基于工程教育认证的“微生物学”课程教学改革

【摘""要】制药工程专业是泰州学院“十四五”期间工程教育认证的试点专业。为了将工程教育认证理念落实到“微生物学”课程教学中，文章结合专业人才培养特点，对基于工程教育认证的课程教学内容、教学方法及教学评价开展了一系列改革探索，重点突出教学内容的应用性、先进性和教育性，运用翻转课堂、“基于问题的学习”和“基于项目的学习”等教学方法，加强形成性评价和目标达成度评价。这些教学改革措施旨在让学生在知识、能力和素质方面得到全面提升，真正做到“学生中心、产出导向、持续改进”，保证“微生物学”课程对工程教育认证形成有力支撑。【关键词】工程教育认证；“微生物学”课程；教学改革一、引言2016年，我国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，开始按照国际标准开展本科工程教育认证。本科工程教育认证要求工科毕业生达到12方面的毕业要求，而其中一些方面是我国传统工科教育未能覆盖的，这对我国深化工程教育改革，提高工程教育人才培养质量提出了更高的要求[1]。工程教育认证的核心理念是“学生中心、产出导向、持续改进”，通过产出导向的教学设计、实施和评价，确保毕业生达到工程教育质量标准。专业毕业要求是由培养方案中每门具体课程支撑的，遵循工程教育认证理念的课程教学是工程教育认证的基本保证。制药工程专业是泰州学院“十四五”期间工程教育认证试点专业。针对如何结合专业人才培养实际，将工程教育认证理念落实到“微生物学”课程教学中，教学团队开展了一些改革探索。二、基于工程教育认证的“微生物学”课程教学内容改革（一）突出教学内容的应用性工程教育认证要求培养学生的工程实践能力，这就要求教学内容紧扣工程实践，突出应用性。泰州市委在泰州市“十四五”规划中明确提出了生物与医药等大健康产业高质量发展的战略与举措，要求加快培育一批生物药、化学药、中药、高端医疗器械等龙头企业。基于此，“微生物学”课程教学以大健康产业实际需要和毕业生主要就业岗位所需能力为基础，进一步优化课程内容。通用基础知识部分包括绪论、原核微生物、真核微生物、病毒、微生物的新陈代谢、生态分布等，突出与制药产业相关的微生物基本形态结构、功能、生化特性，如金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）是一种与感染相关的重要病原菌，教学中可将其作为革兰氏阳性菌的典型代表介绍其形态结构特点、感染途径、感染症状、目前主要的检测手段等。应用基础知识部分是微生物学通用基础知识的延伸与应用，包括微生物的营养及培养基配制、微生物的生长及控制、微生物的遗传变异和育种、微生物的生态等，这些知识与制药生产实践紧密相关。教学中紧扣生产实例开展教学，如微生物代谢调控部分突出微生物代谢调控的原理在遗传育种和发酵控制过程中的应用；微生物的育种部分补充如何从土壤中分离特定特性的菌种，以及目前利用基因工程育种的现状；微生物的生态部分以产黄纤维单胞菌（Cellulomonasflavigena）和恶臭假单胞菌（Pseudomonasputida）混合培养分解稻草粉生产单细胞蛋白为例，介绍微生物间的共栖关系在制药工业中的应用。（二）突出教学内容的先进性工程教育认证要求工科毕业生具备创新能力、终身学习和持续发展的能力[2]。因此，教师需要及时将学科领域的前沿知识和科研进展引入教学。例如，在讲授肠道菌群的数量和种类时，除介绍一些基本知识外，还可以进一步拓展，布置课后阅读文献并撰写“肠道微生物与大肠癌的相关性”“益生菌在糖调控中的作用”“肠道菌群与肥胖”等小综述的任务，使学生学会对某一研究问题进行深入探索。细菌的控制部分，在介绍抗生素的来源、杀菌机理和细菌耐药性机理的基础上，启发学生进一步思考和讨论“如何解决细菌耐药性的问题？”，引导学生提出可能的方案，如寻找新的抗生素、对现有抗生素进行改造（包括多学科交叉和人工智能融入）、利用生物药物素、寻找中草药有效成分等。在血管紧张素转化酶2（ACE2）已被确定为新冠病毒2019-nCoV的功能宿主受体后[3]，2020年，西湖大学周强实验室利用冷冻电镜技术成功解析ACE2的全长结构，在补充讲授这一内容后，可启发学生思考受体结构解析的意义，培养学生的逻辑思辨能力和解决社会问题的责任感。2021年，研究人员发现从牛胃中提取出的一种细菌能产生“切割”塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的酶[4]，这种酶能将PET还原为对环境影响较小的对苯二甲酸和乙二醇，而通过AI技术对PET降解酶进行结构改造，更是进一步推动了其实用进程。这些内容的补充可以使学生深刻理解微生物学知识的实际应用，激发学生学习微生物学的兴趣。（三）突出教学内容的教育性工程教育应体现工程对社会与人文问题的关注。“微生物学”课程教学内容中可以挖掘出丰富的思政元素。1955年，我国著名微生物学家汤飞凡教授分离出沙眼衣原体并注入自己的眼睛内做试验，“以身试病毒”，证明引起沙眼的病原体是衣原体而不是杆菌，推动了沙眼疾病的研究进程[5]。我国土壤微生物学奠基人陈华癸终身研究根瘤菌的固氮作用，对水旱两作稻田的微生物区系、营养物质的生物循环进行了深入研究，取得了一系列开创性研究成果[6]。中国科学院微生物研究所和北京制药厂联名研发成功的二步发酵法生产维生素C的技术居世界先进水平，这一成果是理论与实践相结合的典范，是“科技是第一生产力”的具体体现，也是科技工作者勇于创新而取得的丰硕成果。微生物学的研究在19世纪后期才蓬勃发展，但100多年来微生物学领域内共有79名学者获诺贝尔奖。2023年，诺贝尔生理学或医学奖授予为新冠病毒2019-nCoVmRNA疫苗技术做出贡献的科学家，基于此，教师可在教学中引导学生通过撰写小综述，了解这一研究的内容及科学家在抗击新冠肺炎疫情中的贡献，感受科学家敏锐观察、严谨务实、勇于挑战的科学态度和科学精神。在此过程中学生的高阶思维能力和学科素养得到培养，综合创新素质也得以提高。三、基于工程教育认证的“微生物学”课程教学方法改革工程教育认证的特点是以产出为导向，重在培养学生的工程实践能力。通过教学方法改革，培养学生分析、解决问题和终身学习的能力，这也是学生最终具备工程实践能力的重要保证。（一）翻转课堂翻转课堂教学模式下，教师利用丰富的线上教学资源，如在QQ群里为学生提供课程相关视频、资料和慕课信息等，引导学生在课下自主学习，这样一方面可以扩大学生的知识面，另一方面可以兼顾学生的个体差异[7]。课上教师只讲授重难点内容，更多时间可以用于师生交流及相互探讨，在此过程中学生的知识、能力和素质可以得到全面培养。通常的模式可以是教师针对课程内容提出课前问题，学生利用线上资源自主学习，完成前测，课上则针对问题进行分组讨论，教师再引导总结归纳或重点讲解；也可以是教师针对课程核心内容布置课前任务，课上再对这些核心内容进行研讨，培养学生自主学习和分析、解决问题的能力[8]。如微生物的形态结构部分，课前教师通过QQ群发布制作好的10分钟微课视频，视频内将各种常见微生物的基本形态真实展现出来，让学生在课前对微生物的形态结构有清晰的认识，便于课堂上进行分类、比较，课后复习时也可以随时借助视频进行知识巩固。这样的课堂教学模式强化了学生的主体地位，有利于学生掌握自主学习方法，逐步形成自主学习和终身学习的习惯。（二）“基于问题的学习”教学法“基于问题的学习”是指学生就某一问题展开探究，为解决问题学习相关知识及提出解决策略。“微生物学”课程中培养基的制备、菌种的分离纯化、菌种的生理生化鉴定及菌种保藏等内容均可设计相关的工程实践问题，让学生分小组进行探究。学生通过查阅资料、组织研究，最终提出解决方案，培养知识应用能力和创造性解决问题的能力。如微生物的控制部分，学生通过查阅、整理资料对常用的几种抑菌、杀菌方法的原理及应用实例进行解读，并制作PPT进行汇报。在学习H7N9禽流感病毒的变异特点后，启发学生思考“为什么H7N9禽流感病毒能感染人？”，引导学生探究“最新的研究成果如何证明"H7N9禽流感病毒是不同的流感病毒基因水平转移重新组装产生的？”。团队教师与地方企业开展“产学研”合作相关课题，如“农作物秸秆废弃物高值转化制备2-苯乙醇关键技术的研究”“生物表面活性剂槐糖脂高效发酵工艺的研究”等，将课题嵌入“微生物学”课程教学内容中，也是引导学生开展“基于问题的学习”的好素材。（三）“基于项目的学习”教学法解决复杂工程问题是工程教育认证的重要特征，也是达成工程教育认证要求的重点和难点。“基于项目的学习”设计真实性任务，在复杂的、有意义的问题情境中引导学生通过自主探究和合作最终完成项目任务，是培养学生解决复杂工程问题能力的基础[9]。“微生物学”课程教学中通常设置一次项目研究作业，让学生从基本原理出发，多角度思考，创造性地解决实际问题。例如，某制药企业“基于多尺度优化的微生物谷氨酰胺转氨酶的研发及产业化”项目，通过高产菌株优选、发酵过程优化、制备技术控制等关键技术攻关，最终实现谷氨酰胺转氨酶（TG）产酶量、发酵时间、收取率和酶活性等技术指标达到国际领先水平。教学中引导学生根据已学理论知识，设计开展对这一项目的研究：如何采集典型土样筛选高产TG菌株；如何对TG菌株进行纯化；如何运用诱变技术对菌株进行诱变，得到TG产量显著提高的突变株；如何对菌株的环境因素和营养条件进行优化等。首先，学生组成4～6人的研究小组开展项目研究，撰写项目研究报告；其次，教师优选两三个小组，让学生以PPT的形式进行课堂展示、汇报和讨论；最后，教师将企业的项目研究报告提供给学生，让学生通过比较发现自己的研究尚未涉及的问题，再进一步优化自己的研究报告，使整个学习过程成为接近生产实战的教学活动。四、基于工程教育认证的“微生物学”课程教学评价改革工程教育认证要求课程评价的期末考试等终结性的课程考核方式对分析、评价、创造等高阶认知目标的考核比较欠缺[10]，改革后的“微生物学”课程教学基于“产出导向”的认证理念、多元化的课程教学资源及个性化的学习过程，其考核评价既突出过程性和学生的高阶认知能力，又形成了依托学生培养目标达成度指标的定量评价方式。（一）加强形成性评价形成性评价是为确定学生的学习需求、有效调整教学，对学生的进步情况和理解程度进行的频繁的、互动式的评价，注重反馈和基于反馈的教学调整，注重学生的自主学习和自我评价、反思[11]。改革后的“微生物学”课程教学注重形成性评价，加大了平时考核的比例，减少了期末考试的比重，形成了以线上学习、课程作业、课堂表现、课程论文和期末考试等组成的多元化评价体系。课程总成绩为线上学习10%、课程作业20%、课堂表现10%、课程论文10%和期末考试50%加权的总和。线上学习和测试主要考核学生的自学能力和基本知识的掌握情况；课程作业包括章节练习、小综述、项目报告等，考核学生的自主学习能力、团结协作能力和写作能力；课堂表现包括出勤、课堂参与、课堂讨论等方面，主要考核学生的学习态度、综合分析问题的能力、语言表达能力和思辨能力等；课程论文由学生查阅文献资料，在掌握已学课程内容的基础上归纳解决的小型综合性实际问题或理论问题，如介绍某种微生物的特征、危害及应用等，课程论文可以考核学生查阅文献、制定方案、数据论证、撰写论文等方面的综合能力；期末考试则是对学生本学期“微生物学”课程学习情况进行检验，帮助教师了解学生对知识的掌握情况。（二）加强目标达成度评价面向产出的课程质量评价的基本依据是课程目标，特别是关联毕业要求的课程目标的达成情况，因此，考核方式需要匹配相应的课程目标[12-13]。为评价“微生物学”课程对学生培养目标和毕业要求的支撑情况，按照学生毕业要求与“微生物学”课程对应的指标点，分别统计与各指标点相对应的考核评价成绩，计算各指标点的达成度。量化评价的结果显示，课程教学较好