生物工程下游技术实验教学高阶能力培养路径

付畅，刘玉芬，满朝来，郭东林

（哈尔滨师范大学 生命科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

在当前全球激烈竞争的背景下，培养具备高阶能力的人才成为教育的重要使命.高等教育课程教学是提高人才培养质量的重要途径，一流课程的建设成为高等教育改革的重要内容之一.提升高阶性、突出创新性和增加挑战度是一流课程建设的基本原则[1-2].课程的高阶性主要体现在课程教学以实现学生的高阶能力发展为宗旨.我国关于高阶能力培养的研究于2004 年起步，从2016 年起进入发展热潮，本科高阶能力培养研究起步较晚，始于2013 年[3]182，184.目前，主要从理论、实践以及评价等方面对高阶能力培养展开研究[3]184-185.生物工程下游技术课程是生物技术专业的核心专业课，具有技术种类丰富、技术原理抽象、实践性强等特点.因此，生物工程下游技术实验课程在生物技术人才的培养中起到重要的支撑作用.各高校在现有的生物工程下游技术实验教学改革中对学生的创新能力培养进行了一定的探索，但缺乏对高阶能力培养的系统性研究与实践.本文探索了在生物工程下游技术实验教学中培养学生高阶能力的策略和实现路径，以促进生物技术人才培养质量的提升.

1 高阶能力与课程高阶性的内涵

能力有高低之分，低阶能力是指运用低阶思维完成记忆任务、解决良构问题的心理特征，而高阶能力是指以高阶思维为核心，解决劣构问题或复杂任务的心理特征[4].高阶能力包括高阶思维能力、高阶社会情感能力及高阶动作技能，其中高阶思维能力是高阶能力的核心[1，5].目前，对高阶思维能力的界定有2类主流方法，第1类是将高阶思维能力界定为在布卢姆认知目标分类中位于高层级的认知思维能力[6]55.布卢姆教育目标分类法将认知目标划分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造等6 个从低到高的层级[7].高层级认知目标的实现需要以低层级认知目标的实现为基础.前3 个层级一般被归为低阶认知目标，后3 个层级一般被归为高阶认知目标[1]19，也有研究者将记忆归为低阶思维能力，将其它5 个复杂度较高的层次均归为高阶思维能力[6]56.第2类界定方法是根据高阶思维能力特点将高阶认知思维能力界定为问题求解、决策制定、批判性思维和创造性思维的能力.2类界定方法的出发点和优势虽然不同，但界定出的高阶思维能力的核心交集是一致的，分析、评价和创造是问题求解、决策制定、批判性思维和创造性思维能力的核心基础[8].布卢姆情感目标层次分类将对特定现象的注意、接受、积极反应归类为低阶社会情感能力，将价值评价、组织形成价值体系及价值体系个性化归类为高阶社会情感能力[1]20.辛普森动作技能目标层次分类将通过感官观察客体的知觉，对特定行动或经验的准备定势，需要原型示范和指导的简单动作技能，对刺激和情境做出的机械动作反应等归类为低阶动作技能，将从事复杂动作技能、改变动作活动以及创造新的动作模式以适应新情境归类为高阶动作技能[1]20.

课程目标是指培养学生形成在某一领域的思维结构和解决问题的能力.课程的高阶性体现在课程教学目标以发展学生的高阶思维为核心的高阶能力为目标[9]，在教学过程中通过运用恰当的策略和路径，实现高阶能力培养目标.在传统的教学模式中课程教学往往缺乏对高阶能力目标的明确设定，也没有对学生的高阶能力发展进行充分的、有针对性的、系统性的训练，导致了学生的高阶能力发展不足.当前时代的发展迫切需要具有高阶能力的人才，探索高阶能力培养策略和实现路径，发展适配学生高阶能力发展的教学模式来支撑高阶能力人才的培养成为高等教育课程改革的重要内容之一.

2 生物工程下游技术实验教学的高阶能力培养策略

2.1 以先进的教学理念引领高阶能力培养

成果导向（Outcome-Based Education，OBE）教育是新时代高等教育教学改革发展的主流理念，以学生通过学习取得的能力成果作为教学目标[10].为适应时代发展的要求，在生物工程下游技术实验课程的教学中，以培养学生的高阶能力为课程的最高教学目标，落实OBE 理念.

2.2 以科学的学习理论指导高阶能力培养

能力类别的划分以及能力目标层次的划分应遵循学习和发展规律.以布卢姆认知目标分类、布卢姆情感目标层次分类和辛普森动作技能目标层次分类为理论依据确定了生物工程下游技术实验教学的高阶能力目标.在教学中培养学生达成高阶能力培养目标还需要明确达成高阶能力目标的原理.将哈蒂学习模型、比格斯SOLO 模型、深度学习理论等高阶学习理论融入生物工程下游技术实验教学设计，学习活动的安排从表层学习到深度学习，再将原理和技术迁移到实践情境中，进一步延伸迁移到小组任务和个人课程设计任务中，实现从低阶到中阶再到高阶的能力培养目标.

2.3 以靶向的教学体系支撑高阶能力培养

高阶能力培养目标的实现需要以靶向的教学体系支撑.在生物工程下游技术实验教学中，以能力目标划分理论界定能力发展阶段，结合课程地位和教学内容，明确课程的高阶能力培养目标，精选和组织课程教学内容支撑高阶能力培养目标，教学方法靶向高阶能力培养，设计并组织与高阶能力培养目标相匹配的高阶学习活动，包括能推动学生调用高阶思维活动的问题求解训练、小组协作设计和评价任务、个人课程设计任务等高阶学习活动.建立高阶能力培养的评价体系，用以循环改进高阶能力培养教学体系.

3 生物工程下游技术实验教学的高阶能力培养路径

3.1 设定课程教学目标中的高阶能力培养目标

将生物工程下游技术实验课程的目标确定为学生能够应用分离纯化技术及仪器实施分离纯化操作，能够运用理论知识和技术基础分析问题、解决问题；学生能够树立严谨求实的科学态度，增强责任感和使命感，增强创新意识，发展善于沟通的协作精神.实现高阶能力目标是生物工程下游技术实验课程的最高目标.

3.1.1 高阶思维能力目标 高阶思维能力目标的实现需要以低阶思维能力目标的实现为基础.因此，在布卢姆认知目标分类法的基础上，设定了低阶（记忆、理解）、中阶（应用、分析）和高阶（评价、创造）认知目标层次，采用进阶式教学模式，从初阶目标开始逐步进阶到高阶目标.高阶思维能力培养目标确定为：（1）能够对生物技术产品的分离纯化过程进行综合评价；（2）能够对生物技术产品的分离纯化过程进行设计.初阶目标（能够阐明分离纯化技术的基本概念、基本原理及基本流程，形成基本的分析判断能力）和中阶目标（能够应用分离纯化技术完成目标物质的分离纯化，能够通过分析生物分离过程的原理及流程解决问题）是进阶实现高阶思维能力目标的重要基础.

3.1.2 高阶社会情感能力目标（1）能够对生物技术产品的分离纯化技术及工艺过程进行价值评价；（2）将生物技术产品分离纯化技术革新、生物技术产品创新研发、生物技术产业发展的使命感、严谨求实的科学态度、善于沟通的协作精神融入个人价值体系.

3.1.3 高阶动作技能目标（1）应用分离纯化技术及仪器实施分离纯化复杂操作；（2）建立能够根据需要改变分离纯化操作的动作活动或创造新的动作模式以适应新情境的意识.

3.2 生物工程下游技术实验课程内容体系

通过精选生物工程下游技术实验课程内容，建立了以大肠杆菌碱性磷酸酯酶的分离纯化为核心的综合性实验内容体系.实验1 对大肠杆菌碱性磷酸酯酶进行分离制备，通过对大肠杆菌发酵培养，采用离心技术对培养液进行菌体收集，用不同方法破碎细胞，离心收集上清液后经盐析沉淀，透析除盐，从大肠杆菌中制备出碱性磷酸酯酶的粗提液.实验2 对大肠杆菌碱性磷酸酯酶进行离子交换柱层析纯化，通过运用离子交换柱层析技术，从大肠杆菌碱性磷酸酯酶粗提液中纯化大肠杆菌碱性磷酸酯酶.实验3 对大肠杆菌碱性磷酸酯酶进行凝胶过滤柱层析纯化，通过运用凝胶过滤柱层析技术，对制备的大肠杆菌碱性磷酸酯酶离子交换纯化产物进行凝胶过滤除盐，进一步纯化和浓缩酶蛋白.由实验1～3 组成的综合性实验内容体系系统完整，贯穿了生物工程下游技术一般工艺过程，有利于学生在实践中深入理解和建构生物技术产品的分离纯化过程，掌握高阶实验操作动作技能，有利于学生将分离纯化过程迁移应用于其它生物技术产品的分离纯化，对分离纯化过程进行系统性创新改进，发展高阶思维能力和高阶社会情感能力.

3.3 设计组织与高阶能力培养目标匹配的高阶学习活动

3.3.1 促进高阶思维能力的高阶学习活动 在传统教学方式下，学生处于被动学习状态，高阶思维活动没有得以调动，高阶能力没有得到发展.为了培养学生的高阶思维能力，首先，奠定低阶思维能力基础，通过给学生提供学习资源和答疑辅导，学生自主学习大肠杆菌磷酸酯酶分离纯化技术的基本概念、原理及流程、形成基本的分析判断能力，实现低阶思维能力目标.其次，以问题导向教学法引导学生思考如何确定大肠杆菌碱性磷酸酯酶的分离纯化条件，分析分离纯化结果与样例结果之间的差异，探讨如何优化分离纯化条件.通过问题推动学生进行中阶思维活动，主动将技术原理迁移应用于实践情境下问题的解决.最后，在完成大肠杆菌碱性磷酸酯酶分离纯化的实践操作后，进一步组织学生进行拓展学习，布置学生以小组为单位完成纳豆激酶分离纯化工艺过程的设计和评价任务.通过任务驱动学生将分离纯化技术从大肠杆菌碱性磷酸酯酶迁移到其它生物技术产品的分离纯化中，引导学生制定评价标准，评价小组设计的优缺点.在此基础上，进一步布置学生完成自主的生物技术产品分离纯化过程个人课程设计，推动学生发展创新能力.

3.3.2 促进高阶社会情感能力的高阶学习活动 引导学生以大肠杆菌碱性磷酸酯酶分离纯化为例，对生物技术产品的分离纯化技术及工艺过程进行价值评价，建立生物技术产品分离纯化技术革新、生物技术产品创新研发、生物技术产业发展的使命感.在完成实验和结果分析的过程中培养学生严谨求实的科学态度，在实验过程和小组拓展任务中发展小组成员之间善于沟通的协作精神.培养学生将专业使命感、科学态度、协作精神融入个人价值体系.

3.3.3 促进高阶动作技能的高阶学习活动 给学生提供实验仪器操作示范视频和实验过程操作示范视频，学生通过自主学习可以掌握简单的低阶实验操作技能，并建立复杂的高阶分离纯化操作技能基础.在学生应用柱层析技术及仪器实施分离纯化复杂操作的过程中，对学生进行具体的指导，促成学生掌握高阶动作技能.在实践情境下，对有助于学生达成大肠杆菌碱性磷酸酯酶分离纯化目的改进的分离纯化操作或创新的操作给予开放支持的态度和空间.

3.4 高阶能力培养的评价方式

评价体系是持续改进高阶能力培养质量的重要保障.在生物工程下游技术实验课程的学习成果评价中，对实验技术相关概念和原理的记忆和理解等低阶思维能力采用客观性测试的评价方法，基于学生应用分离纯化技术操作技能取得的实验结果，以及实验报告中分析和讨论对应用和分析等中阶思维能力进行表现性评价.基于学生通过拓展学习完成的小组设计和评价任务，以及个人课程设计对评价和创造等高阶思维能力进行表现性评价.对学生在实验过程中的科学态度、协作精神等高阶社会情感能力进行表现性评价.在表现性评价的过程中，均预先设置评价等级和分值标准，以减少主观性评价中的偏见和误差.

4 结语

随着OBE 理念在高等教育改革中日益普及，课程教学的中心正从教师转向学生.生物工程下游技术实验课程在生物技术人才培养中起到重要的支撑作用，将以学生为中心落到实处需要对传统教学方式进行系统性变革.在课程目标的设定中明确高阶能力培养目标，在科学的学习理论指导下建立与高阶能力培养匹配的教学体系，才能真正支撑高阶能力的培养.