曾 昕，徐大勇，曾化伟，李 峰①

（淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北235000）

0 引言

2018年国家7项战略性新兴产业中的4项（新能源、新材料、生命科学及生物医药）均涉及生命科学的工程化应用，这不仅为本科生物工程专业建设及人才培养指明新道路，同时还提出更高的要求. 相比生命科学理科类专业（生物科学、生物技术等），生物工程培养更关注于应用技术的研发和工程工艺的构建，工科特点明显［1］. 传统师范院校大多倾向于基础理论教学，而在实践要求较高的工科专业人才培育上尚较薄弱［2］. 在向综合型大学转型的大趋势下，如何补齐固有短板、办好“工科”专业已成为我国师范类院校目前共同面对的问题.

培育工科专业人才，不仅需要进行系统的专业基础知识传授，还需要强化工程思维，加大专业实践，生物工程专业的人才培养也不例外. 淮北师范大学生物工程专业课主要有微生物工程、生物工艺学、生物分离工程及生物工程设备与设计，这4 门专业课相互衔接，较系统地涵盖整个生物制造的产业化流程［3］. 其中，生物工程设备与设计课程是其他工程类专业课的重要基础，此课程要求学生能够认识生物工厂中的常用仪器设备，掌握设备的工作原理，并初步具备专业设备的工业设计能力［4］. 因此，要办好实践性强的生物工程专业，必然要夯实专业基础课程，而生物工程设备与设计课程教学改革已然成为生物工程专业建设中的关键.

1 存在的问题

1.1 学生对设备的前期感官认识薄弱

目前，生物工程设备与设计课程教学几乎全部依赖于课堂讲授，值得注意的是，传统课堂式教学无法提供给学生接触和操作专业设备的机会，教学效果十分有限. 一直以来，理性认识均需要建立在感性认识的基础上. 学生在没有见到真实仪器设备之前，很难凭空想象出设备的空间架构；而学生脑海中若没有设备的基本画面，要理解设备构造、设计原理及运行方式则更无从谈起. 尽管课堂教学中可借助微缩模型、幻灯片、视频、仿真软件展示部分专业设备的外观图、结构图及运行规律，但这仅可对已存在的认识加以巩固，却仍无法替代专业设备的现实接触环节. 因此，如何预先奠定学生对专业设备的感性认识，对后期课程教学极为重要.

1.2 教学内容多，学时少，知识点易片段化

生物工程设备与设计课程主要分为发酵原料预处理、微生物反应器、产物分离提取和辅助设备体系4部分，每部分涉及的设备种类较多，构型和运行原理差异大，若要全部讲授，不仅学时不够，还会影响教学深度和系统性，教学效果差. 此外，现实发酵生产中的一种生物产品常对应多种生产工艺和设备，如不分重点进行“满堂灌”，将削弱设备之间的工艺联系，使知识点片段化，进而加速遗忘，降低学生对知识的灵活运用能力，严重影响学生的学习积极性. 因此，如何设置教学主线，精简教学内容，增强各生物制造环节所用设备的联系，将是优化教学内容的重点.

1.3 缺少操作实践来巩固课堂知识体系

生物工程设备与设计课程应用性强，与工业化实践关系甚为紧密. 课程结束后，如若不进行巩固，前期所学知识将失去落脚点而变得易遗忘，最终使得教学效果大打折扣. 同时，作为一门应用性较强的课程，其课程考核方式目前仅限于理论考试，尚没有以学生实践能力为导向的考核形式，如此不利于评估学生的真实能力. 课后操作实践是解决这一问题的有效手段，其不仅可巩固课程知识点，还可培养学生运用理论知识来进行设备操作的能力. 遗憾的是，现阶段大部分高校资源有限，无法提供足够的专业设备用于教学，本课程的课后实践巩固和实践考核推行难度大. 如何解决实践资源不足的问题将是知识体系课后巩固的关键.

2 生物工程设备与设计课程“三位一体”教学体系的构建与实践

2.1 传统生物工程设备与设计课程教学体系

传统教学体系主要包括课堂教学、课堂考勤、课后作业和期末考核. 总评成绩由课堂考勤（15%）、课后作业（15%）和期末考试（70%）构成. 教学按照课程章节的顺序进行，分别是生物质原料处理设备、生物反应器、产物分离设备和过程辅助设备. 本体系特点在于根据不同的生物制造环节，分别讲述各环节涉及的设备特点. 由于设备种类繁多，选型和原理各异，要想学生在短短两节课（90 min）记住多种复杂设备的结构，并理解其运行的原理，尚有一定难度. 因为课程安排的关系，一个生物制造环节涉及的设备往往需要经过2-3周的时间才能讲完，此时再讲授下一环节，难免会造成前后知识点的有机联系被切断，其多环节间的设备适配性更无从谈起.

2.2 “三位一体”教学体系的构建

为全面提升生物工程设备与设计课程的教学效果，本文构建以“课前——工厂实地学习、课堂——经典主线引导、课后——虚拟仿真巩固及考核”为基础的“三位一体”教学体系.

图1 “三位一体”教学体系的构建

2.2.1 校企合作拓展，课前工厂实地学习交流

高校的专业设备主要用于科研和教学，一般性能完备，精度较高，适合从事小型实验和生产；企业中的专业设备主要用于技术放大和产品生产，实用性更强，处理量和布置规模较大，工艺连贯性强，适用于连续大规模生产. 显然，高校和企业中的设备差别较大，但是互补性极强. 若能在本科教学中整合校企双方的设备资源，则可为学生提供更为全面的学习素材，并在学生脑海中初步构建设备的基本构造、运行原理和相应的工艺流程，从而为后期理论学习奠定坚实的感性认识基础［5］.

目前，我校生物工程专业已和10余家生物企业进行产学研和专业实践基地的合作，其中不乏有安徽丰原集团这类拥有着雄厚专业设备资源的大型企业. 若能借助合作企业的生产平台来补充高校在实践和专业设备上的短板，则能形成协同效应，从而大幅提高生物工程设备与设计课程教学质量［6］. 近年来，校企合作课程在实践性较强的学科专业中发展迅猛［7］，已有多种校企合作课程模式成功运用于市场营销、化学工程与工艺、通信工程等经管、化工、物电的专业课程建设上. 在生物工程课程改革方面，以蚌埠学院、湖南科技学院为代表的一些高校选择应用性较强的课程进行“校企合作教学”试点，取得积极的成果［8-9］. 本文从淮北师范大学实际情况出发，在生物工程设备与设计课堂教学的前期引入工厂短期实地学习，以强化学生对专业设备的感性认识，为后期课堂理论教学奠定基础.

2.2.2 以经典生物工艺学主线引导课堂教学，全流程专业设备交融

针对课堂理论教学中出现的教学内容多，学时少，知识点易片段化的问题［10］，笔者以3～4组经典生物产品制造（酒精发酵、赖氨酸发酵、柠檬酸发酵、青霉素发酵）过程为主线，根据生物工艺学中的逻辑结构将相关设备按工艺的先后顺序进行串联，以强化各设备之间的逻辑联系. 主线的引导可突出教学重点，将机械记忆转化为知识网记忆，提高知识的灵活性和有机联系. 例如，在以赖氨酸发酵引导的设备教学主线中，笔者以原料的前处理设备（包括玉米原料除杂、筛选、粉碎，原料运输，玉米淀粉糊化、糖化，培养基配制、高温灭菌），生物发酵过程设备（液态发酵罐基本结构、运行原理及维护保养，发酵无菌空气制备和供给），及产物分离纯化设备（发酵液固液分离、离子交换、蒸发、结晶、干燥）的顺序进行讲授. 如此，学生不仅可将专业设备和具体的生产工序联系起来，还能依照对应生产环节理清各设备之间的逻辑关系.基于此，面对不同的生物产品，学生可针对其特定生产流程进行“举一反三”，进行专业设备的选型和设计，从而掌握灵活运用专业知识解决现实需求的技能.

图2 以赖氨酸生物合成工艺学为主线的生物工程设备知识网络

2.2.3 基于虚拟仿真实践平台，设置课后训练及考核新模式

除前期预习、企业实物接触外，生物工程设备与设计课堂上讲授的理论知识还需结合后期实践操作来巩固. 然而，值得注意的是，大多数学生在学习该课程之前从未参加过生产实践培训与实习，并不具备直接操作相关设备的能力. 因此，“课后采用何种方式对课程知识体系加以巩固”成为亟待解决的新问题.

教学e时代的发展带来一种以网络技术为基础的“虚拟仿真”实践教学新模式［11］. 该模式依赖的“虚拟仿真实践平台”采用HTML、3DSMAX、CGI、JAVA及Unity3D技术，对复杂的生物发酵过程进行模拟，并将生产流程和专业设备进行有机整合，这为课后进行理论知识巩固和实践操作训练提供条件. 教师以电脑主机发送网络指令，开启某类生物产品生产线，学生通过终端平台在电脑中如真实操作一般控制虚拟设备，完成产品的发酵、提取步骤. 不同生物产品的生产对专业设备的需求不同，而虚拟仿真平台可以在软件中嵌入多种生物产品发酵实例，因此，虚拟仿真实践平台能够为生物工程设备与设计课程提供大量的设备学习素材，强化设备之间的联系，帮助学生建立专业知识体系. 同时，虚拟仿真平台还可对课程进行考核，学生需要理解整个生产流程和相关设备的运行原理，并在电脑中正确设定参数、调节开关阀门，其考核成绩不仅能反映学生对设备和流程的理解程度，还能反映学生对生物产品生产过程的实际操控能力. 此外，虚拟仿真实践平台不受实际生产周期和场地的影响，学生可以在任何时间登陆进行学习训练，故该模式可突破传统教学的时空限制，使得学生的虚拟实践更为自主、灵活和多元，有助于对前期的理论学习内容进行巩固和深化. 目前，淮北师范大学生命科学学院已经建立生物工程专业虚拟仿真实践平台［12］，可为本课程后期学习巩固及操作考核提供支撑.

3 “三位一体”教学体系的应用实践

基于前期构建的“三位一体”教学体系，本文分别采用传统教学方式及新型教学体系，在2014 级、2015级、2016级生物工程专业本科生生物工程设备与设计课程中进行教学实践. 以上连续3届本科生均分为2个班，共420人，其中每个年级的1班为对照组，进行传统体系教学，2班为处理组，借助新体系完成教学. 经比较分析，以上2组同学在年龄、性别和课程进度上均无显著差异. 在课程全部结束后，采用调查问卷、期末理论知识笔试和虚拟仿真模拟操作的形式，来获得各年级学生的学习反馈，并评估学生在基础理论知识上的掌握情况和在虚拟实践能力上的差异，以考察新型教学体系在本课程中的教学效果.

a）学生自我评估. 在课程结束后，通过让学生填写调查问卷以了解学生对此门课程的总体评价，主

要分为学习兴趣、知识掌握程度、创新思维培养和实践能力4各方面（表1）. 本调查结果表明“三位

一体”新教学体系可增强学生的学习兴趣，提高其综合学习能力，并取得良好的教学效果.

表1 学生自我评价情况 %

b）学生理论知识考核. 在课程结束后，笔者对2014级、2015级和2016级生物工程专业学生的生物工程设备与设计课程期末理论考试成绩进行统计，并将实验组和对照组进行比较（表2）. 结果显示，新教学体系可显著提高学生对本课程基础知识的掌握程度.

表2 学生期末理论考试平均成绩比较

c）学生虚拟仿真实践能力比较. 为初步考察新教学体系在培养学生实践能力上的效果，笔者在课程结束后，借助虚拟仿真实践平台，随机选取4组经典生物产品制造工艺学流程，针对其中各设备的操作和维护进行上机考核，电脑将按照学生的操作情况给出分数. 如表3所示，对2014级、2015级和2016级生物工程专业学生的生物工程设备与设计课程期末理论考试成绩进行统计，并将实验组和对照组进行比较（表3）. 结果显示，新教学体系可明显强化学生对工艺流程的理解，并提高相关设备的实践操作能力.

表3 学生虚拟仿真操作考核平均成绩比较

4 结语

在高校生命科学相关专业中，生物工程是典型的“工科”专业，其人才培养不仅需要传授生命科学理论知识，更侧重提高学生的实践创新能力. 针对生物工程设备与设计课程目前主要存在的3类问题，本文提出“课前-课堂-课后”三位一体综合改革方案，即：（1）拓展校企合作，课前工厂实地学习交流；（2）以经典生物工艺学主线引导课堂教学，强化专业设备的相互联系；（3）基于虚拟仿真实践平台，构建课后训练及考核新模式，锻炼实践操作与应用的能力. 本课题结合我校理工科人才“产学研”协同培养方针，以及当前“计算机网络”辅助教学的大趋势，制定与应用型人才培养目标相适应的教学新模式，该模式近3年的实行显著提高学生的学习兴趣、知识掌握程度和实践能力. 本教学改革研究不仅是对本科师范院校生命科学中工程类专业课程教学模式的积极探索，还将为“课前-课堂-课后”三位一体新模式在其他理工科专业教学改革中的推广提供重要参考.