新工科建设背景下“生物工程设备”教学改革与实践

郭绪虎 王润梅 刘小翠 武娟

[摘 要] “生物工程设备”课程对生物工程本科学生专业素养的培养至关重要。在新工科建设背景下，“生物工程设备”本科课程教育教学改革的重点需从教学方式和考核方式两个方向突破。以“生物工程设备”课程为例，总结分析教学现状及存在问题，提出自学测评、教师讲授、案例分析、主题报告、研究型任务相结合的教学模式及对应的综合性考核方式。目的是在教学内容选取、教学模式设计、考核方式优化等方面为高等院校本科基础课程改革提供参考。

[关键词] 生物工程设备;案例教学;研究型任务;考核方式

[基金项目] 2019年度山西大同大学教学改革创新项目“基于翻转课堂的生物工程设备案例教学法（CBL）研究”（XJG2019203）

[作者简介] 郭绪虎（1986—），男，山东单县人，博士，山西大同大学生命科学学院副教授，主要从事植物生长发育分子调控研究;王润梅（1963—），女，山西大同人，硕士，山西大同大学生命科学学院教授，主要从事生物化学、课程与教学论研究;刘小翠（1982—），女，湖北荆门人，硕士，山西大同大学生命科学学院副教授，主要从事食品微生物及加工研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）22-0089-04 [收稿日期] 2022-03-03

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“復旦共识”“天大行动”和“北京指南”，积极探索工程教育的中国模式、中国经验，建设高等教育强国[1]。按照新工科人才培养模式并结合行业发展要求，为培养符合企业实际需求的高质量生物工程人才，高校必须改变传统的教学理念和方法，进行课程教学改革。“生物工程设备”是生物工程专业本科重要的专业教育必修课程，是生物工程技术和化学工程与设备交叉的结合体，是现代工业生物技术成果转化为生产力的关键环节[2]。本课程是在微生物学、生物化学、发酵工程与工艺学、生化工程、化工原理等先行学科基础之上开设的专业性较强的课程，重点在于让学生掌握生物发酵工业中常见各类设备的特点、结构、工作原理、设备流程、主要设备的设计计算和选型等，具有很强的实践性[3]。通过本课程的学习，使学生了解国内外生物工程设备的新技术、新设备及新发展动向，初步具备独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设备问题的能力。逐步培养学生对生物工程产品的认知能力、自学能力和工艺开发能力，为今后学习相关专业方向课程和进一步获得相关的专业知识奠定必要的基础，为培养我国社会主义现代化建设所需要的高质量生物工程人才服务。

一、教学现状

在长期教学中，我系“生物工程设备”课程组发现如下问题：（1）对知识的掌握仅处在理论阶段，不能将所学知识与生产应用相结合，缺乏工程意识和创新意识，较少涉及新工艺、新设备和新技术的学习。（2）生物工程设备涉及生物生产过程的上游、中游和下游设备，以及相关的其他设备，类型种类繁多，理论讲解比较空洞、枯燥，学生难以掌握，学习兴趣不高，教材内容陈旧，缺少典型案例，有待更新。（3）考核方式单一，只有终结性考核（即期末闭卷考试），缺少过程性考核环节。因此，传统教学、考核方式很难全面考查学生对生物工程设备基础知识和发展前沿的掌握，难以达成既定课程目标和生物工程专业本科毕业要求。针对这些问题，通过教学模式和考核方法的改革，促进学生向应用性和实用性人才发展。在“生物工程设备”教学中，我们将线上与线下教学结合起来建立优化的教学模式。课前，学生通过自学教师精心准备的学习资料，完成教师安排的研究型任务;在课堂上，结合典型案例，在教师的引导下，围绕与生产实践相关的问题集中讨论，实现对专业知识的掌握及操作能力的锻炼。

二、课程改革方案

（一）优化知识结构、重组课堂教学内容

人才培养方案和课程大纲确定了“生物工程设备”课程的教学内容。这种方式的优点是内容系统完整，但也存在内容结构化、课容量有限、经典案例较少等缺点，学生无法把自己所学的理论知识和生产实践联系起来。这些问题限制了学生独立思考的空间和学习本课程的兴趣，束缚了学生学习的主动性和创造性，阻碍了学生创新能力的培养。为了较早培养学生学习生物工程设备的兴趣，我们通过将课堂基本知识与经典案例相结合的方式进行讲授。比如，以某种生物工程产品（如酒精）从原料到成品整个生产过程中应用到的设备作为一个案例或专题进行讲解，包括生物质原料预处理设备、生物反应设备、产物分离设备及公用工程设备。这种按照产品生产工艺讲授的方式，更能使学生深刻了解所学知识与生产实践的联系，使他们觉得学有所用，激发学生学习的兴趣和从事生物工程专业工作的热情。因此，我们要改变以往的常规教学方式，根据本科生专业的“生物工程设备”教学内容和教学大纲进行大胆改革，调整、优化课程教学内容。

（二）丰富教学策略，培养学生的学习兴趣

在课程教学中存在教学单一死板的问题。由于设备大都从平面图讲解，缺乏直观性和立体效果，无形加深了学生的理解难度。因此，在教学上必须对常规的教学手段进行改革。要从直观上入手，生动的语言加上动画，增加学生的学习兴趣，提高认知效率。课堂教学时，采用由动画制作软件制作的动画可以将难以理解的抽象内容具体化、形象化，有利于学生对学习内容的理解。同时，采用与“生物工程设备”课程多媒体课件相配套的习题测试软件，可以将多媒体课堂教学推向网络课堂教学，使教学实现趣味性、多样性。“生物工程设备”课程通过多媒体课堂教学的实践，可有效地提高教学的质量和水平，为培养综合性现代化生物工程专业人才做出应有的贡献。

（三）更新教学方式，挖掘学生的自主学习能力

基于互联网信息技术支撑的混合式教学是将线上教学和传统课堂教学相结合的一种教学方式，这种学习方式更加灵活和高效，已成为高校教育信息化改革的重要内容。在“生物工程设备”课程的教学中，我们采用线上与线下教学相结合的方法，线上教学首先是构建网络学习平台，课前教师通过学习通平台向学生提供教学视频、文档、在线试题库、多媒体课件及参考书等学习资源，引导学生进行自主学习，或者学生在课外通过网络学习，在线完成课程基本知识的学习后进行作业测验，并提出问题。线下教学是在线上教学的基础上，教师结合案例对教学重点、难点以“导入案例→呈现案例→讨论案例→总结案例”的模式开展面授讲解，使学生在运用知识的过程中，更好地理解生物工程设备的理论与实践意义，增强学生对学习“生物工程设备”课程的信心。

（四）多元化考核方式，提升学生分析和设备设计的能力

课程考核是保证教学质量和实现教学目标的重要手段[4]，要切实加强学习过程考核，加大过程考核成绩在课程总成绩中的比重[5]。课程组结合线上与线下两方面对学生学习过程和结果进行综合评价，从而发挥了过程性评价和终结性评价的优势。根据相关的教学内容，我们采用多元化考核方式。除了傳统的终结性考核（如期末考试）外，还包括过程性考核（如自学测评、主题报告、小论文等）。这一教学环节，注重学生的自主参与和自主学习，能开阔学生的视野，有助于培养学生查阅文献、独立思考和解决实际问题的能力，真正激活了学生学习的热情，激发了学生的创新思维。

为适应新的教学模式改革，提高新的教学模式的实施推广，经“生物工程设备”教学组讨论，制定下列“生物工程设备”课程教学成绩评价方案（表1）。考核环节包括过程性考核和终结性考核，各占总成绩的50%。过程性考核由自学测评（20%）、研究型任务（30%）两部分构成。自学测评包括出勤、在线学习、作业、讨论等，成绩由学习通平台导出;研究型任务成绩由主题报告（50%）、小论文（50%）两部分构成。小组成绩由小组互评和教师评分共同决定。学生个人成绩以小组成绩为基准，按照如下权重分配：参与汇报的学生成绩=小组成绩×1.05，参与论文撰写和PPT制作的学生成绩=小组成绩×1，参与资料收集和归纳的学生成绩=小组成绩×0.95，如参与多项工作，取最高分。期末闭卷考试即为终结性考核，由学院统一安排在考试周闭卷考试。

三、教学改革实施

教学改革实施分为三个环节：即课前导学环节、课堂教学环节、课后提升环节。为了激发学生自主学习的潜力，在课前导学环节，我们借助学习通平台进行课前任务点的布置、教学资源的推送、相关问题的讨论等互动教学活动。学生按要求完成在线学习任务后，教师根据线上学习、讨论等情况，有针对性地设计课堂教学。课堂教学实施环节包括自学测评、主题报告、教师讲授（案例分析）及布置任务四个方面，各部分时间安排见图1。自学测评以学生为主体，在完成线上签到、在线视频学习、查阅相关资料和作业的基础上，进行课堂测验、提问等。目的在于让学生掌握生物工程主要设备的特点、结构、原理等基本知识。线下研究型任务以学生为主体，包括小论文（课下）和主题报告（课上）两部分，均为分组完成。小论文以“某生物工程产品的生产过程及设备”为题，内容提纲包括五部分：（1）产品简介。用途、分类、产品市场情况、生产水平、国内外发展情况（包括但不仅限于）。（2）生产工艺流程。绘制工艺流程图，比较传统工艺与现代工艺，并对主要工艺做解释说明。（3）生产设备。设备特点、结构（附图）、适用范围、工作原理及相关技术参数（包括生物工程产品生产过程上游、中游、下游）。（4）清洁生产（其他）。废水、废气、废渣，清洁生产过程。（5）展望。针对小论文相关内容作20分钟左右主题报告。目的在于拓展知识外延，使学生熟悉和了解国内外生物工程设备的新技术、新设备和新发展动向，培养学生正确解决和分析实践问题的能力。接下来，以教师为主体，结合案例讲解重点、难点内容，比如青霉素的发现、生产工艺提升、生产设备的改进、应用等。最后为布置任务，包括研究型任务和下次报告主题。在课后提升环节，要求学生完成在线作业、测试等，并开展学生互评和教师评价，教师根据课堂和线上反馈情况，引导学生将所学专业与职业规划结合起来，形成教学反思，不断提升课程教学质量。

四、教学改革成效

课程改革在我院生物工程专业六个班实施，设置对照班和实验班，对照班采用传统授课和考核方式，实验班采用课程改革后的授课和考核方式。在实施过程中，课程组进行集体备课、集中命题和阅卷。经学生成绩分析对比，发现对照班实际均分和及格率分别为63.61和75.61%，成绩集中分布在60～69、70～79分数段。实验班实际均分和及格率分别为78.81和95.24%，成绩集中分布在70～79、80～89分数段。由此可以看出，课程改革之后的学生成绩明显提高，这说明课程改革对于提高学生学习成效非常显著。在教学改革中，我们增加了过程性考核环节，提高了过程性考核的比例（50%），极大地调动了学生学习的积极性和主动性，让学生感知学习和探究知识的过程，学会发现问题、思考问题、解决问题的方法，形成创新精神和实践能力等，从而实现了过程与方法的教学目标。从学生成绩考核表上可以看出，实验班学生在基本知识掌握和应用能力上较对照班有很大进步。

在新工科建设背景下，如何运用新工科理念进一步提高本科教育教学质量是我国高等教育需要探索的重要课题。“生物工程设备”是生物工程本科专业的专业教育平台必修课，但其目前的教学内容仍以书本为主，理论实践结合不紧密，教考分离，考核方式相对单一。针对这些突出问题，本次课程改革首先丰富了教学模式，在教学内容的深度上增加课程前沿研究成果的讲解，课堂教学设计包括自学测评、教师讲授、案例分析、主题报告和研究型任务五种形式。其次，将教学与考核密切结合，提高过程教学的权重，降低终结性考核的权重，全面考查学生的综合能力。我们在课程教学过程中引入过程性考核方式进行教学改革实践，取得了一定的成效。同时，锻炼了学生自主学习、独立思考、语言表达、内容组织和写作等多方面能力。本次教学改革是对教育部提出的“提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度”本科人才培养要求进行的一次积极实践。

参考文献

[1]古天龙，魏银霞.以新工科理念推动地方高校建设一流本科教育[J].中国大学教学，2018（2）：32-35.

[2]梁世中.生物工程设备[M].北京：中国轻工业出版社，2011：前言.

[3]陈必链，郑毅，陈建平，等.提高《生物工程设备》课程教学质量的探索与实践[J].微生物学通报，2007，34（4）：822-825.

[4]刘继红.对高校考试改革的几点思考[J].中国高教研究，2000（5）：27-28.

[5]教育部關于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知：教育函〔2018〕8号[A/OL].（2018-08-27）[2021-10-20].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html.

Teaching Reform and Practice of “Bioengineering Equipment” under the Background of Emerging Engineering Education Construction

GUO Xu-hu， WANG Run-mei， LIU Xiao-cui， WU Juan

（School of Life Sciences， Shanxi Datong University， Datong， Shanxi 037009， China）

Abstract： The course of Bioengineering Equipment is very important to the cultivation of professional quality of bioengineering undergraduates. Under the background of Emerging Engineering Education construction， the focus of education and teaching reform of the undergraduate course of Bioengineering Equipment needs to be reformed from the two directions of teaching methods and assessment methods. Taking Bioengineering Equipment as an example， this paper summarizes and analyzes the current situation and existing problems of teaching， and proposes a teaching mode that combines self-study assessment， teacher lectures， case analysis， theme reports， and research tasks， as well as a corresponding comprehensive assessment method. The purpose is to provide reference for the reform of undergraduate basic courses in colleges and universities in terms of teaching content selection， teaching mode design， and assessment method optimization.

Key words： Bioengineering Equipment; case teaching; research task; assessment method