强化学生工程思维的《生物化学工程》课程体系的教学改革*

于 贞，姜爱莉，邢荣莲

(烟台大学生命科学学院，山东 烟台 264005)

工程思维是工科学生必备的核心能力[1]。培养好学生的工程思维，也是全面落实OBE理念的重要举措。李伯聪认为，工程思维是在以科学思维指导下的把工程问题求解和工程思维过程看作一个“设计出一个可行的、适当的、从工程初始状态到达目标状态的操作程序或操作路径的过程”，所以工程教育必须以培养工程思维能力为核心任务和基本内容[2]。

《生物化学工程》是将生物技术的实验室成果转化为现实生产力的学科，它研究和解决的是生物反应过程中带有共性的工程技术问题[3]，因而《生物化学工程》是生物工程专业的核心专业基础课。它的理论性和实践性都非常强，在生物工程专业课教学中占有十分重要的地位，对于提高学生的理论水平和培养学生的工程思维方面都起到重要的作用。

工程思维的训练不仅仅需要在理论课授课时要加强，在后面的实践教学过程中也应该有意识地将理论联系实践这一行为贯彻到底，让学生在以后的科研和生产活动中自觉地将理论和实践相联系，使这种工程思维模式形成习惯，能够大大地提高科研和生产活动的效率。实践教学过程，本就是理论联系实践的过程，在训练学生的工程思维方面发挥着重要的作用。

1 传统《生物化学工程》教学中存在的问题

传统的《生物化学工程》在教学过程中存在以下几个问题：

1)课堂教学方面。《生物化学工程》对《高等数学》的要求比较高，同时其前修课程，既包括了对数学要求很高的《物理化学》和《化工原理》，还包括《生物化学》《微生物学》等课程，因此，《生物化学工程》是一门综合性强，理论性强和逻辑性强，让学生觉得难度很大的理论基础课程。该课程包含许多复杂的数学公式，以往的《生物化学工程》课堂教学过程中，为了解决学生数学基础薄弱的现象，花费了大量的时间讲授动力学公式的推导过程。由于教学计划里《生物化学工程》授课时间从64学时改为48学时，导致动力学理论应用方面讲的比较少，使理论学习和实践应用发生脱节，学生的科学思维模式不能有效转变成工程思维模式。

2)实践教学方面。首先是学生认识上的不足。长期以来，学生重理论轻实践的现象很普遍，主要表现为预习就是抄讲义，没有对实验原理和实验过程中采用的方法进行深入的了解；其次，在实验过程中只是机械地照搬操作步骤，并不关心为什么要采用这样的实验步骤。这种不求甚解的学习方式在基础实验课(因为是验证实验)是可行的，但在专业综合实验过程中却是不可取的。另外，在实验报告的撰写过程中，对于实验过程中出现的异常现象，学生往往用误差来解释，并没有进行深入的探究，所以很难起到工程思维训练的目的。

2 《生物化学工程》教学改革理论

为了更好地贯彻OBE的教学理念，强化学生工程思维的训练，我们就强化工程思维的教学改革在理论方面进行了探索。

1)将《生物化学工程》与前修课程进行融会贯通是学好该课程的前提条件。新工科的重要特征之一就是跨学科课程，表现为以工程活动中的数学、理化和技术问题为核心，应用工程设计思维去发现问题、分析问题和解决问题。在这个过程中，需要多学科相互融合，让学生的科学思维模式转变为工程思维模式，这个转变的过程就是理论联系实践的过程。

2)工程思维模式是通过课堂教学形成的。《生物化学工程》课程就是为解决生物技术转化成现实生产力,也就是由实验室规模转化成工业规模的工程技术问题而诞生的，所以《生物化学工程》是通过数学语言来解决工程技术问题。其描述的动力学关系就是用数学公式表示的，但在应用之前，数理化与工程技术首先进行融会贯通即工程化，才能成为进行动力学实验的设计和分析的依据。所以我们提出了将《生物化学工程》理论教学与前期相关课程交叉融合，结合科研项目和生产实例，对学生的工程思维模式进行训练。训练的过程就是工程化思维形成的过程，也是学生的工程意识建立的过程。

3)工程思维模式通过主动参与科研项目得到强化。《科研技能课》《生物工程与工艺综合实验》及《生物工程专业方向实验》恰恰能够让学生切实将发酵动力学理论与实践相结合的教学思想进一步得到夯实。这个过程，从学生查阅文献开始，到设计实验方案，最后完成实验并对实验结果进行合理分析等等，都是以学生为主体进行的。这个过程不仅调动了学生的学习专业的主动性和能动性，更重要的是让学生养成科学的思维，培养了学生用所学理论分析问题和解决问题的能力，也就是理论联系实践的能力进一步增强。

4)专业课在塑造学生思想政治意识和观念方面同样有着重要作用，也是高校全方位育人体系中的重要环节。因此，《生物化学工程》在授课过程中，除了注重学生工程思维模式的培养外，还对其中蕴含的思政元素进行挖掘，引导学生树立正确的世界观、乐观进取的人生观和积极向上的价值观。

3 《生物化学工程》教学改革内容

在上述理论指导下，我们课题组进行了如下的教学改革：

1)构建了新的《生物化学工程》的课程体系。将《科研技能课》《生物工程与工艺综合实验》《计算机仿真》及《生物工程专业方面实验》纳入到《生物化学工程》课程体系中来，将工程思维运用到实践教学过程中，使学生在实践中进一步强化工程意识和工程思维。

2)注重各学科的交叉融合，使学生的科学思维模式向工程思维模式转变，并通过假想的科研项目对工程思维进行训练。在讲解基本概念时，先从纯数学的角度对它进行深度解析，讲解数学理论与工程实践的差异，面对复杂的工程问题，如何才能最大限度地减小误差，保证生产的顺利进行。在此基础上力求将概念具体化和实践化，即工程化，实际上是将工程化的思维模式显性化。比如，要获得某个反应过程的模型参数，根据所学的动力学理论，如果是从数学的角度应该怎么做，如果从工程的角度又应该如何进行变通。从而决定了具体实验方案的设计，要采集哪些数据，怎样采集，采集的数据如何进行科学处理才能获得正确的结果。特别是，最后作直线图是通过5点作图(而不是数学上的两点作图法)，通过直线在两个坐标轴上的截距来得到模型参数(而不是通过数学上的联立求解的方式得到模型参数)，将纯数学方法和最小二乘法(工程方法)之间的明显不同通过图示加以说明，最后建立了实验设计题库。通过布置类似的作业，让同学们自己根据动力学方程设计实验方案，并列出要采集的数据及数据的处理方法，对工程思维方式进行训练。

3)将课程思政融入到理论课授课过程中，引导学生强化工程意识，增强学好理论课的紧迫感和使命感，做一个有社会责任感的高级工程技术人才。例如，青霉素工业化，是解决了溶氧和染菌的主要矛盾的基础上才实现的，让学生意识到在解决复杂的工程技术问题上要善于发现问题，抓住主要矛盾；青霉素的发酵单位从最初的 40 U/mL 到 90000 U/mL 的巨大提高[4]，让学生体会到《生物化学工程》在生物技术产业化进程中的桥梁作用，深刻体会到《生物化学工程》理论突破对生产力的巨大推进作用，增强学生学好《生物化学工程》的内在动力和使命感。再如，以玉米为原料利用双酶法制糖的过程中，玉米的各种成分都被制成相应的产品，实现了玉米原料的完全利用，及废物的零排放，实现了经济效益、环境效益和社会效益的统一，使学生坚定成为有情怀有能力的复合型高级工程技术人才的信念。

4)在实践教学过程中，让学生借助具体的科研课题，强化学生的工程思维，增强学生理论联系实践的水平。

首先，将我们课题组成员自主研发的计算机仿真软件与生物工程与工艺综合实验有机结合。计算机仿真软件会把《生物化学工程》的理论对实践的指导作用通过仿真直观地显示出来。实验之前，让学生对谷氨酸发酵的生产过程进行计算机模拟，通过仿真环节，熟悉整个生产过程，了解操作要点，以及生产过程中可能会出现的非正常现象及处理方法。再结合实验讲义进行预习，加深对整个实验的理解。实验之前学生自主进行实验内容的设计，老师只负责工艺路线的整体设计，由学生自己根据生产过程的主要工艺参数制定具体的实验方案，并说明理由。对实验过程中出现的异常现象，提出自己的分析，给出解决措施。实验室过程中，学生可以根据真实的实验现象和数据的走向判定自己的分析是否正确，从而进行调整和改进。

其次，通过特定的科研任务，在查阅文献的基础上，设计实验方案并实施，不但训练了学生的工程思维，而且在方案的设计和数据的分析和研判过程中强化了学生理论联系实践的能力。对于《生物工程专业方向实验》和《科研技能课》，要求学生根据老师布置的科研任务进行充分的资料查询，写出实验方案，并组成小组进行讨论，整个小组把讨论后的实验方案交给指导教师审阅。正式实验前，指导教师对该实验过程中所涉及到的理论知识进行提问，对实验过程中可能会用到的实验操作让学生进行预演，并说明这样做的原因，然后对实验过程中可能出现的问题用学过的理论知识进行解释，最后学生自己独立完成整个实验。在实验过程中，学生可以随时和指导教师进行讨论，充分发挥了学生的主动性、能动性，调动了学生对实践教学的积极性，锻炼了学生的动手能力，同时训练了学生的科研思维。在这个过程中，学生的理论联系实践的能力得到大幅提高。

4 结语

坚持理论教学与实验教学并重的原则，在学科交叉融合的基础上，训练学生的工程思维模式，强调要培养学生理论联系实践的能力的教学理念，让学生能够正确地应用所学理论分析生产和科研过程中出现的问题。教改后突出了学生的主体地位，强化了学生的工程思维，同时融入思政元素；以人为本，以能力培养为核心，把知识传授、能力培养与素质提高有机结合，促进学生全面协调发展，有利于应用型、复合型、创新型人才培养目标。本课题研究成果从2019年开始在烟台大学生物工程专业的学生中使用，收到了良好的教学效果。