基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的生物工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

1、基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的生物工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索摘要生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)是生物工程專業(yè)學(xué)生的必修課程，是對微生物學(xué)、發(fā)酵工程和生物分離工程 等專業(yè)核心課程的理論知識進(jìn)行綜合運(yùn)用的典型實(shí)踐課程課程教學(xué)過程中貫徹“以學(xué)生為中心，產(chǎn)出 為導(dǎo)向“的理念，注重學(xué)生創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，有助于提高學(xué)生解 決復(fù)雜工程問題的能力關(guān)鍵詞綜合實(shí)驗(yàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證工程素養(yǎng)創(chuàng)新能力；新工科Exploration on the Teaching Model of BioengineeringComprehensive Experiment Based on the Concept of

2、Engineering Professional CertificationAbstract: Bioengineering comprehensive exper iment is a required course for students major in bioengineering, and a typical practcal course for the comprehensive application of theoretcal knowledge in the core courses of microbiology, fermentation engineering an

3、d biological separaton engineering, etc. The concept of student-centered, output-oriented is implemented in the teachng process of bioengineering comprehensRe exper iment, focus ing on the cultivation of students7 innovation ability and engineering lteracy. On this basis, contnuous improvement of th

4、e bioengineering comprehensve exper iment teaching is made to improve students ability to solve complex engineering problems.Key words: Comprehensive exper iment； Engineering professional certification； Engineering lteracy& Creatve ability； Emergng engineering（CH 994-2021 China Academic Journal Elec

5、tronic Publishing House. All rij. .3. u. （CH 994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rij. .3. u. 之 構(gòu)建到中游發(fā)酵培養(yǎng)，再到下游產(chǎn)品分離純化的參照工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和理念，我綜合大實(shí)驗(yàn)的實(shí)施2016年11月，我校生物工程專業(yè)通過了國 內(nèi)首批工程教育專業(yè)認(rèn)證，2019年6月通過第二 次認(rèn)證。工程教育專業(yè)認(rèn)證重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程實(shí) 踐能力的培養(yǎng)，即要求學(xué)生能夠把所學(xué)的理論知 識應(yīng)用在實(shí)踐中，解決實(shí)際問題圍繞工程教 育專業(yè)認(rèn)證的理念，國內(nèi)外學(xué)者已作了不少

6、研究 和探索#2%$,主要關(guān)注點(diǎn)在于如何強(qiáng)化學(xué)生分析與 解決問題的能力、創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要環(huán) 節(jié)，現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)體系包含實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì) 和畢業(yè)論文等環(huán)節(jié)。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的 繼續(xù)和擴(kuò)展，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重 要手段。我校生物工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括基礎(chǔ)實(shí) 驗(yàn)教學(xué)和綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是結(jié)合特定理論 課程開設(shè)的，以經(jīng)典的單元操作為主要內(nèi)容，旨在培 養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能;綜合實(shí)驗(yàn)是一個(gè)承上啟下 的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論 知識解決實(shí)際問題的能力。本文圍繞生物工程綜合 大實(shí)驗(yàn)，基于以學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向的工程教

7、育專業(yè)認(rèn)證理念，從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、學(xué)生創(chuàng)新能力 和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)等方面進(jìn)行探討。一、生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)體系及其特色生物工程專業(yè)的綜合大實(shí)驗(yàn)是本專業(yè)學(xué)生的 必修實(shí)驗(yàn)課程，包括微生物學(xué)、發(fā)酵工程和生物分 離工程三大實(shí)驗(yàn)?zāi)K，至今已開設(shè)16年。該課程 是在整合和優(yōu)化各學(xué)科知識內(nèi)容的基礎(chǔ)上形成的， 能夠體現(xiàn)對基因工程、代謝調(diào)控、微生物學(xué)、發(fā)酵工 程和生物分離工程等專業(yè)核心課程知識的綜合運(yùn) 用，安排在對應(yīng)理論課程和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后。該實(shí)驗(yàn) 課程要求學(xué)生在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)， 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并對較 為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后撰寫實(shí)驗(yàn)論文， 獲得綜合實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，了解最新的

8、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方 法。結(jié)合生物工程的發(fā)展，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也在不 斷更新中。該課程具有以下幾個(gè)特色。（）引入生物制造全過程，建立學(xué)科整體 思維生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容涵蓋從上游菌種 整個(gè)生物制造過程。我們在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，注 重專業(yè)理論知識與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的有機(jī)融合以及各學(xué) 科知識的相互銜接和融合，力圖建立起學(xué)科整體 概念，使學(xué)生親歷從原材料變成成品的整個(gè)過程, 從而得到全方位的訓(xùn)練和提高，尤其是建立起對 生物制造全過程的整體性思維。（二）依托國家級科研基地，促進(jìn)科研反哺 教學(xué)我校生物工程學(xué)院設(shè)有生物反應(yīng)器工程國家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家生化工程技術(shù)研究中心（上 海），具有雄厚的科研實(shí)力，其中大部分科研團(tuán)隊(duì) 專

9、門開設(shè)了生物工程綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?！敖滩谎袆t 枯，研不教則殆”，如果沒有科研做支撐，大學(xué)的教 學(xué)就會失去“靈魂”。我們開設(shè)的大部分實(shí)驗(yàn)由本 學(xué)院的科研成果轉(zhuǎn)化而來，屬于生物工程領(lǐng)域的 前沿內(nèi)容，是科研反哺教學(xué)的典型案例。生物工 程專業(yè)每屆有100多名學(xué)生參與綜合大實(shí)驗(yàn)，每 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K允許1015位學(xué)生參加。綜合實(shí)驗(yàn)涉及的大型實(shí)驗(yàn)儀器較多且分散，分 組教學(xué)有助于學(xué)生進(jìn)入不同的科研團(tuán)隊(duì)，接觸并操 作實(shí)驗(yàn)室里先進(jìn)的大型實(shí)驗(yàn)儀器。同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì) 開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以調(diào)動(dòng)科研人員參與本科教 學(xué)的積極性。經(jīng)過十幾年的建設(shè)，本課程已經(jīng)形成 了一支教學(xué)和科研實(shí)力比較雄厚的師資團(tuán)隊(duì)，其中 大部分教師是來自科研團(tuán)隊(duì)的

10、骨干教師。（三）實(shí)驗(yàn)過程充分體現(xiàn)不同學(xué)科知識點(diǎn)的交 叉融合生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容涉及生物化學(xué)、 微生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)酵工程、分離 工程等專業(yè)知識，同時(shí)也涉及信息技術(shù)、機(jī)械設(shè) 備、流體力學(xué)、物理化學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科的知識。 將專業(yè)知識與其他學(xué)科知識相結(jié)合，不僅能夠使 學(xué)生熟練掌握本專業(yè)領(lǐng)域的知識技能，而且能夠 使學(xué)生將各學(xué)科知識融會貫通，更好地理解學(xué)科 之間的交叉融合，同時(shí)有利于培養(yǎng)跨學(xué)科交叉融 合的新工科人才。二、基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的生物工程們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中堅(jiān)持以學(xué)生為中心，不斷強(qiáng)化學(xué)生工程思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，建立了以產(chǎn)出為能動(dòng)性，著力培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力工程教育專

11、業(yè)認(rèn)證理念在生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)向的過程考評方法，將工程教育專業(yè)認(rèn)證的理 的體現(xiàn)如圖1所示 念滲透到每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀圖1工程教育專業(yè)認(rèn)證理念在生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)（）貫徹“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的認(rèn)證理念在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，教師引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，教師與學(xué)生相 互探討，引導(dǎo)學(xué)生自主分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，排查實(shí)驗(yàn)出 現(xiàn)的問題并正確地解決問題這種模式有助于培 養(yǎng)學(xué)生自主分析和解決問題的能力（二）培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，加強(qiáng)學(xué)生的工程 素養(yǎng)工程教育專業(yè)認(rèn)證特別強(qiáng)調(diào)對學(xué)生工程實(shí)踐 能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生需具有解決復(fù)雜工程問題 的能力因此，我們在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中有意識地

12、引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注工程現(xiàn)象，建立工程思維在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段滲透工程意識在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，教師引導(dǎo)學(xué)生比較不同設(shè) 計(jì)方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等，并通過查閱 資料和課堂講解了解實(shí)驗(yàn)對象的實(shí)際生產(chǎn)情況! 以及所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備在生產(chǎn)中的放大情況，從而培 養(yǎng)學(xué)生的工程意識。如學(xué)生在進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)要 了解不同規(guī)模發(fā)酵罐的傳質(zhì)和攪拌情況，在層析 時(shí)要了解不同層析規(guī)模的設(shè)備及其設(shè)計(jì)要求。在實(shí)驗(yàn)操作中培養(yǎng)工程思維在實(shí)驗(yàn)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)并解（CY1994-2021 China Academic Journal Electroni 決問題，如在發(fā)酵時(shí)觀察攪拌對氧含量的影響，進(jìn) 而分析對細(xì)胞生長的影響；在層析時(shí)觀察柱

13、高、泵 壓與流速之間的關(guān)系，了解放大的影響因素；在超 濾時(shí)觀察濃差極化對過濾效果的影響。同時(shí)，教 師會引導(dǎo)學(xué)生利用理論課上學(xué)到的知識解決實(shí)際 工程問題（如引導(dǎo)學(xué)生分析壓降的影響并提出可 能的解決方法），以啟發(fā)學(xué)生的思路。綜合實(shí)驗(yàn)中要用到較多的現(xiàn)代工程設(shè)備和自 動(dòng)控制系統(tǒng)，要求學(xué)生掌握現(xiàn)代工程設(shè)備和先進(jìn) 信息技術(shù)的原理和使用方法。如在“生物反應(yīng)器 發(fā)酵過程檢測與控制”項(xiàng)目中，學(xué)生需要掌握發(fā)酵 罐操作及畢赤酵母高密度發(fā)酵自動(dòng)控制和檢測， 并通過控制軟件系統(tǒng)，獲得多尺度在線參數(shù)，然后 進(jìn)行相關(guān)分析；在“單細(xì)胞油脂生物合成的過程控 制與分析”項(xiàng)目中，學(xué)生要學(xué)習(xí)工程層面的參數(shù)測 定與分析，并找到最優(yōu)化的

14、控制條件。綜合實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行四周，學(xué)生小組成員從實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析到實(shí)驗(yàn)報(bào) 告的撰寫，都需要密切配合，在分工合作的過程中 鍛煉綜合項(xiàng)目管理能力。如學(xué)生在“精釀啤酒釀 造”項(xiàng)目中，要熟悉麥汁制造的全過程及其控制， 掌握麥汁制造過程的工藝控制，繪出麥汁制造過 程的工藝曲線；在堿性蛋白酶的發(fā)酵和分離純化Publishing House, All rights reserved, HYPERLINK l l的實(shí)驗(yàn)中，要合作完成從發(fā)酵過程控制、發(fā)酵液的 預(yù)處理、分離純化方案設(shè)計(jì)、各步分離純化操作與 銜接，最后到獲得純化干粉的全過程#在模擬實(shí)際生物制造過程和工程放大設(shè)計(jì) 中培養(yǎng)工程能力

15、本課程的大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來源于企業(yè)合作項(xiàng) 目或具有企業(yè)應(yīng)用背景、基于實(shí)際生物產(chǎn)品制造 過程而構(gòu)建的綜合實(shí)驗(yàn)，教師會有意識地介紹相 關(guān)產(chǎn)品在企業(yè)中的生產(chǎn)情況，引導(dǎo)學(xué)生通過完成 某一產(chǎn)品的實(shí)際制作過程，掌握工程化的思維方 法#如甜菊糖的分離純化項(xiàng)目由校企合作項(xiàng)目轉(zhuǎn) 化而來，在該實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要模擬從原材料 到產(chǎn)品結(jié)晶的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)過程，并將獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)（如收率和純度等）與工廠實(shí)際生產(chǎn)狀況進(jìn)行對 比分析，從而掌握實(shí)際制造過程中需考慮的問題, 學(xué)會用工程的觀點(diǎn)思考問題#又如在藥廠用水的 制備實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生先通過小試實(shí)驗(yàn)獲得完整 可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到合 理有效的結(jié)論；然后結(jié)合實(shí)

16、驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同工程 放大的規(guī)則，設(shè)計(jì)不同生產(chǎn)規(guī)模下的生產(chǎn)方案，并 將實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方案整理在實(shí) 驗(yàn)報(bào)告中，以強(qiáng)化工程意識，培養(yǎng)運(yùn)用工程工具設(shè) 計(jì)生產(chǎn)方案的能力#（三）創(chuàng)新能力培養(yǎng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性比重，提高學(xué)生的創(chuàng)新 意識在生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)中，教師給定課題方 向，要求學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并 完成實(shí)驗(yàn)#如學(xué)生在“脂肪酶固定化及其在有機(jī) 相酶促合成中的應(yīng)用”項(xiàng)目中，通過查閱資料去挖 掘不同的脂肪酶基因，并進(jìn)行表達(dá)和表征；在“大 腸桿菌高密度發(fā)酵生產(chǎn)脫氨酶”和“重組大腸桿菌 高密度高表達(dá)綠色熒光蛋白”項(xiàng)目中，自主設(shè)計(jì)發(fā) 酵過程控制策略，并進(jìn)行驗(yàn)證比較；在“單加氧酶 的基

17、因挖掘以及真菌抗氧化應(yīng)激基因的鑒定”項(xiàng) 目中，自主查閱文獻(xiàn)和有關(guān)基因數(shù)據(jù)庫，挖掘設(shè)計(jì) 有關(guān)基因序列并進(jìn)行表達(dá)鑒定#這些項(xiàng)目都來源 于教師的科研課題，要求學(xué)生對課題的背景和具 體實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的自 主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，形成創(chuàng)造性思維。實(shí)驗(yàn)過程環(huán)環(huán)相扣，激發(fā)學(xué)生的好奇心和 責(zé)任感在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生從一個(gè)無用的菌體開始， 經(jīng)過基因工程改造，表達(dá)所需的有用產(chǎn)物，再通過 發(fā)酵獲得大量需要的菌體，最后通過分離純化從 復(fù)雜體系中獲得需要的產(chǎn)品，整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣# 隨著階段性結(jié)果的出現(xiàn)，學(xué)生的求知欲不斷提升, 好奇心不斷強(qiáng)化，創(chuàng)新意識得到激發(fā)#由于每步 實(shí)驗(yàn)的成功都是下一步實(shí)驗(yàn)的保障，

18、因此小組成 員需要齊心協(xié)力，規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)夭僮鳎皶r(shí)排查并解 決問題，確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行下去#這個(gè)過程有助 于激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感#另外，生物產(chǎn)品的獲得往往有多種方案。教師 會引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用和預(yù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)多 種可行的實(shí)驗(yàn)方案。如針對茶多酚的分離，教師要 求學(xué)生通過查閱資料自主設(shè)計(jì)提取方案（如離子沉 淀、萃取和吸附層析等），然后通過探討不同方案的 優(yōu)缺點(diǎn)以及不同組合工藝的可行性，達(dá)到不同觀點(diǎn) 的碰撞交融，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心和主動(dòng)探索的 欲望，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力#促進(jìn)科教深度融合，對接學(xué)科前沿本課程依托生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 和國家生化工程技術(shù)研究中心開設(shè)，大部分實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容由科研

19、成果轉(zhuǎn)化而來，如重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物催 化科研團(tuán)隊(duì)開設(shè)的微生物產(chǎn)酶菌株的定向篩選和 快速鑒定，代謝調(diào)控科研團(tuán)隊(duì)開設(shè)的微生物生產(chǎn) 中的代謝物分析，國家生化工程技術(shù)研究中心開 設(shè)的畢赤酵母高密度發(fā)酵表達(dá)重組蛋白，分離純 化科研團(tuán)隊(duì)開設(shè)的甜菊糖的分離純化等#這些實(shí) 驗(yàn)項(xiàng)目往往涉及最前沿的學(xué)術(shù)成果，有利于學(xué)生 了解前沿需求，掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；同時(shí)能夠激 發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)他們創(chuàng)新的能力和意識#（四）以產(chǎn)出為導(dǎo)向”，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程考核在以產(chǎn)出為導(dǎo)向的評價(jià)體系中，對學(xué)生學(xué) 習(xí)效果的合理評價(jià)是關(guān)鍵，而實(shí)驗(yàn)操作過程是反 映學(xué)生操作技能和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)#我們通 過多年的探索，將實(shí)驗(yàn)過程的考核細(xì)化為“實(shí)驗(yàn)參與度”“工程實(shí)踐能力”“實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性”和“實(shí)驗(yàn)協(xié)作iblishing House. All rights reserved, HYPERLINK k k能力（4個(gè)考核點(diǎn)，同時(shí)加大實(shí)驗(yàn)過程考核的比 重，以便教師客觀、公正地對學(xué)生的操作進(jìn)行評 價(jià)#實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示答辯環(huán)節(jié)，小組匯報(bào)和提問 的考核方式有助于教師較準(zhǔn)確地評價(jià)學(xué)生對實(shí)驗(yàn) 的理解、掌握情況及合作度和參與度#同時(shí)，由于 每組的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，通過小組交流和匯報(bào)，學(xué)生 還可以了解不同方向的前沿實(shí)