面向新工科的“微生物学及实验”课程改革与实践

王丽丽,唐 颖,牟 英,袁文杰

(大连理工大学 生物工程学院,辽宁 大连 116024)

2017年教育部推进“新工科”建设,要求高校培养兼具工程实践能力、创新能力和国际竞争力的高素质复合型人才。新工科建设以服务国家战略、对接产业行业、引领未来发展为根本导向,强调从初层次的被动适应转向高阶的主动引领[1]。因此,新工科人才培养需多方合力,协同育人,构建产学融合、校企合作的多主体参与的卓越工程科技人才培养共同体[2]。

“微生物学”既是高校生物类专业学生的基础必修课,也是一门应用性和实践性极强的课程,其配套的“微生物学实验”课程对学生加深理论认识、提高分析问题和解决问题的能力具有重要作用。目前,高校在本科阶段开设微生物学课程的同时一般也会开设配套的实验课程,然而常见的实验内容较分散,且常仅限于基本的微生物学操作和验证性实验,内容相对枯燥,不够新颖,不足以激起学生的学习兴趣,难以提高学生的学习积极性、主动性和参与度,对新工科形势下解决复杂工程问题的能力及创新创业能力的培养明显不足。为加深学生对微生物学理论的认识,提高学生的科研能力和创新意识,实现从知识储备到实践与应用的转换,同时训练并提高学生查阅文献能力、表达能力、团队协作意识和沟通能力,大连理工大学生物工程专业以企业实际需求的科研项目为引导,践行“学中做”与“做中学”,探讨“微生物学及实验”课程的教学新范式,为新工科要求下的高素质工程人才培养提供经验和思考。主要的建设内容如图1所示。

图1 “微生物学及实验”课程改革Fig.1 Reform of “Microbiology and microbiology experiment”

1 “理实一体化”设计

“理实一体化”教学模式即理论课和实验课一体化设计和实施的教学模式。微生物学科源远流长,是生命科学最早的学科门类之一,为生命科学的发展作出了不可磨灭的贡献,当今的微生物学科仍为生命科学的前沿,驱动并辐射战略性新兴产业的发展,广泛地应用于人民健康、工农业生产、新能源和环境保护等方面。因此,“微生物学”课程内容设计既要反映经典理论,又要紧跟学科进展,同时还要密切结合生产应用与实践案例。对于“微生物学实验课”内容的设计,一方面需要让学生掌握微生物培养的技术,理解理论课中的关键知识点;另一方面,需要通过综合性实验,提高学生分析问题和解决问题的能力。因此,在设计课程内容时,对微生物学理论课和实验课的安排重新进行了梳理和规划,使其相辅相成。实验课安排了3个科研项目式综合实验,将对学生需要掌握的知识点的教学以及对其动手操作能力和解决问题能力的培养贯穿其中,使学生能够做到学以致用。“微生物学”与“微生物学实验”内容对应关系如表1所示。其中实验项目一和三为从生物工程学院教师科研项目转化而来,项目二为企业产业化需求项目。

表1 “微生物学及实验”主要内容

在设计课程内容时,要贯通理论与实践、课内与课外,注重案例和实践导向,对接社会问题、市场需求与服务,将产学研密切结合,把企业的实际案例引入课堂,引导学生就所学知识点深入思考,融会贯通,学以致用,提高解决实际复杂工程问题的能力。

2 教学模式改革

教书育人,除了要思考“教什么”,还需要思考“怎么教”。要以学生为中心,从学生的角度出发来进行教学模式改革,帮助他们学会自主学习,打破思维定式,唤醒学生的学习内驱力。

2.1 线上线下混合式教学

在互联网时代,大学生正伴随着网络技术的高度发展而快速成长。思想活跃、接受新鲜事物能力强、融入时代潮流迅速是这一代人的鲜明特点。为更好地满足学生的学习需求,“微生物学”和“微生物学实验课”均建设了慕课,采用线上线下混合式教学。通过在慕课平台布置学习的知识点、回答预习问题并对一些开放主观题进行思考的方式,让学生在课前对所学知识有所了解并进行初步思考。课上,教师摒弃对基础知识的灌输,开启以学生为中心的学习模式,通过创设基于问题的探究式学习、基于案例的讨论式学习形式,将知识融会贯通到解决实际生产问题中,让学生发表自己的见解,形成在学中思考、在思考中进步的模式。

微生物学实验是生物工程专业的基础实验,涉及微生物的各种无菌操作技术以及显微镜观察技术等,对于实验操作的细节要求非常严格。在以往的教学中,一般是实验前教师在课上演示,强调注意事项,然而学生在独立操作时,仍存在反复询问或操作不规范的状况。针对该情况,笔者录制了每一个实验操作细节的教学视频,内容涉及8个基本的微生物学实验,如图2所示。每个视频不超过20 min,避免因内容冗长给学生带来观看疲劳。实验课前学生通过反复观看视频进行实验操作预习,提前掌握正确的实验操作方法和注意事项。任课教师通过后台查看学生学习时长并检查学生的预习测试结果,督促学生保质保量完成实验预习。从实验过程和实验结果来看,教学改革后,学生做实验的规范性明显提升,操作失误显著减少,询问的频率也明显低于往年,且实验操作速度比往年有显著提高,实验报告的整体得分比前一年提高5.4%。另外,以观看视频和预习测试替代抄写预习报告的方式也受到了学生好评,并切实提升了实验效果。

图2 “微生物学实验”视频课程Fig.2 Video courses of “Microbiology experiment”

2.2 将课程思政融入教学

思政课是落实立德树人根本任务的关键课程,需要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中。结合课程特色的课程思政,做到了溶盐于汤,润物无声。

微生物学学科的建立离不开一代代科学家们的不懈努力,作为一名生物工程人,应该知晓这些科学家的工作成果,以及他们的工作在整个学科中的地位,并且积极让学生学习他们优秀的品质并深入思考解决问题的科研方法。因此授课教师指导学生们共同撰写了《微生物与诺贝尔奖的故事》一书,对微生物学百年来在基础研究和产业化领域作出卓越贡献的科学家进行汇总,按照基础研究、产业化、疾病与药物的逻辑顺序将他们的工作与精神展示出来,让学生在故事中深化对基本原理的理解,提升对科学的思辨能力,对达成生物工程专业培养方案目标和学生个人成长都具有极大的帮助。通过2个学年的积累,120余名学生参与收集了丰富的科学家故事,目前已联系出版社进行后续的排版与校对工作,争取尽快出版发行。在大学期间能够参与一本科普书籍的编著不仅让学生们获得极大的荣誉感,而且无数感人的科学家的奋斗故事又给学生带来巨大的精神鼓舞,使他们理解生物工程人的社会责任和时代使命。

以献礼“建校70年”“建党100周年”为主题举办微生物绘画大赛,如图3所示。大赛不仅提高了学生无菌操作与微生物培养技术,也增强了学生爱国爱校的意识及服务社会的责任感。微生物培养皿大赛的举办在寓教于乐的同时培养了学生扎实的实验动手操作能力,有获奖的同学说自己做了几十次实验才取得成功,菌株的选择、底稿的绘制、菌量的把握,以及无菌操作的严格要求都给创作带来极大的挑战,在完成创作,体会到巨大成就感的同时,其微生物无菌操作能力也得到了系统的锻炼。在2021年中国共产党建党100周年之际,该比赛由学院层面发展到全校,成为一项校级赛事。选手无论是否具有专业背景,均可参与,由笔者团队提供必要的指导以及绘画所需的一切实验条件,使比赛在培养本专业学生的同时也起到了宣传学科的作用,在学校取得良好的反响,达到了德智体美劳五育并举的目的。

图3 微生物培养皿大赛Fig.3 Microbial petri dish competition

3 产学研融合教学

产业的快速发展引领人才的需求导向,把产业需求与教育目标相统一,推进产业与教育深度合作,精准对接行业需求和社会需求,将企业的生产和研发环节融入课程实践,进一步提高学生的综合素质和适应能力,以满足行业发展的需求。理论课教学中,在讲解微生物的生长繁殖及控制章节时,引入安润生物有机肥的生产案例,向学生介绍有机肥发酵所使用的微生物菌株的筛选和肥料的生产过程,以及生物有机肥中益生菌种的添加对后续植物生长繁殖的促进作用。结合我国印发的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》,让同学们了解到过量施肥、盲目施肥不仅增加农业生产成本、浪费资源,也造成耕地板结和土壤酸化[3]。与化肥相比,生物有机肥具有抑病菌、抗病害、增根、发苗和壮秧的作用,同时其营养全面,起到活化养分、改善土壤环境的作用。实施化肥使用量零增长行动方案,不仅是推进农业“转方式、调结构”的重大措施,也是促进节本增效、节能减排的现实需要,对保障国家粮食安全、农产品质量安全和农业生态安全具有十分重要的意义[3]。在本章节后的开放式作业中,笔者将企业生产中遇到的问题“如何解决微生物菌肥中微生物种类的测定以及微生物数量的准确计数?”作为思考题,引导学生将所学的知识运用到实际生产中。实验课教学中,笔者与山东京博控股集团共同开展了教育部产学合作协同育人项目,将企业在研的“聚谷氨酸高产菌株的筛选与条件优化”科研项目引入课堂。使学生了解完整的产品生产过程,针对产品生产中存在的问题,开展实验设计、实验验证、结果分析讨论、生产实践和迭代优化。学生设计了聚谷氨酸高产菌株的筛选与条件优化的综合性实验,在实验过程中不断摸索培养条件,反复调整培养优化方案,找到了适合聚谷氨酸生产的高产菌株以及最优的培养基配方、温度和pH等反应条件。在实验的过程中学生对理论课的知识有了更深的理解,并体会到了作为一个生物工程人能给社会带来的巨大改变以及自己的责任感和使命感。

基于项目的参与式学习方式和基于实践的体验式学习方式使学生在主动探究和创新实践中实现了精神塑造、知识转化与能力增值。

4 创新创业实践拓展实验教学内容

“双创”是新工科人才培养模式下的重要教学内容。培养学生的创新思维与创业能力是人才走出高校与企业接轨的必备条件。如何让学生运用书本上的知识进行创新并应用到创业的实践中,是高校培养人才所面临的新挑战。面向新工科的产学研合作模式为生物工程专业人才的培养提供了新的途径,对培养符合社会需要和国家发展需求的创新创业人才具有重要的意义[4-6]。

为了使学生在科学实践中进一步巩固和拓展“微生物学及实验”课程的教学内容,笔者积极探索课程教学与学生创新创业等实践项目的多维度、多层次融合:1) 在微生物实验课的综合设计性实验环节中,给学生充分的自主性。教师提供可供参考的实验内容,然而并不要求学生局限于参考题目。在教师的指导下,学生可以结合文献资料自主选择感兴趣的实验项目,也可以将实验内容和自己所参与的大学生创新创业项目相结合。2) 学生在课内外对在微生物学及实验课程中感兴趣的项目进行进一步拓展研究,在教师的指导下,衍生出一些大学生创新创业实践项目;教师在课程教学中也努力探索多种形式和渠道,以发挥学生的自主性,推动理论教学、实验教学向创新创业实践项目的孵化。在实验课程结束后,对相关实践项目进行延伸,促进课程教学与课外实践的相互融合[7-8]。部分项目还参与了“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生生命科学创新创业大赛、辽宁省创新方法大赛、“挑战杯”大学生课外学术作品竞赛等,并取得了一定的成绩。例如“大连理工大学第五食堂食品安全检测报告”创新实践项目就是通过“环境中微生物的检测”的实验课程项目孵化而成。学生根据自己的兴趣,在教师指导下,利用课外时间对微生物实验课程项目进行拓展,获得辽宁省“挑战杯”竞赛二等奖,达到了以赛促教、以赛促学、以赛促创的目的。通过微生物学实验课的训练,学生们扎实地掌握了基本的实验操作技能和科学研究方法,具备了一定的创新创业能力,近3年来参与各类竞赛,并获省部级以上奖项30余项,发表研究性论文20余篇。

5 结 论

培养新工科人才,探索产学研融合的新模式和新机制,是我国经济发展和高等教育改革的需要。专业实验课是巩固学生所学课程理论知识,提高和培养学生实践能力和创新创业能力的重要课程。通过对课程内涵的重新设计与改革,推动以成果为导向的教学培养模式,是新工科人才培养的新方向。面向新工科的产学研合作模式下的“微生物学及实验”课程改革贯通理论与实践、课内与课外,注重教学的问题、项目、案例和实践导向,对接社会问题、市场需求与服务,开展工程项目设计与实践活动,推广实施课程思政、学科专业竞赛、创新创业项目等实践体验教学,极大地提高了学生的积极性和主观能动性。教学改革实施后学生的学习成绩和能力有了很大的提升,学生对课程真正产生了兴趣,深入理解了作为生物工程人的使命和责任,在做中学,在实践中成长,具备了解决复杂工程问题的能力,为满足新工科对高素质工程人才培养要求的改革提供了可借鉴的范式。