生物工程实验教学改革探讨*

杨东升，罗先群，李小丽

(海南大学生命科学与药学院生物工程系，海南 海口 570228)

实验课教学是高等教育中特别是工科类教育的一个重要环节，通过这一环节，可以培养学生独立思考、分析实际问题的能力，提高其运用科学方法进行研究探索的能力。海南大学生物工程专业通过16年不断的建设和发展，取得了长足进步，培养了万名优秀学子，为海南乃至国家的经济社会发展作出了积极的贡献[1]。我国从1999年起，高校招生规模不断扩大，对实验教学设施和实验师资提出了更高的要求。然而，在目前大学实验教学中存在和出现了一些问题，造成实验室教学改革迫在眉睫。这些问题集中在：(1)实验教学师资一直得不到提高。实验室教学是以技术人员为主，理论课教师基本上较少参与实验课教学[2]，容易造成理论教学与实验教学的严重脱节，不利于学生更直接、系统地掌握知识。(2)实验教学以单纯专业实验教学为主，缺少交叉学科的综合性实验，不利于培养复合型人才。(3)学生自由探索实验难以开展，不利于培养开拓型人才。本文以海南大学生物工程综合实验室教学为例，就如何改进专业实验教学提出一些想法，以期能够在面向制造2025的生物工程工科人才实践培养中，探索出合理高效的实验室教学方法，为社会培养更多更好的实用型优秀人才。

1 将理论课教学引入实验室教学，提高实验室老师总体水平

生物工程是新兴的综合性应用学科，与诸多学科、领域交叉融合，特别是与化工学科的关系密切。生物工程所涉及的生产工艺，生产设备均是在化工的基础上发展起来的。当今生物工程技术的发展极为迅速，与化工领域的融合更加广泛，如酶催化、生物降解等。国家教育部对生物工程本科专业课程有规范要求，在制订培养计划时，要增强特色，拓宽专业基础和专业口径，以适应市场需求，提升生物工程专业内涵[1]。我校生物工程专业基于大化工的要求，其综合实验室包括生物工艺实验室和生化技术实验室。目前的实验室教学是以技术人员为主，大部分理论课教师师基本上不参与实验课，这样容易造成理论教学与实验教学的严重脱节，不利于学生更直接、系统地学习并掌握知识。可参照一些兄弟院校的做法，将理论课引入实验室[3]。

1.1 实验教学的改革要从根本上吸收高水平人才进行本科实验教学

实验教学师资队伍的建设对于培育应用型人才的地方高校至关重要。目前的实验教学师资多出身于各大普通高校，实践能力弱于理论能力，缺乏扎实的化工基础，在进入实验室承担教学任务之前没有的相关的实践工作或教学经验，参加工作后更是缺乏综合实践技能方面的系统化培训。因此，长期重视理论培训、轻实践技能培训导致在各学科实验课程的系统化建设方面严重滞后[4]。在此背景下引进高水平实验人才到实验室显得至关重要，既可以将学校内部教学科研岗位的高水平教师引进到实验室工作，也可以从其他高校、研究院或企业引进高水平实验人才，可以非常有效地提升实验室队伍的素质和水平[2]。此外，高水平人才可以将更多科研课题方向和理念带入实验设计和实验教学，整体提高实验教学的水平和学生的实验水平。

1.2 理论课引入实验室，可在很大程度上集中学生注意力，充分活跃课堂气氛，形成一种实实在在的互动教学

当前的课堂教学使用大多的是讲授式教学方法，虽然在授课过程中教师在教学方法上博采众长，但是受制于教材及教学内容，教学方法相对单一，教学效果总是差强人意。理论课引入实验室，可极大促进教师的主动教学能动性，推动学生学习的积极性。教师可以针对不同授课内容设计更为合理、有效的教学方法，一方面让专业知识更容易被学生所认知，另一方面改变枯燥的讲授教学方式，利用所见即所得的实验教学手段强化学生的认识、理解和记忆，提升学生的学习兴趣，进而提高教和学的质量[3]。例如，生物工程设备是生物工程专业的专业课程，要求强化生物学和化工基础实验。教学改革后，增加了8个学时的课内实验。在课程学习过程中实现了讲授与训练结合，理论与仿真结合，理论与设计性实验相结合。通过增加动手环节，充分活跃了课堂气氛，形成一种实实在在的互动教学。教师循序渐进地引导学生分析实验现象，作出科学的解释，从抽象的概念进行具体的概括，进而归纳出一般的结论，有利于培养学生的逻辑思维能力和运用知识解决一般问题的能力。在针对生物工程工科特点的素质要求方面，新增的课内实验很好地实现了对学生的专业训练，如专业设备装配图、带控制点工艺流程图、工厂布置图的学习和绘制等。这种学习方式充分体现了化工与生物工程的融合与贯通，使学生的知识系统更扎实。

理论课引入实验室要有充分的硬件条件和合理的课程安排。首先，实验室必须具备上课的条件。要安装多媒体演示系统，各类演示课件以及仿真系统。第二，实验项目穿插在理论课中，要精心设计实验项目。能以实验说明的，尽量要让学生动手，亲自体验，没有条件实验的，要用多媒体演示以及操作影像片段介绍。第三，要保证教学的系统性，在课时安排上，宜按章节连续进行。

1.3 有利于提高老师的自身素质，促进教学科研工作的发展

高校实验室的发展依赖于实验室队伍的建设。高校实验师队伍是一支骨干力量，其业务能力以及创新思维都直接影响实验室整体发展水平。随着教育改革的深化，实验教学人才培养是学校的重要任务，只有采取积极措施提高实验教学师资队伍的整体水平，才能打造一支高素质、高水平的队伍，才能促进高校实验室的发展[2]。理论课引进实验室，对实验教师和技术人员素质的要求不同，原来分别理论教学和实验教学的教师、技术人员相互了解并不多，实验室引进理论课后，对实验项目的开设、实验仪器设备的使用、综合实验的开设等方面都对老师的综合协调能力提出了挑战。因此，对教师、技术人员进行培训，提高教师的自身素质是很有必要的。对教师技术人员的培训包括相关设备的使用，教师集体备课(包括预实验)，基本操作和综合实验等。通过培训使教师、技术人员扩展专业知识，提高自身素质，为顺利开展实验教学创造必要条件。

2 增加交叉学科实验课时数，有利于开拓学生创新思维，为培养复合型人才打下良好基础

实验教学改革按课程开设实验的传统方式，融合专业基础课实验和专业课实验，专门设置交叉学科实验课程，同时增加多个大型综合性实验环节供选修，学生在发展自己兴趣的基础上进行设计或预约实验[5]。工科大学生普遍缺乏创新观念、创新性思维能力和创新洞察能力，但他们大都具有创新潜能，只要采取适当的教学方法，其创新能力就可以大幅度提高[6]。

2.1 开发生物工程学科与化工、材料科学等交叉密切学科的综合实验

生物与化工、材料有着密切的关系，生物对于新型材料的设计起着极大的引导作用，如荷叶的自清洁清作用，鲨鱼皮的减阻作用等。生命科学已经渗透到各个学科领域，多学科的融合促进科学技术发展[7]。生物材料是目前的研究热点，由于生物材料在食品、医药、纺织、造纸、化工、采油、选矿等行业各个领域的广泛应用，生物材料、生物基聚合物以及生物合成材料已经可能逐步代替相关石化产品甚至可以媲美于棉麻等天然材料。而新型的生物材料很大程度上取材于在自然界广泛存在的微生物，因此生物工程实验室将是化工、材料专业进行学科研究及教学的重要场所。例如生物燃料电池、生物传感器等是化工结合生物工程研究的实用成果，其中涉及的固定化、电极和材料技术是目前研究的热点，因此增加化工、材料专业在生物工程专业实验室的学时数将为学生将来拓展研究打下良好的基础。涉及生物功能材料的交叉学科综合实验已经相继在一些大学成功开展。本校生物工程专业团队已经在生物柴油、防污损生物涂料研究中取得进展，并在过去16年中成功应用于发酵工程实验教学和毕业论文实践环节。

2.2 计算机与机电专业与生物工程专业的充分交叉将为生物工程的发展带来质的飞跃

目前我国的生物工程设备技术水平大大落后于发达国家，特别是生物工程的下游设备。正是由于下游设备的落后，一些水平很高的上游技术无法体现其价值，广大科研工作者深感其痛。本人认为，很重要的一个原因是我们缺乏多学科一体化的复合型人才。至少在大学本科阶段，实验课程设计无法满足复合型人才的培养，学生在实践环节缺乏必要的引导。如果增加计算机信息、化工自动化专业等在生物工程专业的实验课时数，特别是专门为这些跨专业学位设计的如单片机设计及操作实验，生物质复合材料实验等，将有利于开拓学生的创新思维，开阔其视野，为其在将来进行跨行业、跨专业的发明创造和科学研究打下良好基础。本校生物工程专业正在开发多项生物工程自控设计学生教学实验，以期开阔其视野，强化工业生产的自控意识。

3 设立学生科研自助基金，有针对地开放专业实验室，鼓励学生开展自由探索

采取企业赞助或学校专项拨款的方式，设立学生科研自助基金，将专业实验室有针对地向有志进行科研的学生开放，在老师指导下，学生自行拟题，自行选择指导老师，自行预算经费并申报。经由专家评审通过，可按预算拨付款项。

3.1 充分发挥学生主观能动性，独立或半独立进行开拓性的科学研究

在开放实验研究过程中，学生从项目选题、实验设计、药品采购、实验操作、撰写论文均可以教师指导下或独立进行，可充分发挥学生的主观能动性，激发其自主创造灵感，实验教师所要作的是在实验室规章、日志记录、文献、数据记录等方面规范其运作。学科竞赛作为基础学科知识的升华，是检验学生实践创新能力的重要手段，在培养大学生的综合运用知识能力，开拓创新能力以及科学研究能力等方面起着不可估量的作用。本校生物工程综合实验室在改革过程中重视学科竞赛的参加与开展，积极组织学生参加各级学科竞赛，锻炼了其实践创新能力，并多次在全国及省市级比赛中获奖。积极组织学生参加自由科研探索，充分发挥其主观能动性。大学生参与创新创业训练项目的本质是进行探究式的学习过程，最终形成具有科技含量的研究报告、创业设计方案或创业实体。项目一经立项就可以申请进入开放创新实验室开展项目[11]。实验室开放体系构筑了由学科竞赛基础训练，创新创业训练和校企联合培养基地组成的体系化的创新创业实践教育平台。

3.2 充分扩展实验室职能，通过学生科研鞭策学科发展

实验室教学是实践性的科学，对本科学生而言，基本操作技能是不可或缺的，在简单的学习过程中开拓创新能力和科研能力的提高是我们进行实验教学改革的根本目的。在课堂教学中，要求老师能引导学生在实际的基础前沿和科研热点方面进行较深入的思考，并鼓励他们积极申请开放实验，进行验证或进一步研究。学生科研要求老师具备较高的知识更新能力，要求不断学习、广泛涉猎科技资讯，了解最新科研动向，提高自身科研素质。

4 结 语

海南大学生物工程专业在16年发展历程中，实验教学一直在稳步前行。在面向制造2025的高等教育工作中，我们发现实验教学改革的突破口。将理论课教学引入实验室教学，有利于提高实验室师资总体水平。增加化工、材料等交叉学科实验课时数，设立学生科研自助基金，有针对地开放专业实验室，鼓励学生开展自由探索，有利于开拓学生创新思维，为培养复合型人才打下良好基础。改革多措并举必将使生物工程实验教学更上一个台阶。