新工科背景下生物学实践教学模式探究

司晓棠，于孟飞，刘庆华

（中南民族大学 生命科学学院 & 武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室 &医学生物研究所，武汉 430074）

新工科要求把新理念、新结构、新模式、新方法和新质量等元素融入到工科建设中，旨在大力培养工程科技创新和产业创新及应用型人才.美国麻省理工学院（MIT）成立之初，就确立了理论与实践相结合，且致力于研究以应用为本的理念［1］.国家经济结构调整和产业结构转型升级，迫切呼唤新工科人才［2］.新冠疫情发生也为生物学新工科建设提供了新的需求，探究改革生物学实践教学模式更是重中之重，因为实践教学是工科生实践能力和创新能力生成的关键所在，也是我国高等工科教育的薄弱环节［3］.顾明远指出：实践教学是相对于理论教学的各种教学活动的总称，包括实验、实习、设计、工程测绘、社会调查等［4］.实践既验证理论，更是探索发现新问题的途径，是创新的起点也是创新的重点.国外一流工科院校注重实践教学，“手脑并重”，把实践与理论教学的模式始终贯穿于人才培育的整个过程中［3］.本文结合中南民族大学（以下简称：本校）生物学工科实践教学实际，借鉴国外名校实践教学经验，探究适合新工科发展的实践教学模式.

近两年，本校为了加快新工科认证，在生物学新工科实践教学方面加大投入：增加实践经费，加强师资培训，购置实验设备，改革课程（理论与实践）设置比例等，但与新工科认证的目标仍有差距：（1）对实践教学体系重视不够，影响学生实践能力和创新能力；（2）实验实践教学内容单一、更新不及时，制约学生理论联系实际应用水平的发挥；（3）大型仪器设备、综合性实验平台等硬件建设滞后，限制了学生实践创新的激情；（4）实践师资力量的提升与培训欠缺，达不到实践要求应有的效果.以上等因素严重地阻碍了新工科的认证进程.针对这些困境，本文依新工科“五新”范式，从转变理念、探索新的教学模式与评价方法、借鉴新的培养方式等方面提高实践教学质量.

1 对实践教学的重视

过去，“重论文、轻设计、缺实践”，同时也忽视对实践教育的评价；如今，必须转变观念，从弊端中走出来，在教学中强化实践训练，提升设计能力，加强创新意识和创业方法的培养，因为创新创业均来源于实践.凤凰卫视拍摄的纪录片《常青藤零距离》中的斯坦福大学在这方面成绩斐然：该校在鼓励学生创新创业实践中形成了成熟的“一条龙”服务（实践创新成果—申请专利—创业开公司），在其驱动下，学生实现梦想，学校占有股份，从某种程度上说，美国国家经济的繁荣有赖于此.有报告显示：斯坦福等名校近年来催化落地的创业公司达4000 多家，为社会提供工作岗位110 万余个.可见，大学创新创业实践对社会的发展、经济的繁荣作用显著.因此，理论与实践教学不是主从关系，而是相互依存、相互转化的辨证统一关系.

2 改革实验实践教学模式

2.1 依行业发展或需求更新实验内容

2.1.1 实验内容注重应用

课程内容多联系企业案例，强调实用性.以生物学课程实践——《工厂实习》来说，这门实践课对大多数学生而言有走马观花之嫌：理论与实践脱节，因为他们平时的课堂实验内容与现实企业生产关联度不够，即实验课程的现实应用性弱.鉴于此，应在实习前，先从该企业的产品中选1～2 个设计为课堂实验内容的一部分，让学生提前熟悉其实验（小试）过程，然后通过实习实践（大生产）掌握该实验的现实应用.以湖北华大瑞尔科技有限公司生产的唯特菌康（猪、禽及水产专用型微生态制剂）为例，此产品市场认可度很高.课程依此制剂配方（枯草芽孢杆菌、粪肠球菌及地衣芽孢杆菌等），选择相应的生物发酵工艺，设计成课堂实验，得到实验产物1，与在企业生产实习（大生产）得到的产品2进行比较，鉴别其异同并分析原因，激发学生的实践热情和创新激情，锻炼他们发现问题、解决问题的应用能力，增加实验实践的吸引力.又如：湖北东信药业仪器分析室的仪器无论是在数量上还是在精密程度上都不及本校，但它完全能为企业所有的产品服务并符合药典相关检测标准，这体现了企业注重的是实用性：“金银花露”中芳樟醇的含量测定选用气相色谱仪；“藿香正气水”选用液相色谱仪测定产品中的厚朴酚、和厚朴酚（厚朴）及陈皮苷（陈皮）的含量，选用薄层扫描仪检测处方中其他几味中药主要成分；对乙酰氨基酚酸则应用红外和紫外光谱仪进行检测或含量测定.启发学生选用不同仪器的原理是由以上制剂处方中药材主要成分的化学性质而定，如此实习实践，大大提高了学生理论联系实际、优化仪器选择与规范操作的能力，真正做到了学以致用.

2.1.2 实验内容注重环保

生物实验过程中产生的“三废”对环境的负面影响引起社会关注，推广无毒无害溶剂或不用溶剂进行实验或仿真实验等是生物实验优化的首要条件，争取零排放，从源头上减少污染，比如生物学核酸电泳实验中，用GoldView 替代溴化乙锭（EB）；叶绿素提取分离实验中，采用毒性小的石油醚-二氯甲烷层析系统替代剧毒致癌物苯的使用［5］；食品专业“微量凯氏定氮法测蛋白质含量”实验中，消化产生的有害气体SO2，可以通过改进消化仪的冷凝水装置对其进行吸收，这些措施大大降低了实验对环境和实验人员的危害.

2.1.3 实验内容紧跟时代

减少验证性实验，增加创新性、跨学科性、综合设计性实验，及时将学科发展的新技术、新成果引入到实验课程的教学中.2020年新型冠状病毒肺炎（COVID-19）肆疟人类，社会急需“招之能来，来之能战”的生物学应用人才，这对生物学工科专业建设提出了更紧迫的要求，实验课程应适应时代变化，选择与社会需求及热点相关的实验内容，开设与病毒鉴定及检测相关的基础性实验项目，如：快速核酸提取方法、DNA和RNA测序、实时荧光定量PCR检测核酸片段、动物血清抗体的酶联免疫吸附（ELISA）检测等.此外，利用计算机模拟和仿真实验，帮助学生了解和掌握抗病毒靶向药物的设计原则，以及疫苗研发的主要流程.这样的实践更贴近时代需求，因为21世纪最伟大的创新将来源于基于解决人类面临的挑战问题而不是追求利润的创新［6］.

2.1.4 国外实验课程启示“他山之石，可以攻玉”

国外的实践教学［7-9］给予的启发很多：（1）国外（如英国、德国）名校的大学没有固定的实验实践教材，它们更倾向于将本学科最新最前沿的成果或进展传授给学生，及时更新教学内容，介绍最新专业技术、企业的真实案例、产品的营销方案等［10］，具有现实意义和应用价值，更易服务社会；（2）侧重培养通识型人才，因为相对狭窄的知识面必然制约人们发现和解决问题的能力；（3）培养团队通力协作能力，不同学科领域的团结协作对解决具有较大综合性的原创性科研课题来说，是一种非常有效的手段；（4）实践课程占比很高，有的理论与实验课比达到1∶3.本校生物课程之间整合不足，实验内容重复突出，理论课程多，挤占了学生实践时间，这显然与新工科培育新型应用人才的要求相悖.

2.2 视学生兴趣或爱好探究教学方式

2.2.1 积极探索网络化的实验教学方式

因疫情学生“停课不停学”，网络在线教学成主流：阿里钉钉、腾讯课堂、QQ、企业微信都参与在线直播，为实现信息技术与实验教学深度融合提供契机.没有网络化，实验教学肯定会僵化，新工科建设也会虚化.生物学科应借鉴渥太华大学实践教学方式：教师提前将相关实验（尤其是综合性实验、毕业设计实验及跨学科的竞赛实验等）中涉及到的知识点，实验仪器原理等信息以文档或短视频方式发到网上供学生学习参考［9］，学生检索查找相关信息，将实验设计和检索的全过程制成小视频，借助网络或虚拟技术展示个人实验设计或构思，实验设计相近的学生组成实验小组，在课程讨论区与老师进行交流探讨，共同完善实验方案；线下在实验室中进行实践操作，验证设计实验内容，未得到预期的实验结果时，师生共同分析并解决可能存在的问题，这样的实验过程或许会有新的创意或突破，创新的思维往往来源于此.这种线上互动线下操作的实验课程体系一定会激发学生实验热情，锻炼同学们的实践思考和创新能力.同时这种网络化的教学方式也大大提高了师生们讨论的自由度和参与度，碎片化时间的利用率得到最大优化.

2.2.2 倡导开放式实验教学模式

开放性（全天24 小时开放）实验教学模式延深了网上实验设计与讨论的自由性，为同学们提供线下综合实验的平台，自主学习探究实验的操作空间.学生通过开放实验模式的训练，综合素质可以得到较全面的提升：（1）线上查阅资料、设计最佳实验方案；（2）筛选实验方法，选择相关实验仪器；（3）创建实验团队，协调团队分工合作；（4）分析实验结果，总结实验成果，提出可行性改进意见.总之，开放实验教学模式涵盖面广，既开放仪器资源，也面向各专业学生开放，更面向跨学科的综合实验开放；既是课程设计，也是毕业设计，更是大学生生物各项竞赛实施的载体［11］.

2.3 随时代变化或变革创新实践形式

2020 年新冠疫情倒逼课程创新实践教学形式，刻不容缓，突出体现在工科生的工厂实习环节，为转变传统的到岗实习为形式多样的脱岗模拟实习，可借助快手、抖音、主播、音响视频、仿真实验等手段或工具来达到可视化、可及化实践效果.首先，收集整理学生对实习单位、实习内容的要求和他们的实习期望，选择有代表性、可行性的工厂实习内容、实习项目及实习流程作为实践载体.然后安排学生分组、分时间段线上实践，此时在工厂端，由专业教师或实践导师现场讲解工厂实习内容、原理、流程、产品及相关注意事项等细节并制成工厂实习视频，鼓励视频模仿“直播带货”方式在线与学生互动，随问随答并现场操作演示，对参与实习同学采用激励淘汰机制，激发学生在线实践兴趣.这种方式既灵活又高效.最后，总结学生线上工厂实习心得及反馈意见，进一步改进完善实践环节.一旦现场实习条件允许，可以争取在较短的时间内完成线下工厂实习，使线上的模拟在现实中得以实操，定能达到事半功倍的效果，这种线上线下模式可为实践改革提供有力支撑.

2.4 应公平公正或科学评价实践考核

许多高校并没有将实践考核成绩纳入评价体系，使实践考核未得到应有的重视.有些高校对实验水平、动手能力等方面的考核往往仅作为参考或被忽略不计，仍采取传统的一考定乾坤的模式［12］.本校生物学科虽将实验实践成绩纳入考核系统，但其占比较低，而且实践评价环节也存在诸多不公因素，达不到实践课程的最终教学目标.鉴于新工科对新型人才的要求不同，美国工程与技术认证委员会（ABET）对21世纪新的工程人才提出了11条评估标准，促使本校在实践教学的考核方面应采取新的举措：（1）增加职业性评价方式，注重实践的现实应用性，而不只是以实验项目、毕业设计及答辩的完成情况考核评价学生的实践能力；（2）增加过程性评价权重，提高对实验仪器的选择与规范操作、独立完成实验和思考实验中遇到的问题、团队协助提出问题和解决问题的能力等方面评价的比例，因为能力的培养本身就是过程的积累；（3）增加企业性评价内容，体现社会评价标准的价值倾向，契合岗位实际和社会市场需求［13］.

2.5 重师资培训或提升优化实验队伍

高水平的实验教师团队是培养符合行业需求工科人才的有力保障，是新工科认证的必备要素.加拿大、美国的高校对实践教师的要求相当高：前者在聘任教师时，除了学历、研究成果以外，与工程相关的专业教师一定要有企业工作经历和项目研究基础，为了跟上行业时代步伐，他们还被要求每3 年必须重返业界实践，了解业界最新的发展动态；后者不仅要求应用型院校教师对所授技术课程有一年以上的工作经验或相关领域5年以上的实际经验，还要求他们具备独立研判和担任顾问的能力［8-9］.本校实验教学团队往往是由实验技术人员与专业教师组成，学历参差不齐，指导实验的教师多为毫无企业实践经历的博士生，整体实践能力较弱，指导学生实践能力亟待提升.为适应新工科发展，借鉴国外高校实践教学经验，可邀请业内名师、专家、企业家和拥有丰富实践经验的工程师参与实践教学，同时加大力度送出实验教学人员，参加行业培训和进修，完善其理论知识与实践能力的结构，建立校企业合作平台，以此实现打造“双师双能”型［14］或组建“理论和实践兼修”型实践教师队伍，提升实验教学团队的综合能力.

2.6 倡导创新实践团队和校企合作的特色实践教学格局

生物学专业因学科的特殊性，必须与实践应用相伴而行.国外高校工科实践培育经验和国内新工科建设探究均充分肯定了创新实践团队和校企合作是工科学生实践能力提升必不可少的重要的环节.创新实践团队在提高学生实践能力的同时也加强了团队间多学科融合能力与团队合作能力.校企合作更贴近市场需求，培育契合社会需求的工科人才.2019 年6 月教育部通知“引导行业、企业和学校积极开展学徒培养”要求：专业设置与产业需求对接、教学过程与生产过程对接，落实双导师团队建设重点任务，推广学校教师和企业师傅共同承担教育教学任务的双导师制度.本校生物学新工科发展应抓住当前机遇，与研究或生产病毒疫苗、生物制药、食品安全检测、快速检测试剂（盒）等相关企业加深加宽合作，共同面对生产或研究过程中出现的问题、解决困难，服务社会，造福人类.增加学生专业认同感，提升实践能力培养的成就感.目前，以上合作形式有待进一步加强，须倡导借鉴国外的由政府调控、高校和企业共同培育大学生的实践教育模式［15-16］，使国家、企业参与度更高，因为解决工科实践教学不仅是学校一家之事，更是社会相关部门通力合作之事.

2.7 尝试新工科精英班培育模式

为积极推进生物学专业新工科论证建设，效仿2020 年国家“强基计划”（主要目的是选拔培养有志于服务国家重大战略需求且综合素质优秀或基础学科拔尖的学生）做法，建议本校生物学工科尝试精英班教学，突出实践与应用环节的培育.本校生物育种小班教学实践证明：小班学生在理论水平、实验动手能力、竞赛得奖率、考研上线率及重点学校研究生录取比例等方面均优于普通班.所以创建新工科精英小班教学的尝试是可行的，所谓“精英小班教学”，是指在大一新生入学时，经各方面筛选择优录取20 人组建小班，在其培养过程中，注重基础课程的开设并由教授来讲授，适当减少演示性、验证性实验，增加综合性、设计性实验.平时要求学生多参与生物学科的科研、学术讲座，积极参加竞赛项目、创新创业的实训练习，侧重学生综合素质的培养.在其实践教学中，引入实践项目研究，组建老师+学生+企业工程老师团队模式，借鉴德国亚琛工业大学的实践教学方式［17］，锻炼学生在生产实践中发现问题、解决问题的能力，为其创新意识的树立提供实践基础.走一条类似于“钱班”（钱学森力学班）［18］或Olin College of Engineering（欧林工学院）的办学经验［6］之路，为探究新工科实践教学模式提供实践和理论依据.

3 结语

与国外高校的实践教学相比较，本校生物学新工科建设应转变观念，与时俱进，体现实践在现实中的应用价值，因为无论是美国的通才还是德国的专才实践培养模式，其共同点都是符合当前国情之需，重点关注实践教育这一关键环节.因此本文建议本校生物学工科实践教育要围绕时代需求，改革实践内容，创新实践形式，健全实践评价体系，提升实践师资能力，走一条特色鲜明、学校企业高度融合的实践教学之路，为社会培养出更多的新型应用人才.