“生物反应工程”微课程教学设计

蒋慧慧，鲁文胜，晏　娟

(巢湖学院 化学与材料工程学院，安徽 巢湖 238000)



“生物反应工程”微课程教学设计

蒋慧慧，鲁文胜，晏娟

(巢湖学院 化学与材料工程学院，安徽 巢湖 238000)

微课程作为一种新型教学形式，在全国高校影响广泛并得到初步应用。根据微课程教学的特点，尝试分析生物工程专业“生物反应工程”微课程体系建立的可行性，探索微课程设计初步思路与实施方法，为应用型本科教学探索新的教学方式，为青年教师教学基本功的快速提升提供帮助。

生物反应工程；微课程；应用型高校；教学

“微课程”一词来自英文“Micro-Lecture”，又称微课，由David Penrose于2008年提出[1]，旨在依托微型的知识脉冲，短时间内提炼出课堂教学的知识核心，通过网络视频动画及相关资源展开学习。10-15分钟的微课，既可以是教师围绕单一知识点或某个具体问题展开教学，也可以安排学生通过微课自主预习、复习，教与学真正实现灵活选择。随着“微课程”教学理念在高等教育领域中的发展，契合各高校教学实践的“微课程”建设成为教师深化教学改革的新思路。与此同时，国家教育部及各省市教育行政部门组织的“微课比赛”也在一定程度上促进了“微课程”在高校中的发展。以教育部全国高校教师网络培训中心于2013年举办的“首届全国高校微课教学比赛”为例，参与高校超过1 600所，参赛选手12 000多人，其影响范围之广，是其他教学竞赛不可比拟的[2-4]。

“生物反应工程”是一门交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学及最优化原理等与生物反应特性相结合，进行生物反应过程的分析与开发以及生物反应器的设计、操作和控制等。“生物反应工程”不只是复杂理论讲解的基础性学科，而且是传授基本分析方法和实际应用的学科，教学环节中更希望突出实用性，即学生在较短的时间内既明白基本原理，又可以很快速地学会解决问题的方法，而这一点恰恰与微课“短小精悍”的教学理念不谋而合。本文以地方本科院校开设的生物工程专业“生物反应工程”为例，探索地方应用型本科高校的微课程设计思路与应用前景。

1　微课程教学设计

衡量一个微课作品首先要分析其教学设计，教学设计是微课教学质量的核心，教学者需要根据学习者特点，从选题、教学内容安排、教学手段选择等多方面综合考虑。

“生物反应工程”微课的开发和设计始于科学的选题。《生物反应工程》共分8章，以酶促反应动力学、细胞反应动力学为基础，结合生物反应器不同操作形式、传质混合特性，进行生物反应器的选择、设计和放大。考虑到微课的核心教学时间是10分钟为宜，故选择的主题围绕着“重、难、疑、趣”等方面。“重”是本门课程的重点内容，属于学生必须掌握的基础知识，如“单底物酶促反应动力学”(微课名，下同)，仅分析单一底物对单一酶反应的动力学影响，重心在于动力学分析方法的应用；“难”即正常教学中的难点问题，是对基础知识的升华，如“微生物反应的能量衡算”，需要在微生物反应的碳素衡算、碳源衡算、氧衡算的基础上进行能量层面的分析；“疑”是针对课题教学中学生容易产生疑惑的内容进行清晰的阐释，如“为什么具有反馈的单级连续培养模式更适合稳态研究？”，需要从数学模型、稳态操作条件、菌体产率等多方面加以说明；“趣”则是根据实验操作中一些有趣的现象分析内在可能规律，如“CPFR和CSTR型酶反应器性能比较”，同样是理想型酶反应器，但由于操作方式的不同，在相同的酶促反应条件下，反应器中的底物、产物分布等呈现不同的特点，究其原因是停留时间、酶需求量等因素变化的结果。

教学内容安排，是教学设计的核心。首先，在明确的主题下要有效导入知识点，即快速切入正题，可以借助某些生活现象、实际问题或者一些小故事，短时间内吸引学习者注意力并激发解决问题的兴趣。具体的方法可以是前期教学内容的延伸、有目的的设问，也可以是开门见山的陈述。如“非竞争性抑制剂对酶促反应速率的影响”开篇以竞争性抑制反应动力学的分析结果为起点，变化抑制剂的作用部位，延伸过渡到非竞争性抑制剂的动力学过程分析；“氧气在生物反应器中的传递”通过实验数据的对比，提出如何解决发酵液溶氧浓度远远低于微生物需氧量的问题，引出氧传递模型分析；“酶的失活动力学”直接指出酶在实际反应中存在失活现象，随后分析一步失活模型下的酶反应失活动力学。快速有效的切题带领学生快速进入学习状态，随后，核心知识点的讲解立即展开。结合本门课程的工程学特点，在分析问题时一定要循着一个线索，有逻辑的展开。数学模型的推导要严谨合理，举例要贴近工程实际，精心筛选，在有限的时间内合理利用学生的思维模式，深入浅出，重在消化学习内容，适当减少主题相关的发散，提高微课堂效率。如“微生物生长的非结构模型”中围绕着“Monod方程”这一线索，从方程建立的基本假设条件到方程中核心要素(限制性基质)的分析、单一限制性基质的界定，逻辑清晰，层层推进，最后通过Monod方程与米氏方程的对比分析，加深学生对微生物生长非结构模型的印象和理解。

此外，丰富多样的教学手段和表现形式也可以促进教学内容的展开。微课大多以PPT屏幕为主要的载体形式，制作精良的PPT文档应包含丰富的图片、动画等资源，这样可以吸引学生，提高学生的学习兴趣；另外重视学生的信息反馈，灵活运用提问、讨论等形式，调动学生的积极性，活跃课题气氛；最后，根据教学实际，合理安排实景课堂或PPT+音频讲解等表现形式，满足不同学习者的学习习惯。

2　微课程的制作实施

结合所在院校生物工程专业的教学实际，建立微课程实施策略(如图1所示)，下面将结合一节微课的具体制作实施过程加以详细阐述。

图1　微课程实施流程图

2.1教学章节的选择和教学内容的分析

根据课程知识体系分析，动力学基础部分大多是数学模型建立及分析，理论系统复杂，不太适合直接进行微课教学模式的应用；而生物反应器的操作、传质等内容，以实验数据为基础，理论分析与应用兼顾，知识点可分解，其中生物反应器的传质部分以氧传递为主要教学内容，属重点教学内容，是进行微课程初步设计实施的理想教学片段，故选题为“氧气在生物反应器中的传递”。

2.2教学目标的明确

生物反应器的传质问题既存在于原料预处理、生物反应器的操作过程，也包括下游的产品回收，不论处于哪一阶段，都需要解决物质之间、物质与气体、气体与气体等传递问题，并据此为工程实践提供依据和操作基础。在微课教学的过程中，必须突出这一目标，在“氧气在生物反应器中的传递”主题下，教学侧重氧传递理论模型要点的解析和氧传递方程的推导，使学生不光理解氧气在发酵液中的传递过程，还能够用数学模型对氧传递速率进行表征，为反应器的设计及操作积累有效数据。

2.3教学策略的实施

根据“氧气在生物反应器中的传递”这一节知识的特点，将本节微课的实施细化为以下几个部分：引入问题、分析讨论、引入要点、建立方程、分析方程、课堂小结和课后习题，其中“引入问题”是教学导入，“引入要点、建立方程、分析方程”是主要知识点的呈现，“分析讨论、课后习题”是互动反馈，“课堂小结”是教学总结。“氧气在生物反应器中的传递”这一节微课的开始，利用动画演示发酵过程，并通过实验数据比较，发现发酵罐中实际测得溶氧浓度和微生物需氧浓度的巨大差距，引出“如何提高发酵罐中氧的利用率”这一问题，以设问的形式，激发学生解决问题的兴趣；第二步，以学生为主体讨论氧在生物反应器内的传递过程，通过氧传递详细过程及阻力的分析，让学生在互动讨论中对氧传递过程初步了解，进而引入重难点教学内容；第三步，结合动态模型展示，将微观过程放大，引导学生将抽象的理论模型形象化，建立氧传递的双膜理论模型；设问过渡，引出第四部分氧气在气液相间的传递速率方程；最后通过氧传递速率方程的分析，学生能更清楚地理解动力学模型中的参数与实验参数之间的对应关系，为下一节的学习内容做好铺垫。整个教学过程围绕“氧气在气液两相间的传递”展开，教学组织条理性强。此节微课教学中，综合利用图形、字幕、图片、动画等多媒体资源，强化逻辑性，做到完整、有序的呈现所有教学内容。同时以设问、讨论或课后思考题等形式，与学生互动，并根据学生反馈信息，合理调整优化教学内容。最后注重教学的总结，从“氧传递过程、理论模型、传递速率方程”3方面提纲挈领，帮助学生强化学习内容。

2.4配套资源的建设

微课的配套资源主要包括多媒体课件、教学微视频、课后习题、教学素材、在线交流平台等相关教学资源，其中多媒体教学课件和教学微视频是配套资源建设的核心。“生物反应工程”微课教学课件统一用PPT软件制作编辑，笔者在积极参加学校组织的多媒体课件制作培训基础上，根据每个微课片段的特点不断修改完善，使之在形式和内容上都满足微课的需求。相比于教学课件制作的独立性，10-15分钟的教学微视频则较为复杂。传统的微视频制作需要借助专业摄像机和录音设备，而青年教师大多没有相关课程建设经费，完全依靠自身很难实施。为此，一方面借助院系、学校等各级各类微课教学竞赛，积累相关教学片段；另一方面学习以可汗式录屏式微课制作工具[5]为代表的新型微课制作方法，不断优化充实微视频资源；最终借助学校现代教育技术中心的技术资源，完成微课视频的后期编辑。

3　结　语

经过两年多的微课程探索，“生物反应工程”积累了相关的微课素材，为进一步建立全面、完善的微课程体系奠定了基础。“生物反应工程”微课程体系建立以后，可以结合“翻转课堂”模式[6]，将传统教学中单一的“信息传递”优化为课前“信息传递”、课中“内化吸收”、课后“反馈评价”。这一改变将弥补一部分学生基础薄弱、学习效率较低的不足，同时为学有余力的同学提供更多学习交流资源，满足不同学习者的个性化需求。

微课不仅有利于学生的学，更促进了教师的教。高校青年教师在进入教学岗位前，大多没有接受过长期系统的教学培训，遵循传统听课、观摩、教案修改的提升流程，难以实现教学基本功短期内的快速提升[7]。以本人从事“生物反应工程”教学为例，笔者虽然所学专业与之契合，但如何将生物反应中的动力学原理与反应器操作知识转化传递给学生，教学设计、课堂上的“讲、写、演、画”和课后的教学评价都是不小的挑战。微课正是青年教师成长的助推器，在一个个微课制作过程中，笔者快速积累，教学技能不断提升。从事教学三年来，共获得省级联盟高校青年教师基本功竞赛三等奖、校级青年教师基本功竞赛第二名等荣誉，这些收获均受益于“微课”。

微课的发展给高等学校教学带来了新的改革方向，同时结合微课的网络化特点，其应用范围也将实现从理论课堂到实验课堂、从教师专业发展到技能培训、从学历教育到大众学习的扩展，微课的普及必将惠及互联网时代的每个人。同时，新时代的微课将更加全面的兼顾不同层次学习者的个性化需求，有机整合知识点，优化媒体呈现技术，并建立完善的评价体系，真正实现全面可持续化的应用和发展。

[1] Shieh D. These lectures are gone in 60 seconds[J]. Chronicle of Higher Education, 2009(26): 1-13.

[2] 蒋咏华. 高校微课建设问题及其对策研究[J]. 中国现代教育装备, 2014(23): 73-75.

[3] 陈智敏, 吕巾娇, 刘美凤. 我国高校教师微课教学设计现状研究——对2013年“第十三届全国多媒体课件大赛”295个微课作品的分析[J]. 现代教育技术, 2014, 24(8): 20-27.

[4] 胡铁生, 周晓清. 高校微课建设的现状分析与发展对策研究[J]. 现代教育技术, 2014, 24(2): 5-13.

[5] 张一川, 钱扬义. 国内外“微课”资源建设与应用进展[J]. 远程教育杂志, 2013(6): 26-33.

[6] 张金磊, 王颖, 张宝辉. 翻转课堂教学模式研究[J]. 远程教育杂志, 2012(4): 46-51.

[7] 黄磊, 王琦. 浅谈微课在教师专业发展中的优势和作用[J]. 中国教育技术装备, 2014, 1(2): 39-41.

Desige of the Micro-Lecture for Bioreaction Engineering

JIANG Hui-hui, LU Wen-sheng, YAN Juan

(College of Chemistry and Material Engineering, Chaohu university, Chaohu, Anhui 238000, China)

As a new form of education methods, micro-lecture had wide influence and application in colleges and universities. In order to explore new teaching methods for application oriented undergraduate college education, and provide guideline for young instructors to rapid improve basic teaching skills, by combining teaching practice of college with micro-lecture features, the paper analyzed the feasibility of establishing micro-lecture in bioreaction engineering, and investigated the design and implementation methods.

bioreaction; micro-lecture; application oriented undergraduate college; teaching train

2016-05-12

安徽省高等教育振兴计划项目(2015zytz056)。

蒋慧慧，女，安徽巢湖人，硕士，巢湖学院化学与材料工程学院教师，研究方向为工业微生物。E-mail：huihuijiang1988@163.com

时间：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.039.html

G424

A

1007-4260(2016)03-0155-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.039