生物工程下游技术进阶式实验教学模式的探索与实践

付畅，井乐刚，甄鑫，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）

蓬勃发展的生物技术在社会生产实践的众多领域创造经济效益，呈现出广阔的发展前景[1]。近年来，众多国家纷纷制定了生物经济发展战略[2]。生物经济的发展壮大需要高质量的生物技术创新创业人才来支撑和推动。生物工程下游技术是生物技术产品产业化的必经之路，担负着从中游生产过程获得的原料中分离纯化目的物质并将其制成产品的重要任务。生物工程下游技术实验课程在生物技术高素质专门人才的培养中发挥着重要的支撑作用。由于传统的教学模式不能满足生物技术产业发展对人才质量的要求，近年来，各高校在生物工程下游技术实验教学中作出了一些探索与改革。在教学改革中着眼于优化教学内容，改革教学方法[3-5]。我们在前期的教学改革中建立了生物工程下游技术创新综合实验教学体系，通过演示性实验教学模块培养学生的规范化实践操作能力，通过综合性实验模块培养学生综合运用知识的能力，通过开放性实验模块培养学生的创新能力[6]。这些探索与改革都取得了一定的效果，但是现有的教学模式与生物技术产业发展对生物技术人才的要求还有差距。提高生物工程下游技术实验课程在生物技术人才培养中的效能，充分激发学生的活力，筑牢学生的知识基础，提高学生分析和解决问题的能力、实践创新能力，提升学生专业素养，仍有很大的开拓空间。为此我们探索了生物工程下游技术进阶式实验教学模式，立足成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念[7-8]，力求为生物技术人才培养提供更优质、更有力的支撑。

1 课程建设基础

1.1 教学团队建设

教学团队成员5 人，均具有博士学位，其中3 人具有出国学习经历，由教授、副教授、讲师形成合理的梯队。教学团队成员共主持省级教学改革课题3 项、校级教学改革课题6 项，发表教学改革论文22 篇，生物工程下游技术教学案例入选校级线上教学案例汇编；团队成员获得省级课程思政教学竞赛三等奖1 项，校级课程思政示范课程1 项，校级“宁齐堃”教学奖3 项，校级教学优质奖16 次；团队成员指导学生参加国家级、省级创新创业竞赛获奖8 项。

1.2 课程资源建设

将前期教学改革中录制完成的生物工程下游技术实验过程示范操作视频和实验仪器使用示范操作视频加工转化为线上微课资源，分解生物工程下游技术实验的关键知识点，制作微课，建立实验室安全知识考核题库以及实验技能考核题库。

1.3 内容体系建设

在前期的生物工程下游技术实验教学改革中，建立了以目标物质大肠杆菌碱性磷酸酯酶的分离纯化为主线的创新综合实验教学体系。全部实验内容系统化集成，大肠杆菌碱性磷酸酯酶的分离制备、离子交换柱层析纯化和凝胶过滤柱层析纯化三个大实验环环相扣，贯穿整个下游技术一般工艺流程。在实验教学过程中，培养学生综合运用知识的实践能力、触类旁通地将原理和技术用于其他生物技术产品分离纯化的能力，在实验体系中给学生创造自主探究空间，指导学生探索优化实验条件。

2 分层次定位教学目标

课程教学目标对专业培养目标具有支撑作用[9]，对课程教学具有引领作用[10]。教学目标的规划和设定应具有高阶性[11]，以满足对人才培养质量的需求，同时又应具有落地性[12]，以使教学目标可以在实践中达成。布卢姆教学目标分类法将认知过程分割为理解、记忆、应用、分析、评价、设计6 个层级[13]。由于理解与记忆、分析与应用、设计与评价之间的依赖关系更为紧密，我们将这6 个层级划分成低阶、中阶和高阶3 个认知目标阶段，根据生物工程下游技术实验教学的内容，分层次定位了教学目标，构建了进阶式教学模式，在实践中循序渐进地培养学生的能力（见图1）。初阶教学目标锁定理解和记忆，中阶教学目标指向分析和应用，高阶教学目标靶向评价和创造。教学目标的设定遵循学生的学习规律，从易到难，循序渐进地实现高阶目标、创新性和挑战度，培养学生实现知识的系统性增加，能力的系统性提高，专业素养的实质性提升。

图1 生物工程下游技术进阶式实验教学目标

3 初阶教学目标的实现

由于初阶的教学目标主要靶向理解和记忆，而学生通过先修课程的学习已经具备了生物工程下游技术的知识基础和技能基础，形成了相对成熟的逻辑思维能力，因此初阶的教学目标主要通过学生的自主学习实现。课前首先向学生发布实验室安全知识培训材料，学生通过实验室安全知识考试获得进入实验室的入门资格。其次，将实验教程中的关键知识点转化成系列问题发布给学生，将基本知识点原理微课发布给学生，以问题清单引领学生在理论课学习的基础上自主学习实验课的基本知识点原理。最后，将实验过程示范操作视频和实验仪器示范操作视频发布给学生，学生通过课前观看示范操作视频，学习实验基本操作流程和操作要点。学生在自主学习中梳理疑难问题，教师在线提供答疑辅导，课中通过互动答题检测，获得学习效果的实时反馈，对学生掌握薄弱的知识点进行对应强化。

4 中阶教学目标的实现

4.1 以问题引领学生建立完整的解决问题的思考链，培养解决问题的能力

在落实OBE 理念之前，在教学中主要侧重讲授实验目的、实验原理和实验操作要点，以帮助学生顺利获得实验结果。在这样的教学过程中，学生解决问题的能力没有得到充分的发展。究其原因，是在教学过程中，学生建立的思考链缺失解决问题的部分。因此，我们结合实验课的内容，梳理出系列问题，引领学生建立完整的解决问题的思考链，培养学生解决问题的能力。

以问题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。例如，在大肠杆菌碱性磷酸酯酶离子交换柱层析纯化的教学中，首先以问题引导学生思考，采用离子交换法分离纯化大肠杆菌碱性磷酸酯酶，如何选择离子交换剂？接下来以问题引导学生思考，如何确定大肠杆菌碱性磷酸酯酶离子交换柱层析的条件？依次设定问题选择吸附阶段的样品浓度、pH 值、离子强度，洗脱阶段的pH 值和离子强度，通过判断和投票选择的反馈结果即时获得学习效果的反馈，针对性地解决学生学习存在的问题。

以问题引导学生思考，如何优化分离纯化条件，获得理想的分离纯化结果。例如，在完成大肠杆菌碱性磷酸酯酶离子交换柱层析后，向学生展示不同的纯化结果，通过头脑风暴法引领学生比较纯化效果，分析讨论导致离子交换柱层析分辨率低的原因及解决办法。学生在头脑风暴中主动思考的广度和深度都得到促进，可以将导致离子交换柱层析分辨率低的原因较为充分地分析出来，并提出相应的解决办法。

4.2 以实验示范视频促进学生应用关键技术完成分离纯化操作过程

实验课前学生通过自主学习观看实验过程示范操作视频和实验仪器使用示范操作视频，学习实验操作技术和仪器使用，明确实验操作的基本过程。实验课上对记忆不清的地方可以在知到平台上随时观看示范视频，在此基础上完成大肠杆菌碱性磷酸酯酶的分离制备和纯化过程。在实验操作过程中，学生可以反复观看示范视频，学习实验操作技术，教师对学生的操作进行纠错，对关键环节进行技术指导。在教学过程中提高了教学效率，提升了教学效果。

5 高阶教学目标的实现

5.1 课上延伸学习，通过协同完成小组任务培养学生的评价能力

在完成大肠杆菌碱性磷酸酯酶分离纯化实践操作之后，组织学生举一反三，以小组为单位，综合运用生物工程下游技术，完成纳豆激酶分离纯化工艺过程的设计。进一步组织学生比较评价各小组的设计方案，探讨改进措施，引导学生在设计中融入清洁生产的环保理念。在完成评价讨论后要求学生提交评价报告。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后，在发展评价能力的同时也为学生完成个人课程设计奠定了重要基础。

5.2 课后拓展学习，通过独立完成个人课程设计培养学生的创新能力

学生在课上延伸学习中通过对小组设计的评价，已经具备了评价分离纯化过程的能力。在课后拓展学习中，以任务推动学生独立完成自选项目的个人课程设计，实现高阶创造性学习目标。要求学生设计一个生物工程下游技术方案，说明要从什么原料中，分离什么目的物质，采用什么样的下游技术工艺流程及技术方法，达到什么目的，具有什么意义。要求目的明确，意义明确，技术路线合理，过程完整可行，具有创新性。

5.3 协同融合大学生科技创新创业项目，培养实践创新人才

培养实践创新人才是课程高阶性的重要体现。创新创业项目是培养实践创新人才的重要依托[14]。我们将生物工程下游技术实验课与大学生科技创新创业项目协同融合。一方面，通过开放实验室为学生提供自主探索和创新实践的重要基地，培养实践创新人才。指导学生从榨菜、许氏大酱等材料中分离鉴定了多株产纳豆激酶的菌株，利用分离到的高产纳豆激酶菌株优化发酵基质，基于研究成果指导学生参加大学生生命科学竞赛及创业活动。另一方面，以大学生创新研究成果建立纳豆激酶分离纯化系列内容，作为可选模块拓展生物工程下游技术实验课内容。该模式可以紧跟生物下游技术的发展前沿，作出动态的调整，在培养创新人才的同时丰富和更新实验课程内容。