养我国生物产业急需的工程类人才,生物工程的本科培养方案及培养模式和内容应与时俱进,建立综合型和创新型的生物工程专业实验体系,以学生为主体、重视过程实践能力的培养,在课程实施过程中不断总结和完善,提高育人质量。把增强学生的创新精神和实践能力作为重点任务贯彻到实验教学全过程。