基于工程教育专业认证理念的生物工程综合实验教学模式探索

1、基于工程教育专业认证理念的生物工程综合实验教学模式探索摘要生物工程综合大实验是生物工程专业学生的必修课程，是对微生物学、发酵工程和生物分离工程 等专业核心课程的理论知识进行综合运用的典型实践课程课程教学过程中贯彻“以学生为中心，产出 为导向“的理念，注重学生创新能力和工程素养的培养，并在此基础上进行持续改进，有助于提高学生解 决复杂工程问题的能力关键词综合实验工程教育专业认证工程素养创新能力；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 构建到中游发酵培养，再到下游产品分离纯化的参照工程教育专业认证的标准和理念，我综合大实验的实施2016年11月，我校生物工程专业通过了国 内首批工程教育专业认证，2019年6月通过第二 次认证。工程教育专业认证重点强调学生工程实 践能力的培养，即要求学生能够把所学的理论知 识应用在实践中，解决实际问题围绕工程教 育专业认证的理念，国内外学者已作了不少

6、研究 和探索#2%$,主要关注点在于如何强化学生分析与 解决问题的能力、创新能力与工程实践能力。实践教学是培养学生工程实践能力的重要环 节，现有的实践教学体系包含实验、实习、毕业设计 和毕业论文等环节。其中，实验教学是理论教学的 继续和扩展，是培养学生创新精神和实践能力的重 要手段。我校生物工程专业的实验教学包括基础实 验教学和综合实验教学，基础实验是结合特定理论 课程开设的，以经典的单元操作为主要内容，旨在培 养学生的基本实验技能;综合实验是一个承上启下 的关键教学环节，旨在培养学生综合运用所学理论 知识解决实际问题的能力。本文围绕生物工程综合 大实验，基于以学生为中心，产出为导向的工程教

7、育专业认证理念，从实验方案的设计、学生创新能力 和工程素养的培养等方面进行探讨。一、生物工程综合大实验体系及其特色生物工程专业的综合大实验是本专业学生的 必修实验课程，包括微生物学、发酵工程和生物分 离工程三大实验模块，至今已开设16年。该课程 是在整合和优化各学科知识内容的基础上形成的， 能够体现对基因工程、代谢调控、微生物学、发酵工 程和生物分离工程等专业核心课程知识的综合运 用，安排在对应理论课程和基础实验之后。该实验 课程要求学生在一个月的时间内，查阅相关文献， 设计实验目标和实验方案，进行实验操作，并对较 为复杂的实验数据进行处理，最后撰写实验论文， 获得综合实验技能训练，了解最新的

8、实验技术和方 法。结合生物工程的发展，具体的实验内容也在不 断更新中。该课程具有以下几个特色。（）引入生物制造全过程，建立学科整体 思维生物工程综合大实验的内容涵盖从上游菌种 整个生物制造过程。我们在进行实验设计时，注 重专业理论知识与实验技术的有机融合以及各学 科知识的相互衔接和融合，力图建立起学科整体 概念，使学生亲历从原材料变成成品的整个过程, 从而得到全方位的训练和提高，尤其是建立起对 生物制造全过程的整体性思维。（二）依托国家级科研基地，促进科研反哺 教学我校生物工程学院设有生物反应器工程国家 重点实验室和国家生化工程技术研究中心（上 海），具有雄厚的科研实力，其中大部分科研团队 专

9、门开设了生物工程综合实验项目。“教不研则 枯，研不教则殆”，如果没有科研做支撑，大学的教 学就会失去“灵魂”。我们开设的大部分实验由本 学院的科研成果转化而来，属于生物工程领域的 前沿内容，是科研反哺教学的典型案例。生物工 程专业每届有100多名学生参与综合大实验，每 个实验模块允许1015位学生参加。综合实验涉及的大型实验仪器较多且分散，分 组教学有助于学生进入不同的科研团队，接触并操 作实验室里先进的大型实验仪器。同时，科研团队 开设综合实验项目可以调动科研人员参与本科教 学的积极性。经过十几年的建设，本课程已经形成 了一支教学和科研实力比较雄厚的师资团队，其中 大部分教师是来自科研团队的

10、骨干教师。（三）实验过程充分体现不同学科知识点的交 叉融合生物工程综合大实验的内容涉及生物化学、 微生物学、基因工程、细胞生物学、发酵工程、分离 工程等专业知识，同时也涉及信息技术、机械设 备、流体力学、物理化学、工程学等学科的知识。 将专业知识与其他学科知识相结合，不仅能够使 学生熟练掌握本专业领域的知识技能，而且能够 使学生将各学科知识融会贯通，更好地理解学科 之间的交叉融合，同时有利于培养跨学科交叉融 合的新工科人才。二、基于工程教育专业认证理念的生物工程们在实验教学中坚持以学生为中心，不断强化学生工程思维和创新能力的培养，建立了以产出为能动性，着力培养学生分析与解决问题的能力工程教育专

11、业认证理念在生物工程综合大实验中导向的过程考评方法，将工程教育专业认证的理 的体现如图1所示 念渗透到每个实验环节中，充分调动学生的主观图1工程教育专业认证理念在生物工程综合大实验中的体现（）贯彻“学生主体，教师主导”的认证理念在实验设计阶段，教师引导学生自主进行实 验方案的设计在实验操作环节，教师与学生相 互探讨，引导学生自主分析实验现象，排查实验出 现的问题并正确地解决问题这种模式有助于培 养学生自主分析和解决问题的能力（二）培养学生的工程意识，加强学生的工程 素养工程教育专业认证特别强调对学生工程实践 能力的培养，要求学生需具有解决复杂工程问题 的能力因此，我们在各个教学环节中有意识地

12、引导学生关注工程现象，建立工程思维在实验设计阶段渗透工程意识在实验设计阶段，教师引导学生比较不同设 计方案的可行性、经济性和环保性等，并通过查阅 资料和课堂讲解了解实验对象的实际生产情况! 以及所用实验设备在生产中的放大情况，从而培 养学生的工程意识。如学生在进行发酵培养时要 了解不同规模发酵罐的传质和搅拌情况，在层析 时要了解不同层析规模的设备及其设计要求。在实验操作中培养工程思维在实验过程中，教师引导学生主动发现并解（CY1994-2021 China Academic Journal Electroni 决问题，如在发酵时观察搅拌对氧含量的影响，进 而分析对细胞生长的影响；在层析时观察柱

13、高、泵 压与流速之间的关系，了解放大的影响因素；在超 滤时观察浓差极化对过滤效果的影响。同时，教 师会引导学生利用理论课上学到的知识解决实际 工程问题（如引导学生分析压降的影响并提出可 能的解决方法），以启发学生的思路。综合实验中要用到较多的现代工程设备和自 动控制系统，要求学生掌握现代工程设备和先进 信息技术的原理和使用方法。如在“生物反应器 发酵过程检测与控制”项目中，学生需要掌握发酵 罐操作及毕赤酵母高密度发酵自动控制和检测， 并通过控制软件系统，获得多尺度在线参数，然后 进行相关分析；在“单细胞油脂生物合成的过程控 制与分析”项目中，学生要学习工程层面的参数测 定与分析，并找到最优化的

14、控制条件。综合实验连续进行四周，学生小组成员从实 验设计、实验操作、实验数据的统计分析到实验报 告的撰写，都需要密切配合，在分工合作的过程中 锻炼综合项目管理能力。如学生在“精酿啤酒酿 造”项目中，要熟悉麦汁制造的全过程及其控制， 掌握麦汁制造过程的工艺控制，绘出麦汁制造过 程的工艺曲线；在碱性蛋白酶的发酵和分离纯化Publishing House, All rights reserved, HYPERLINK l l的实验中，要合作完成从发酵过程控制、发酵液的 预处理、分离纯化方案设计、各步分离纯化操作与 衔接，最后到获得纯化干粉的全过程#在模拟实际生物制造过程和工程放大设计 中培养工程能力

15、本课程的大部分实验项目来源于企业合作项 目或具有企业应用背景、基于实际生物产品制造 过程而构建的综合实验，教师会有意识地介绍相 关产品在企业中的生产情况，引导学生通过完成 某一产品的实际制作过程，掌握工程化的思维方 法#如甜菊糖的分离纯化项目由校企合作项目转 化而来，在该实验过程中，学生需要模拟从原材料 到产品结晶的复杂实验过程，并将获得的实验数 据（如收率和纯度等）与工厂实际生产状况进行对 比分析，从而掌握实际制造过程中需考虑的问题, 学会用工程的观点思考问题#又如在药厂用水的 制备实验项目中，学生先通过小试实验获得完整 可靠的实验数据，并对实验结果进行分析，得到合 理有效的结论；然后结合实

16、验数据，根据不同工程 放大的规则，设计不同生产规模下的生产方案，并 将实验和设计中遇到的问题及解决方案整理在实 验报告中，以强化工程意识，培养运用工程工具设 计生产方案的能力#（三）创新能力培养加强实验的设计性比重，提高学生的创新 意识在生物工程综合大实验中，教师给定课题方 向，要求学生自主查阅文献，自行设计实验方案并 完成实验#如学生在“脂肪酶固定化及其在有机 相酶促合成中的应用”项目中，通过查阅资料去挖 掘不同的脂肪酶基因，并进行表达和表征；在“大 肠杆菌高密度发酵生产脱氨酶”和“重组大肠杆菌 高密度高表达绿色荧光蛋白”项目中，自主设计发 酵过程控制策略，并进行验证比较；在“单加氧酶 的基

17、因挖掘以及真菌抗氧化应激基因的鉴定”项 目中，自主查阅文献和有关基因数据库，挖掘设计 有关基因序列并进行表达鉴定#这些项目都来源 于教师的科研课题，要求学生对课题的背景和具 体实验细节进行学习和设计，进而培养学生的自 主学习能力和创新能力，形成创造性思维。实验过程环环相扣，激发学生的好奇心和 责任感在实验过程中，学生从一个无用的菌体开始， 经过基因工程改造，表达所需的有用产物，再通过 发酵获得大量需要的菌体，最后通过分离纯化从 复杂体系中获得需要的产品，整个过程环环相扣# 随着阶段性结果的出现，学生的求知欲不断提升, 好奇心不断强化，创新意识得到激发#由于每步 实验的成功都是下一步实验的保障，

18、因此小组成 员需要齐心协力，规范严谨地操作，及时排查并解 决问题，确保实验顺利进行下去#这个过程有助 于激发学生的责任感#另外，生物产品的获得往往有多种方案。教师 会引导学生根据产品的实际应用和预实验，设计多 种可行的实验方案。如针对茶多酚的分离，教师要 求学生通过查阅资料自主设计提取方案（如离子沉 淀、萃取和吸附层析等），然后通过探讨不同方案的 优缺点以及不同组合工艺的可行性，达到不同观点 的碰撞交融，从而激发学生的好奇心和主动探索的 欲望，培养学生解决实际问题的能力#促进科教深度融合，对接学科前沿本课程依托生物反应器工程国家重点实验室 和国家生化工程技术研究中心开设，大部分实验 内容由科研

19、成果转化而来，如重点实验室生物催 化科研团队开设的微生物产酶菌株的定向筛选和 快速鉴定，代谢调控科研团队开设的微生物生产 中的代谢物分析，国家生化工程技术研究中心开 设的毕赤酵母高密度发酵表达重组蛋白，分离纯 化科研团队开设的甜菊糖的分离纯化等#这些实 验项目往往涉及最前沿的学术成果，有利于学生 了解前沿需求，掌握先进的实验技术；同时能够激 发学生的科研兴趣，培养他们创新的能力和意识#（四）以产出为导向”，加强实验过程考核在以产出为导向的评价体系中，对学生学 习效果的合理评价是关键，而实验操作过程是反 映学生操作技能和实验素养的重要环节#我们通 过多年的探索，将实验过程的考核细化为“实验参与度”“工程实践能力”“实验创新性”和“实验协作iblishing House. All rights reserved, HYPERLINK k k能力（4个考核点，同时加大实验过程考核的比 重，以便教师客观、公正地对学生的操作进行评 价#实验结果的展示答辩环节，小组汇报和提问 的考核方式有助于教师较准确地评价学生对实验 的理解、掌握情况及合作度和参与度#同时，由于 每组的实验内容不同，通过小组交流和汇报，学生 还可以了解不同方向的前沿实