基于实践创新能力培养的生物工程综合实验教学改革研究

张晓娟，张辰露，陈琛，张涛，王令，陈锐

基于实践创新能力培养的生物工程综合实验教学改革研究

张晓娟，张辰露，陈琛，张涛，王令，陈锐

（陕西理工大学 生物学院，陕西 汉中 723001）

以培养具有工程应用能力和创新设计能力的生物工程专业人才为目标．针对陕西理工大学生物工程综合实验问题，从教学内容、教学模式、考核体系等方面进行改革和实践．通过产教研结合，设立自选课题，采取翻转课堂，开放性实验教学方式等措施，提高学生的创新及实践能力，全面培养学生综合素质及能力．实验教学改革取得了良好的效果，可为其他院校相关专业的改革提供参考和借鉴．

生物工程综合实验；实践创新；翻转课堂；开放性实验教学

生物产业作为国家战略性新兴产业，是支撑我国经济增长的新支点．生物工程是集细胞工程、基因工程、发酵工程、生物分离工程等多门技术于一体的实践应用性非常强的生物类综合性学科，是将生命科学领域研究成果转化为实际生产力的重要环节．目前，生物工程产业发展迅速，迫切需要大批掌握扎实专业理论及技能，具备创新及实践能力的复合应用型人才．然而生物工程专业学生就业率普遍较低，造成专业人才急缺和学生就业难的情况同时存在，说明现有的人才培养方案已不能适应生物工程产业的快速发展及行业竞争的不断加剧．因此，改革现有的人才培养方案，将创新实践型人才培养作为人才培养核心目标刻不容缓．生物工程综合实验是生物工程专业的一门重要的综合性实验课程，是生物工程专业学生实践操作能力及综合素质培养的重要实践环节[1]．

陕西理工大学生物工程专业于2000年开设，该专业依托于地方产业发展和区域经济特色，以秦巴地区天然药物开发和功能基因及其表达产物研究开发为主．生物工程综合实验是培养学生综合运用专业知识解决实际生产问题的重要环节．针对我校综合实验教学中存在的问题，结合办学特色，围绕专业人才培养目标，对综合实验进行了一系列改革与实践，通过调整教学内容，优化教学方式，形成了具有区域特色的、包含系统的生物工程上游、中游、下游技术的开放性生物技术综合实验．

1　存在的问题

陕西理工大学生物工程专业相对于国内其他兄弟院校，背景及基础较为薄弱．生物工程综合实验在教学内容、教学模式及考核方式等方面存在不足．实验内容独立、分散，缺少有机联系，不利于学生形成系统、完整的知识体系．实验项目简单、陈旧，创新性、设计性不足，不能反映生物工程产业发展的最新动态及研究热点，不利于学生创新思维及开拓精神的培养．此外，实验与实际生产结合不够紧密，缺乏工程理念，不利于学生工程意识和思维的培养．

教学采取以教师为主导的“灌输式”教学方式，即先由教师集中讲解、演示，再由学生自己操作．教学中，一些学生无法全方位观察教师的示范操作，导致错误操作频发，影响了学生参与实验的积极性，常出现“一人做，多人看”的围观现象．另外，课堂主要由教师讲解示范，学生的实际操作时间及师生互动交流时间有限，学生遇到问题没有时间思考及更正，最后不了了之，导致一些学生，特别是学习成绩较差、动手能力较弱的学生跟不上进度，不能完全理解、掌握实验技能．同时，不利于学生创新性思维和实践动手能力的培养[2]．实验考核体系主要以实验报告为主，过程操作被忽视，不能真实反映学生的知识掌握及应用能力．

2　改革生物工程综合实验，提高学生工程实践及创新能力

陕西理工大学以培养学生工程实践能力和创新能力为理念，结合行业发展趋势及学校生物工程专业优势、特色，以就业为导向，以产教研融合发展为主线，对生物工程综合实验内容进行改革及实践，建立了集综合性、实践性、创新性、开放性于一体的综合实验课程体系[3]，旨在提高学生综合分析及处理实际问题的能力，为学生今后从事相关专业生产及研究工作奠定基础[4]．

2.1　改革综合实验内容

2.1.1建立高度综合系统的实验教学内容生物工程综合实验内容应符合学科交叉发展趋势，打破课程之间的界限，将独立、分散的实验内容整合成围绕产品生产，包含上游基因工程，中游发酵工程及下游分离纯化工程技术的综合实验体系，使学生熟悉产品生产的整个流程，能够综合应用所学专业知识分析解决实际问题[5]．

2.1.2实验内容与生产实际密切结合生物工程产业对人才工程素质和实践应用能力具有很高的要求．因此，生物工程综合实验改革应紧跟产业及技术发展，密切结合企业生产实际，培养学生的工程意识、实践动手能力及分析解决实际问题的能力，促使学生毕业后能快速服务于生产一线，提高学生就业率．如结合学校所在的秦巴地区企业生产实际，开设了薯蓣皂甙元的提取纯化与检测实验项目，旨在使学生熟悉包括原材料处理、发酵、提取纯化及产品纯度检测的整个天然产物生产工艺，为学生今后从事生物工程行业实际生产积累经验．

2.1.3科研融入教学，设立团队开展的自行设计实验我国生物工程产业发展突飞猛进，不断有新技术的突破并转化为实际生产力，因此要求专业人才具备良好的研究创新能力以及自主学习能力，能够不断地进行自我提升．实验教学是培养学生创新意识的重要途径[6-7]．因此，生物工程综合实验改革应采取教研结合方式，及时将最新的技术融入教学，不断更新及优化实验项目．

（1）将实验内容与教师的科研项目结合，增加实验的研究创新性．让学生更多地接触前沿性的实验技术与手段，培养学生的科研思维和意识，提高学生的创新能力．如依托专业教师的最新科研成果，设立了蒲公英多糖的提取及初步纯化中试实验项目．借助学院薯蓣皂素研究团队课题，设置了薯蓣皂甙元的提取、分离、纯化及检测项目．在基因克隆表达及蛋白纯化项目中，增加了生物信息学分析环节，让学生学习常用的科研分析方法，适应大数据时代多学科融合发展的科研趋势．主要内容包括：利用Primer5 软件进行引物设计，利用NCBI进行基因序列比对，利用DNAstar软件预测分析序列的开放阅读框，翻译基因序列，利用ExPASy软件预测分析编码蛋白质的理化性质，利用MEGA5构建系统进化树等．

（2）开设自行设计的创新设计性实验，给学生提供更大的思维空间，充分发挥每名学生的潜力．实行项目研究式教学，设立了以团队形式开展的自行设计和创新设计性实验，由团队教师负责结合实际生产及研究中的热点设计若干专题，学生自行组队，查阅文献，自主规划设计实验方案、实施操作过程．通过交流合作及时解决实验中的问题．团队开展的自行设计实验为学生提供更多的选择，满足不同个体的需求和发展，有助于提高学生研究创新、组织实施及团队合作能力[8]．

研究专题设置除了应注重研究探索性，还需具备可行性，在现有的实验条件、时间下，学生通过研究探索可以得到结果，从而起到调动学生积极性的作用．如设置了茶多酚提取、纯化及含量测定项目．要求学生采用不同的提取方法（如水浴提取、超声提取、微波提取等）及不同的纯化方法分离纯化茶多酚，通过比较得到最优的工艺条件．由学生自己查阅资料制定实验方案、流程、设定参数，从而使学生认识到产品生产中工艺优化及参数控制的重要性．

生物工程综合实验根据学校生物工程专业的主要特点，以产品生产为主线，融合基因工程、生化工程、发酵工程、蛋白质工程等专业理论和操作技能，主要包括以生产蛋白质类大分子为主的生物工程综合实验I及以药物小分子生产为主的生物工程综合实验II．综合实验I将上游基因工程，中游发酵及下游分离纯化技术结合，主要包括目的基因克隆、重组质粒转化及阳性克隆鉴定、重组菌的扩大培养、目的蛋白的诱导表达、发酵液的初步处理、目的蛋白的精细分离纯化及检测等内容．采取GFP为纯化目标，可以通过紫外直接观察，使学生在有限的时间内完成整个蛋白纯化流程．综合实验II主要是让学生对生物类产品生产过程有全面系统的认识．主要实验内容见表1．

表1　生物工程综合实验主要实验项目、方法、内容

2.2　改革综合实验教学运行方式

2.2.1利用翻转课堂教学方式网络媒体的飞速发展，为实验教学带来新的机遇，利用最新网络信息技术优化实验教学方式成为实验教学改革新趋势．翻转课堂是一种以学生为中心和主体的、自主式的学习方式．翻转课堂教学由教师在课前先将要求学生掌握的理论知识及技能录成教学视频，发布给学生．学生通过自主观看教学视频、讨论交流等方式掌握理论及操作技能．对于综合大实验中的基因工程实验部分，采取的翻转课堂具体运行方式为：（1）由教师通过线上教学的方式提供基因克隆、载体构建、蛋白表达纯化相关技术的原理及操作方法等视频，提出实验目的和要求．（2）学生通过查阅资料，设计具体的实验方案和操作流程．（3）教师与学生一起讨论，对方案进行审查、修改，完成后进入实验操作阶段．翻转课堂教学模式通过多媒体生动形象地将教学资源传递给学生，从而促进了学生对知识的充分理解，促使学生在课前产生自己的想法，带着问题进行实验研究，最终掌握正确的理论和技能．这种问题引导式的学习方式更符合学习知识的一般规律．（4）翻转课堂充分考虑到学生之间的差异，采用教学视频替代教师讲课，每个学生可根据自身学习状况，自行设定学习时间、内容、进度，自主学习．（5）通过翻转课堂，学生可以方便地与教师在线交流，提升学习效果．因此，翻转课堂激发了学生自主学习的热情，提高了学生的理解能力及分析思维能力[9]．

2.2.2实行开放性实验教学方式生物工程综合实验安排在第７学期，学生实习和实践环节较多，同时面临考研、就业等问题，实验时间较难统一，因此采取开放性实验的教学方式．从时间及场所两方面实施开放，学生自行组队，制定实验方案及具体的实施方法，根据需要选择合适的时间段进入实验室开展实验操作．开放性实验教学模式为以学生为中心的教学理念提供了切实可行的操作形式．该教学模式强调学生的独立自主性，由学生自己安排时间，自主完成实验准备、试剂配制、实验操作以及分析总结整个实验过程，为学生的自主发展提供了良好的氛围，同时提高了仪器设备利用率．生物工程综合实验中，以学生为主体的开放性实验共24学时，占总实验学时的38.5%．开放实验教学中也存在一些问题，如加重了教师的工作量以及实验室管理负荷．对此，从研究生中挑选若干责任心强、操作技能好、具有一定协调管理能力的学生，通过培训，让其参与实验教学，协助教师指导本科生以及管理实验室，并将此列入研究生培养环节，记以相应学分．该措施自实施以来，有效缓解了开放性实验教学带来的教师授课及实验室安全管理压力．同时，提高了研究生的管理及交流能力．

2.3　加强校企合作，建立高素质“双师型”师资队伍

校企结合，将实验课程内容与生产实践紧密结合，是培养学生将专业知识转化为实践应用能力，提高学生综合素质的有效途径．与一般实验课程相比，生物工程专业综合实验涉及更多的生产实践知识，要求教师具备较高的综合业务能力及工程实践能力．同时，网络媒体时代下的实验教学既需要经验丰富的老教师，又需要掌握新技术的青年教师，因此应将引进与培养结合，通过老教师“传、帮、带”，建立一支具有工程背景、专业技术扎实、结构合理的高素质教师队伍，将最新的行业技术理念及时应用于实验教学．学校生物工程专业教师共24名，其中教授7人，副教授11人，博士21人，45岁以下教师20人（均具有博士学位）．

2.4　考核体系

以往的实验考核体系忽视了对学生实验过程的跟踪考核，导致有些学生在实验中思想懈怠，不动手、不操作，实验报告照抄照搬．因此，应制定新的评分标准，对学生文献查阅、实验前准备工作、操作动手能力、分析解决问题能力、合作交流能力等进行全面考核和评价．将实验成绩分为平时成绩和考查成绩，平时成绩突出对学生实验操作过程的评价，包括出勤率、操作规范性、课堂交流及回答问题情况．考查成绩由实验考试成绩、实验报告成绩、汇报成绩组成．实验考试一般随堂进行，主要考核学生对基本知识原理、基本实验操作、仪器使用方法的掌握情况．实验报告要求包含文献综述、实验技术路线图、实验原始记录、数据分析和处理、结果分析及讨论、对实验成败原因及实验过程中一些现象的分析．实验汇报以小组为单位对实验过程及结果进行PPT汇报，交流实验心得体会及收获．要求学生提出实验工艺优化方案或其它实验问题的解决方案．汇报成绩采取多方评价，包括教师评价、小组自评和学生互评，旨在让学生加深对实验的理解和认识，提高汇报交流能力．

3　生物工程综合实验教学改革实施效果

3.1　提高了学生的学习兴趣和积极性

随着学校生物工程综合实验改革的不断进行，产教研结合、翻转课堂、开放性教学等措施的实施，学生的学习积极、主动性大为提高．调查显示，学生对实验课程改革反映良好．

3.2　提高了动手能力和解决实际问题的能力

综合实验注重过程考核及结果分析，要求每名学生独立完成资料检索、实验设计、实验准备、实施、数据采集、处理及分析、实验报告撰写的过程．培养了学生综合分析信息及多途径解决问题的能力，为今后解决生物产品制造与技术服务复杂问题奠定了良好的基础．如在转化实验中，有的学生采取CaCl2法，有的学生采取电击转化．在分离过程中，有的学生选择离心洗涤，有的选择抽滤洗涤．在溶剂回收中，有的选择旋转蒸发仪，有的选择索式提取仪．学生的观察、分析问题、实践动手能力明显提高，综合能力及素质普遍提升．

3.3　提高了学生科研素质和创新精神

综合实验实行教研融合，使学生充分认识到科学研究的主动性、探索性与创造性，提高了学生的学习兴趣及积极性，使学生个人能力得到充分发挥及施展，培养了学生不断探索、坚持不懈的科研精神．同时，综合实验内容复杂，需要多人合作，培养了学生科研合作意识[10]．

生物工程综合实验改革以来，学生科研能力和创新精神显著提高．学生主持的国家级或省级大学生创新创业项目共41项，参与发表论文29篇，其中SCI论文2篇，权威论文1篇，核心论文8篇，申报专利7项，为今后从事产品研发等研究打下良好的基础．

3.4　学生考研率和就业率显著提升

对生物工程专业的就业和考研结果数据分析发现，学生就业质量和考研效果显著提升．2019届生物工程专业学生就业率为98.53%，考研报考率为80.58%，考研录取率为33.81%．

4　结语

我国生物工程产业正处于不断变化、迅速发展的阶段，对专业人才的实践操作技能及创新能力要求不断提高．因此，改革现有的实验教学体系是培养生物工程专业人才的重要途径．陕西理工大学生物工程专业综合实验教学经过几年的探索和实践，取得了较好的效果．学生分析思维能力、研究创新能力不断增强，实践操作及综合应用能力显著提高，为就业、考研奠定了良好基础．今后，生物工程综合实验还需进一步优化改革．借助电子信息领域的新技术，建立生物工程与技术模拟仿真实验室，帮助学生更快地熟悉并掌握最新的专业技术是综合实验教学改革的重要方向．此外，作为生物工程专业的主干课程，生物工程综合实验应进一步加强实践性，除了从教学内容和方式上进行改革，还应更好地与生产实际接轨．如建立综合性创新实验工场资源，模拟企业运行机制[11]，进一步提高学生的工程实践能力．

[1] 游玲，朱文优，侯茂，等．以产业需求为导向的递进式实验教学体系构建[J]．中国轻工教育，2018（6）：88-92，97

[2] 张丽，李寒，薛锋，等．复合型教学模式在生物工程综合实验中的探索与实践[J]．广东化工，2018（10）：264-265，272

[3] 黄金林，潘志明，李求春，等．优化整合生物工程专业课程实验，建立综合大实验课程体系[J]．教育教学论坛，2014（26）：183-185

[4] 葛飞，陶玉贵，朱龙宝，等．工科类院校生物工程专业综合实验教学改革与实践初探[J]．安徽农学通报，2016（10）：169-170

[5] 刘紫英，冷桂华，吕美云，等．生物工程综合实验的“珠链式”教学模式改革与创新[J]．微生物学通报，2015，42（10）：2026-2032

[6] 廖国建，何颖，谢建平．以达托霉素产生菌菌株改造为主线的微生物工程综合实验的探索和实践[J]．微生物学通报，2018，45（3）：713−716

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[9] 林艳，孟蕾，林丽美，等．基于翻转课堂的生物工程综合实验教学研究[J]．科学大众：科学教育，2017（9）：147-168

[10] 陈鹏，武永军，张大鹏，等．生物技术综合大实验开设的实践与探索[J]．安徽农业科学，2011，39（36）：22874－22876

[11] 陈平，仝飞飞，张希，等．高校转型期生物工程专业综合实验课程教学模式的改革初探[J]．广东化工，2017（20）：224-226

Study on reform of comprehensive bioengineering experiment teaching based on the cultivation of practical innovation ability

ZHANG Xiaojuan，ZHANG Chenlu，CHEN Chen，ZHANG Tao，WANG Ling，CHEN Rui

（School of Biological Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）

With the goal of cultivating bioengineering professionals with engineering application ability and innovative design ability，aiming at the problems of Shaanxi University of Technology′s comprehensive bioengineering experiments，reformed and practiced in terms of teaching content，teaching mode，and assessment system．Through the combination of production practice，teaching and research，set up optional topics，adopt measures such as flipping classrooms，open experimental teaching methods to improve students′ innovation and practical ability and comprehensively cultivate students′ comprehensive quality and ability．The experimental teaching reform has achieved good results and provided a reference for the reform of related majors in other colleges．

comprehensive bioengineering experiment；practical innovation；flip classroom；open experimental teaching

Q819∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.09.024

1007-9831（2020）09-0091-05

2019-05-18

陕西理工大学一流专业建设项目子项目——《生物工程综合实验Ⅰ和Ⅱ》教学研究与实践

张晓娟（1980-），女，陕西宝鸡人，副教授，博士，从事生物化学与分子生物学研究．E-mail：zxj12162001@163.com