“生物工程设备与工厂设计”课程教学改革探索与实践

陈小举 晏 娟 蒋慧慧 张凤琴

（巢湖学院 化学与材料工程学院，安徽 巢湖 238000）

生物工程产业是国民经济中的重要产生，生物工程技术是当今最活跃、发展最迅速、最重要的工程技术之一，是人类认识和改造自然界、客服自身所面临问题的可靠手段和工具[1-2]。生物工程是以生物技术研究成果为基础、借助工程技术实现产业化为基本任务的工学学科，其基础学科为生物学、化学与工程学。生物工程专业培养的学生不仅要掌握扎实的生物工程专业基础知识，还要求学生接受严格的工程实践训练[3-4]。在生物工程技术成果产业化实施的过程中，生物工程设备与工厂设计起着至关重要的桥梁作用，先进的生物工程设备及生产工厂是保证生物产品生产规模及产品质量的重要前体。

笔者所在学校为 “地方应用型本科高校”，学校生物工程专业要求培养的学生要具备产品生产、工艺设计等工程能力，因此“生物工程设备与工厂设计”是笔者所在学校生物工程专业必修的一门专业课，在人才培养方案中属于专业核心能力模块中的“工程设计能力”子模块。本课程开设的主要目的旨在结合毕业实习及毕业设计环节，培养学生使其具备较强的工程应用能力和工程素质，完成工程师的综合性基本训练，使学生走上岗位后能在生物工程领域从事生物产品产业化设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才。

1 课程改革前存在的主要问题

为了全面掌握课程授课过程中存在的问题，以便对教学内容及教学方式进行改革，不断提高课程教学效果，课程组教师在学期授课结束后对授课对象展开了调查研究，调研对象为2017、2018届共152名学生，调研的主要内容为课时是否充足、课程难易度、有无实践经历、对课程的重视度等方面，反馈的问题主要如下：

（1）学时压缩与课程内容多的矛盾。课程组教师连续对2017、2018届共152名学生就学时是否充足问题进行了调查（图1）。结果显示75.60%的学生认为课堂教学学时不足，部分内容无法讲解透彻；只有18%的学生认为课程学时基本充足或者充足，自己能跟上教师的授课进度。由此可见，学时压缩与课程内容多已成为本课程的一个主要矛盾。课程重点讲授生物制品生产及生物工程研究领域中常见设备的基本原理、结构、特点及设备设计、选型、计算的方法及生物制品工厂建设的程序、生产工艺设计、工艺计算、车间布置设计及管道布置设计等内容，课程内容繁多且抽象。生物工程设备与工厂设计原是两门课共96课时。近五年来，随着高等教育的改革以及学校对培养方案总学分及总学时的调整，课程总学时一再压缩，直到现在的48学时，课程教学时间减少一半，而教学内容除了课本的基本内容外，还需要补充与时俱进、适应生物工程学科快速发展的新知识和新内容，因此，很多知识点无法透彻讲解，影响了学生对本课程知识的掌握与运用。同时，缺乏“生物工程设备与工厂设计”的在线开放课程资源，学生很难通过自学掌握有关知识点。

图1 课程学时调查反馈

（2）课程难度较大。该课程是生物工程技术与化学工程技术的交叉结合体，内容繁杂，是对生物工程专业学生前三年所学知识进行综合运用的一门课程，课程涉及知识范围广，要求学生具备较好的微生物学、生物化学、化工原理、发酵工艺学、生物分离技术等知识储备[5-6]。如果学生对以上基础知识掌握程度不够，就会很难理解课程中的相关内容，进一步影响学生学习的积极性与主动性，如化工原理知识掌握不够就会影响对生物反应器设计中的冷却器工艺设计、搅拌器轴功率计算、结晶设备、干燥设备、蒸馏设备等内容的准确理解；微生物学、发酵工艺学、生物化学的知识储备就会对培养基制备、空气过滤除菌设备、微生物反应器的设计及选型、动植物细胞培养反应器的设计与选型、生物反应器检测与控制、工艺计算等内容的理解产生影响。如图2所示，45.4%的学生认为课程内容在课堂教学时较难于理解与掌握，28.6%的学生表示课程内容难，自己无法将已学过的部分知识与本课程内容相互联系并运用。

图2 课程难易程度调查反馈

（3）课程内容较为抽象，理论教学和工厂实践不能较好地相互结合和渗透。学生在学习这门课程之前，毕业实习、毕业设计等教学环节还没有执行，因此，学生接触相关设备及工厂的实践机会较少。即使通过课程实验使用了个别设备，也是在教师的指导下完成操作的，很少涉及设备的结构及工作原理。再者，本科生基本上全部为应届高中毕业生，基本上没有在生物制品工厂工作的经验，更无参与工厂建设的经历，学生在学习工厂设计中的“工厂基本建设程序、厂址选择与总平面设计、工艺流程设计及工艺计算、设备的设计与选型、生产车间工艺布置、管路设计及布置”等[6]内容时更是感觉抽象、枯燥乏味。尽管教师上课采用了多媒体教学，引入较多的图片、视频以帮助学生更好地认识设备、了解工厂，但实践经验的缺乏还是极大影响了学生学习本门课程的兴趣。

（4）学生对课程重视程度不够。课程组教师分析认为学生对课程重视程度不够的原因主要有以下三个方面的原因：一是“生物工程设备与工厂设计”课程要求学生具备一定的专业基础理论功底及工程实践能力，需要先修化工原理及实验、发酵工程及实验、生物分离工程及实验等课程，因此本门课程开课时间为第六学期，此时学生正面临着研究生招生考试及找工作的压力，很多学生无法将精力用于学习，对课程的教学效果形成了一定的冲击；二是因课程难度大、内容抽象，学生难以掌握课程知识点，对本课程本就有“排斥”情绪，再加上研究生考试基本上无本课程的内容，进一步造成学生对本课程的重视度远不如微生物学、生物化学、分子生物学等基础理论课程。图3可以看出，只有25.5%的学生认为课程内容可能对考研复试及找工作有帮助，与认为没有帮助的学生比例相当，佐证了课程组的分析。三是课程考核方式为“开卷考试”，增加了学生期末考核的投机性，使学生不重视平时课堂及课后的学习，只注重学期末考核前复习，缺乏自主学习的动力。

图3 学生对课程重视度的调查反馈

综上所述，如何处理好教学内容多与学时少的矛盾、处理好本课程与其他课程的衔接关系，改革现有的教学方法和手段是提高学生学习本课程的积极性主要手段，也是提高这门课的教学质量的关键。

2 课程改革措施及效果

2.1 教学内容改革

“生物工程设备与工厂设计”是以生物制品的工业化生产为目标，使学生理解与掌握生物工厂设计的意义、任务和内容以及生物制品生产所需要的设备类型、工作原理和设备选型，属于培养学生工程能力的应用型课程[7-8]，涉及面广、知识点多，很难在48课时内将所有知识点进行讲解，必须要有取舍。

（1）精简教学内容。目前，有关“生物工程设备与工厂设计”课程改革的文献较少。从“发酵工厂设计”课程改革文献可以看出精简教学内容是授课教师解决此类课程课时不足采取的主要措施，且已有部分高校对精简教学内容进行了探索，采取的主要措施为对授课内容进行重组并选择性的讲解[6，9]。此种方法虽然可以满足学时的要求，但是有可能造成学生对部分知识点的掌握不够理想。对课程之间教学内容重组的案例较少。本课程组教师通过认真梳理“生物工程设备与工厂设计”与“生物分离工程”两门课程教学大纲，发现两门课程中均有膜分离技术及设备、过滤技术及设备、离心分离技术及设备、离子交换分离原理及设备、色谱分离技术及设备、离子交换技术与设备、吸附分离技术及设备等内容，且内容相似度较高。然后组织两个课程组的教师对课程内容进行多次研讨与交流，在修订2019届课程大纲时对课程内容进行了整合，确定离心分离技术及设备、离子交换分离原理及设备、色谱分离技术及设备、离子交换技术与设备、吸附分离技术及设备等内容只在“生物分离工程”课程中讲授，以上内容在本课程中不再讲授，膜分离技术及设备中有关膜反应器的内容继续在本课程中进行讲授。整合后，“生物工程设备与工厂设计”要讲授的内容虽然缩减，但学生学习掌握的知识并没有减少。

目前，网络上几乎没有“生物工程设备与工厂设计”的在线开放课程，下一步本课程组将着力打造本课程的在线开放课程，通过在线课程学习加强学生对重组内容的掌握，进一步解决课时不足造成的问题。

（2）突出和优化重点教学内容。在工厂设计方面，以往教学过程中发现物料衡算、能量衡算及设备选型方面所讲解的计算实例较多，但是物料衡算、能量衡算及设备选型的实例很少是属于同一个产品的生产工艺，设计的内容也不是一个产品设计的完整内容，学生往往就搞以清楚物料衡算时得到的一个数据在能量衡算及设备设计选型时具有什么意义，不利于学生对计算内容、方法及步骤的掌握，但是目前将物料衡算、能量衡算、水平衡计算、设备选型、车间布置等几部分内容通过一个案例进行连续详细讲解的文献鲜有。为了改变这一现状，课程组教师对工厂设计方面的知识点进行优化，讲解的内容着重培养学生的工程能力，就某一生产实例连贯性地讲授工艺计算、设备设计与选型、车间布置设计等实践性较强的内容，突出各个内容模块之间的联系。教学时重点选取燃料酒精工厂及啤酒工厂两个例子进行物料衡算、能量衡算、水平衡计算、设备设计与选型、车间布置设计等内容进行连贯、详细地讲解，突出工艺计算与设备选型的内容、方法和步骤，强调计算结果与数据的连续性，让学生了解每个计算、每个数据的目的与意义。如在啤酒工厂设计中糖化车间采用二次糖化工艺，物料衡算中计算得到的大米粉、麦芽粉用量就可以用于一次糖化时的耗热量计算，还可以用于计算糊化锅与糖化锅的各种工艺参数。而课本中“味精工厂发酵车间的物料衡算”“抗生素发酵车间物料衡算”等相对简单的计算案例让学生课外自学，既让学生充分利用了课外时间，也锻炼了学生独立思考、自主学习的能力。

2.2 教学过程改革

（1）积极引导，增强互动。授课过程中，通过启发式教学积极引导学生将所学其它课程理论知识与“生物工程设备与工厂设计”知识点融汇贯通，加强学生对理论知识的掌握及在工厂设计及设备设计与选型中的应用。如发酵设备讲解过程中提问：基于所选定的发酵微生物的生长代谢特性，如何依据物质与能量平衡提高琥珀酸的产量？如何利用膜反应器进行高密度发酵？对此，要求学生查阅分析有关资料，从微生物的代谢途径出发，设计提高产率的新调控工艺，并要求学生讨论在发酵设备上如何进行改进提高生产效率？这种教学模式不仅提高了学生对已学知识融会贯通、综合运用的能力，也避免了老师唱独角戏。

又如，课程组教师在课程的第一节课会布置某个产品生产的设计题目（如年产5000吨果胶生产线的设计），4～5人一组，让学生随上课内容的进度进行同步设计与训练，以角色扮演的形式就厂址选择、工艺设计、工艺计算、设备设计与选型、车间布置设计等内容进行课堂交流，这种教学改革不仅加强了学生对课程知识的掌握，还提高了学生参与课程教学的积极性，教学效果远好于“灌输性”教学方式。

（2）强化课外学习，培养学生自主学习的能力。对于教材描述详细、学生易于掌握的知识点，具体内容不再累述，主要通过布置课后作业，明确作业考核要求，由学生自主完成学习任务，以培养学生自主学习及独立思考的能力。如基本建设程序、厂址选择、总平面设计等章节，教材上此部分内容描述详细，且大部为文字描述，传统方式教学时基本上是 “照本宣科”，不仅占用了学时，学生学习积极性也不高，知识掌握情况不理想。课程组教师在认真研讨后，决定此部分内容课堂教学时主要讲解思路与原则，其余内容由学生自学，但是课程组教师会给出课后作业，如“拟在安徽巢湖经开区半汤新建单克隆抗体工厂”为例，要求学生结合教材、网上调研、实地考察走访、查阅相关文献资料，分析安徽巢湖经开区半汤所在区域的产业规划、政策支持、自然条件、技术经济条件等有利于建厂的优缺点，提出建厂程序，并尝试编写项目申请书、可行性研究报告等文件，然后在课堂上进行汇报交流，师生展开讨论，并由教师进行点评，并将结果用于期末考核。通过这种模式，学生不仅会认真地学习教师布置的自学内容，还可以将自学内容用于实践锻炼，加强了对知识的理解，相比与传统的教学模式，教学效果较好。

（3）与实践相结合，增强直观性。一是，在ppt插入更多的图片、flash动画，让学生更直观的认知、掌握设备的结构及工作原理。在生物反应器教学过程中，使用了大量的工厂化生产及实验室研究用的机械搅拌通风发酵罐图片及视频，形象地给学生展示发酵罐的通气、搅拌、消泡、冷却、加热、检测等发酵罐部件，学生可以更直观的掌握生物反应器的相关知识。在工厂总平面设计时，通过展示多幅“生物工厂平面设计效果图”，让学生了解平面布置设计的内容、原则以及布置形式，更利于掌握不同厂区布置形式的适用地形及优缺点；二是，向学生开放实验室，在课堂教学完成后，学生可以到实验室现场观摩部分设备的结构与操作方法，加强课堂教学内容的消化吸收；三是，组织学生到学校附近与本专业相关的企业实地参观，包括生物制药企业、食品发酵企业等，由企业技术人员现场讲解建厂时厂址选择、厂区总平面布置、设备选型及功能、车间布置的设想及依据，增加学生的感性认识，熟悉生物工厂建设的流程及内容。

2.3 考核方式改革

课程考核是教学活动中的一个重要环节，一个合理、有效的考核方式不仅能反馈学生的学习效果，对引导学生积极参与教学活动也具有重要的作用。以往的开卷考试形式主要考察学生对知识点的掌握情况，由于卷面有限，很难反映学生对知识点的综合运用能力，尤其是在“新建工厂设计时如何运用这些知识点解决问题”的考察不到位。因此，采取更加灵活的考核方式十分必要。

考虑到“生物工程设备与工厂设计”知识覆盖面广、综合性与实践性强的特点，课程组教师对考核方式改革进行了广泛讨论，确定考核改革的主要目标为：强调学生的主观能动性、反映考核的公平性、突出知识的综合及实践运用。针对以上目标，确定了2个考核环节：一是平时成绩（满分100分，占总评成绩权重50%），主要由出勤率、作业撰写、课堂报告三部分组成，分别占平时成绩权重30%、30%及40%，其中课堂报告主要指的是学生对授课教师布置的自学内容进行ppt汇报，然后由教师进行点评；二是期末考核（满分100分，占总评成绩权重50%），主要为考察题目及课堂答辩，分别占期末考核成绩权重60%及40%。考察题目突出以能力为主的考核机制，为增强和培养学生分析和解决复杂工程问题的能力，主要为主观题类型，重心放在考核学生综合素质与能力上，提高学生的知识运用能力。如考核题“结合味精的生产工艺，给出从原料处理到最后产品所需要的设备及每种设备的作用和特点”，学生通过对此题的解答，基本上就能将生物工程设备中所有上、下游的设备串联在一起，既加深了对设备的理解，也熟悉了主要生物工程产品的生产流程及每个流程常用的设备，对增强和培养学生分析和解决复杂工程问题的能力很有帮助。课堂答辩主要对期初布置的“产品生产的设计题目”进行答辩，由学生就工艺计算结果、设备选型、车间布置、工艺流程图等内容进行汇报，其他学生提问题，教师进行点评。这种考核方式改变了以往“一考定成败”的考核制度，避免了学生考前突击，强调了学生参与教学活动的重要性，可以充分发挥学生的主观能动性，提高其学习兴趣，并训练学生的综合能力。

3 改革效果

3.1 定量评价改革效果

定量评价采用对比分析课程改革前及改革后的学生总评成绩分布情况评价课程改革效果（图4）。改革后（2019届）所授课学生总共57人，总评成绩优秀（90分以上）的占比8.8%，成绩良好（80～90分）的占比47.4%，优良比高达56.2%，比改革前提高20个百分点。通过总评成绩可以看出，课程改革后学生的总评成绩明显提高，从一方面反映出课程改革是有效果的。

从学生完成的“课堂报告”考核材料可以看出，大部分学生均能积极地进行网上或者实地调研，了解建厂程序以及需要考虑的自然、经济条件，掌握工艺设计、设备选型、车间布置等关键知识点，同时学生在团队协作、语言组织、沟通交流等方面的能力得到加强。从考核试卷“综合型试题”答题情况看，多数学生能对“综合型试题”进行正确解答，反映学生不仅对单个知识点的掌握情况较好，还能将各章节知识点连贯运用，学生的知识的综合运用能力得到提升，分析和解决复杂工程问题的能力得到锻炼。

图4 改革后学生综合考评成绩分析

3.2 定性评价改革效果

定性评价采用现场问询的方式调查2019届学生对课程改革的满意度，主要内容为：课程知识整合的满意度、整合知识掌握情况、教学过程改革对提高自己学习的积极性及掌握知识的影响、考核方式改革的满意度。

调查结果表明，对课程知识整合满意的学生为62.%（图5），比例超过50%，表明大部分学生认同教师对课程知识的整合，其中表示非常满意的学生为15.6%，满意的学生为46.75%。对整合知识掌握情况的调查结果显示（图6），78.5%的学生表示对整合的课程知识掌握情况非常好或者好，表明课程知识整合并没有导致学生学习掌握的知识减少。20.5%的学生认为课程教学过程改革对提高自己学习的积极性及加强知识的掌握具有非常好的效果，认为有效果的学生为48.2%（图7），表明学生认同教师的教学过程改革做法。72.3%的学生表示认可改革后的考核方式（图8），认为其能真实反映学生参与课堂教学的积极性、课后自学的主动性及对知识的掌握情况。

图5 学生对课程知识整合满意度的调查

图6 对学生掌握课程整合知识情况的调查

图7 对课程教学过程改革是否有效果的调查

图8 学生对考核方式满意度的调查

课程改革后虽然取得一定的效果，但在课程授课过程中仍存在以下两个主要问题：一，虽然对课程内容进行了精简重组，仍感觉到学时不足、知识点较多，无法对重点内容进行详细讲解，且在线开放课程资源稀缺，学生无法通过在线课程学习掌握相关课程知识；二，虽然采取了理论与实践相结合的教学模式，通过设备展示、三维动画、实地调研将强了学生对抽象内容的理解，但是由于设备及动画资源有限、实地走访受到时间、空间、经费制约，学生还是无法对部分设备及工厂建设程序、内容进行充分的理解。下一步课程组将通过申报质量工程项目逐步建设“在线精品开放课程”及“虚拟仿真实验室”，同时加强手机等现代电子设备在教学过程中的应用[10]，以解决以上两个主要问题，做到学生对课程知识的学会、学懂、会用，真正达到开设本课程的目标。

4 结语

“生物工程设备与工厂设计”是笔者所在学校生物工程专业必修的一门专业课，对培养学生的工程设计能力，完成工程师的综合性基本训练，使学生顺利走向生产实践工作岗位具有重要的作用。课程组教师针对课时不断压缩、课程内容抽象、难度大、学生重视度不够等情况，通过不断思考与讨论，对本课程的教学内容、教学过程、考核方式进行改革，努力克服传统教学方式中存在的问题。结果显示，课程改革优秀提升了本课程的教学效果，加强了学生对专业知识的掌握、运用能力，锻炼了学生的自主学习与沟通交流能力，学生对课程改革总体满意度较高。