人工智能发展下的生物工程设备课程改革

马金亮 ， 孙建瑞 ， 古绍彬

(河南科技大学 食品与生物工程学院 ， 河南 洛阳 471023)

生物工程是生物学与工程类学科(机电、信息、材料、化工等)技术相互交叉的一门新兴学科。生物工程设备作为生物工程学科中从理论基础到应用实践转化的核心工程类课程，对生物相关行业的发展至关重要。不同学校根据自己学院专业的发展特色，选择适合自身定位的生物工程设备教材。学生通过掌握该课程涵盖的基本理论、结构、原理、规律、规范，获得在产业发展中分析和解决问题的能力，提升生物制品、食品、相关药品的开发生产能力，促进生物相关行业的平稳快速发展。但是，本课程的实际发挥效果并不能满足社会发展的需要，在课程内容和教学方式上仍然存在很多问题，例如，课程内容抽象、陈旧、多而杂，教学方式局限、多学科交叉融合不足，学生自身知识储备不足和重视程度不够，直接导致大部分学生对课程缺乏兴趣，很难掌握关键知识点。因此，需要新的教学模式解决以上问题。在“人工智能+教育”发展下，“智能”培养模式正在提上课程改革的日程，通过智能学习分析技术，分析学生的差异性情况，利用已储存信息为学生提供个性化学习内容、学习目标和学习服务，提高学生的课程兴趣，培养学生的创新意识、创新思维，为社会的发展输送更多的拔尖创新人才[1]。

1 开展启发式教学，注重学生参与

在“人工智能+教育”背景下，利用人工智能和教学知识融合，改进教师的教学方式和理念，培养“人工智能+”创新人才。通过大数据实时跟踪和智能测评，因材施教，实时精准、个性化调整学生的学习内容和学习对象[2]。采用教师和人工智能两者主辅搭配的“双师教学”模式，促进师生角色转变，以教师为主导，学生为主体，转变“灌输式”传统教学方式为启发式教学。在启发式教学模式中，由教师制定研讨主题，在其引导和指导下，学生主导分析、总结、解决主题涉及的问题，使学生被动接受知识转变成主动获取知识，改变学生的学习方式，开发学生的创新性思维。

在这个过程中，注重学生参与，提高学生的学习主观意愿，锻炼学生深度学习和合作学习的能力。例如，教师结合学生的大数据智能测评结果，科学合理地建立个性化研究小组，在学生小组的分工合作下，利用网络平台搜集生物制品和设备加工企业的网站、参考文献、专利等各种资源，实地调研企业的设备，最后整理成系统和规范的文件。根据整理调研的资料，通过PPT汇报主题内容，由师生专家组成的评审团进行点评和答疑，最后由教师结合生物工程设备课程的基本理论，巩固涉及到的知识内容。通过这样的一个课程类相关主题的完整调研和汇报，培养学生自主学习和思考的能力，让枯燥乏味的“灌输式”生物工程设备课程转变成学生探索式求知的工具，提高学生的课程认知能力。

同时，充分利用校内外实习基地，以“实践导师进课堂”的形式引入企业人员讲解，理论知识与实践操作并重，使学生对生物工程设备的基础原理从理性认识上升到感性认识，培养学生的专业和综合素养。例如，由教师联系组织带队到知名企业开展工厂实习，在企业技术员协作讲解下，加强学生对生物工程设备及相关知识的理解，有利于培养学生理论联系实际的能力。

2 构建合理的课程体系

近年来，随着智能工业化程度不断提高，新技术和新材料不断涌现。伴随发展的生物工程新设备也是层出不穷。教学知识需要与时俱进，补充适应生物工程行业发展的新知识和新内容。一方面，任课教师在课程教学准备中，尽量搜集新成果、新技术、新设备，使教学内容更具前沿性；同时，融入人工智能对生物工程设备发展的影响，建立学生的人工智能意识形态，适应智能化发展需求。另一方面，学院需要通过继续深造、企业合作、人才引进等加强自身的师资队伍，提升教师队伍的多学科交叉能力和人工智能素养，提高课程知识更新能力。

在课程内容准备中，尽量引入生产现场的设备图片和录像。把理论知识渗透到实验、课程设计、毕业设计及生产实习等实践教学过程中。充分利用专项经费和国家工程研究中心，加强实验室建设力度，开设生物工程设备大实验，深化实践教学，进一步提高本科生实验设计和科研的能力。加强生物工程设备课程设计，根据工艺流程和工厂要求，开展单机设备的完整成套化设计，加深理论知识应用。

课程体系直接决定了学生是否能够深度理解和掌握课程知识。为了适应课程的全面发展，学院需要开设合理的课程体系，按需选择合适的教材，让学生更容易了解和掌握课程内容。该课程作为大学所学内容的一门综合应用课程，需要在课程体系上设置合理的教学顺序，加强微生物学、生物化学、化工原理、发酵工艺学等知识储备。所以，生物工程设备一般设置在大学的最后一年。但是，学生处于升学和就业压力，对课程的投入时间有限，这就要求精简内容。加强授课老师的联系交流，避免和相关课程的内容重复，结合企业选择代表性设备重点讲解，缩短教学时间。利用本课程理论知识，反过来辅助别的课程建设和发展，如生物工程工厂设计。

3 探索智能化教学模式

人工智能正促使教育的新一轮改革。2018年教育部发布的《高等学校人工智能创新行动计划》。生物工程设备课程内容包括很多图表、方程式、二维图片，由于学生无生产企业经历，很难精准地理解和运用相关知识。大部分教学内容图片缺乏直观性和立体效果，需要更高的空间想象力才能深入了解机械设备的内部构造和工作原理。尤其是2020年开始的新冠病毒疫情，显现出传统的教学技术已很难满足教学发展的需要，网络化和智能化教学越来越重要。对于生物工程设备课程，需要开发立体化图片和设备实物模型，制作视频录像、动画演示、多媒体信息平台，开展计算机仿真技术，建设在线精品开放课程，加强手机等现代化电子设备在教学中的应用。利用智能化技术，建立智慧教室，监控、识别、分析和提取教学行为，开发“虚拟教学助理”，通过智能深度学习教师的设备结构设计评分，协作完成教师的教学内容和任务，保证了教师对学生个性化指导的精力，打造“人工智能+课程”教学平台。传统与网络教学相结合、智能模式融合的多元化教学模式。面对“人机共教”智能教育时代的到来，教师和人工智能需要协同共进，实现学习者的个性化和精准化。

4 结语

生物工程设备课程的高效开展对培养生物相关行业的高精尖人才具有非常重要的意义。在实际教学实践中，要求任课教师适应人工智能时代的发展，充分利用新教学理念、教学内容、教学技术，探索新的人工智能教学模式，加强以学生为中心的个性化培养方式，让枯燥乏味的课程转变成生动形象的课程，调动学生的学习积极性，培养学生的创新思维和创新能力，适应时代的发展。