新工科背景下生物催化工艺学教改的探索和实践*

许国超，窦 哲，倪 晔，郑 璞

(江南大学生物工程学院，江苏 无锡 214122)

目前，我国经济进入中高速增长的新常态阶段，经济增长的动力需求转换到经济转型和创新驱动上。高等工程教育在我国高等教育中占有重要的地位，深化工程教育改革、建设工程教育强国，对服务和支撑我国经济转型升级意义重大[1]。2016年6月，我国工程教育认证体系实现国际实质等效，为深化工程教育改革提供了良好契机。当前，国家推动创新驱动发展，实施“一带一路”、“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新[2]。自2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，共历经了“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”等阶段，新工科专业主要指针对新兴产业的专业，包括生物制药等[3]。新工科建设要以产业需求为导向，为新工业革命培养出工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才[4]。

生物工程是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科，以生物学的理论和技术为基础，结合化工、机械、计算及等现代工程技术生产大量有用代谢产物的新兴技术。生物制造产业是战略新兴产业，契合国家的智能制造发展战略和绿色发展理念，对解决人类社会发展面临的能源、资源、健康和环境等问题具有重要作用[5]。生物工程主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程(生化工程)和生物反应器工程五大领域，生物催化技术属于酶工程领域，在医药、食品和化工领域具有重要应用。江南大学生物工程学院生物工程专业是首批国家特色专业，首批江苏省品牌专业，江苏省重点建设专业，在发酵工程和酶工程领域享誉深远，也是国内最早从事酶工程研究和最早开设生物催化工艺学课程的院校之一，由孙志浩教授主编的《生物催化工艺学》是国内最早的专业教材。

1 生物催化工艺学教学中遇到的问题

生物催化工艺学课程的主要任务是通过介绍有关生物催化的基础理论，结合典型生物催化产品的工艺实例，增进学生对与生物催化和酶工程应用领域的认识，加深学生对生物催化剂开发的工艺过程和性能评估指标的学习，引领学生思考生物催化剂的性能和潜力，激发学生从事生物工程相关科研和生产的兴趣和热情，培养从事生物化工、医药、食品、发酵等行业的专业技术人才。尤其是在新工科背景下，相关企业面临产业技术转型升级，对高校培养的学生提出了新的要求。笔者从事多年的生物催化工艺学课程教学，认为目前在生物催化工艺学的教学中主要存在以下三个问题：

1.1 教学内容的与时俱进

笔者以Biocatalysis(生物催化)为关键词在Web of Science数据库中进行检索，可以看出自1998年以来，生物催化的研究报道数量快速增加，尤其是在2009年以来，呈现飞速发展。目前，每年的论文数量在1700篇左右。2018年，定向进化和生物催化的领军人物Frances H Arnold获得了诺贝尔化学奖，再一次引领了生物催化技术的快速发展[6]。目前，生物催化和酶工程技术经历了三次浪潮，第一次浪潮以野生菌整细胞和细胞破碎液为催化剂，第二次浪潮以定向进化和人工修饰的重组酶为核心[7]。近5年来，随着基因操作技术、基因测序技术和计算机速度的快速发展，以人工设计全新功能的生物催化剂为代表的第三次浪潮正在形成，也正逐渐改变着我们对传统生物催化剂的开发及其应用的认知。而目前，生物催化工艺学课程教学过程中主要采用的是2005年孙志浩主编的《生物催化工艺学》，显然教学内容已经不能与近10年来生物催化和酶工程所取得的突破进展相匹配，很难满足新形式下对生物催化工艺学课程教学目标和任务的要求。

图1 近20年生物催化相关论文的年发表情况统计

1.2 教学方式的推陈出新

尽管随着多媒体技术的发展，给高等教育带来了诸多便利，可以采用幻灯片和动画等多媒体形式更好的展示教学内容和教学重点。然而，生物催化和酶工程作为一门交叉和应用技术，整合了多方位和多尺度的内容。尤其是自第二次浪潮以来，以定向进化、分子改造、蛋白质工程为主导的生物催化剂进化新策略极大地促进了生物催化和酶工程的发展。然而，这些知识点的研究对象多数是具有三维立体结构的蛋白质，研究的生物催化过程也是复杂的多尺度体系。简单的通过平面的形式，很难增进学生对于相关知识点的认知，也不利于激发学生的学习兴趣和创造力。另外，传统的教学模式以教师为主体，学生处于被动灌输式学习，非常不利于应用型课程的学习和培养学生的自主能力和创新能力。

1.3 考核方式的改革创新

与理论型课程不同，生物催化工艺学属于应用型课程，更加注重的是学生了解现有生物催化工艺路线、运用所学知识解决实际问题和提出新的研究思路的能力。因此，传统的闭/开卷考试、书面作业和论文翻译等形式虽然在一定程度能完成对课程的考核，但很难让学生形成对所学知识形成系统性的了解，也就无法满足生物催化工艺学课程的培养目标，进而无法达到新工科形势下对工程型技术人才的要求。因此，课程的考核方式也需要进行一定的调整和改革创新，才能更好的适应新形式下复合型人才培养的要求。

2 新工科背景下生物催化工艺学课程的教学改革

在新工科改革的背景下，应用型课程既要注重理论知识的传授，更应该坚持以人为本的教学理念，注重培养创新能力和科学素养，让学生将微生物学相关知识与应用实践相结合，使学生从被动学习变为主动学习。为了满足新工科建设人才培养的需要，应从以下三个方面应对目前生物催化工艺学课程教学中出现的问题。

2.1 翻转课堂

与传统教学而言，翻转课堂以教师为引导者、以学生为主体设置教学环节，学生课下先通过视频等学习资料进行知识学习，在课堂上再进行知识的详细讲解。使用翻转课堂模式进行教学，以学生为教学主体，可以激发学生学习兴趣，提高学生学习的主动性和积极性，提高学习效率，并通过教师的引导进行深度学习，培养学生的创造力和创新能力。因此，我们认为翻转课堂模式适用于新工科背景下生物催化工艺学的课程教学。

近些年，互联网的飞速发展使得教学活动可以随时随地进行，国内外的许多高校也在师生中间推广各种网络教学平台，比如慕课、哔哩哔哩、网易公开课、雨课堂、超星泛雅平台等，为翻转课堂的实施提供了有力的硬件保障。生物催化工艺学是一个应用型交叉课程，涵盖生物化学、微生物学、生化工程、生物分离工程、有机化学、物理化学、化工原理等内容，通过甄选直接相关课程的相关内容，选择国内外顶级教学团队的最新教学资源，让学生在课余时间做好预习，大大提升课堂时间和效率，让学生更加积极主动地参与到教学环节中。最终，课堂上有更充足的时间，给学生深入讲解这些知识在生物催化工艺学课程中的交叉性应用，引导学生进行更加深入的思考。

2.2 微信课堂

微信是一款功能强大、使用方便的即时通信软件。适合传送主题单一、目的明确的片段化内容，随时随地可以进入微课堂，便于利用碎片化时间进行学习。从而实现线上教学和线下教学的有机结合，提高课下的自主学习效率。同时便于教师与学生进行一对一和一对多的在线辅导，在课上可以通过与微信兼容的应用程序，比如91速课、课堂派等，对学生进行考勤统计、提问和简单测试，加强课堂的互动性和学生的课堂参与度，提高学生的学习兴趣和学习主动性。同时可以向学生推荐一些具有影响力的微信公众号，有针对性的安排学生自主学习空间。利用微信作为教学辅助工具，为翻转课堂的实施可以提供更加便捷的服务。

为了满足新工科人才培养的目标，借助微信课堂辅助课堂教学和翻转课堂教学。我们将教学环节分为课前、课上和课后三个阶段。课前通过微信平台在公众号、微信群、课堂派或91速课等向学生推送学习任务和相关的教学视频、幻灯片及图文信息等学习资料供学生做好自我学习。在这一环节，可以设置简单的问题，让学生在学习过程中进行思考和回答，培养学生的自我学习能力。同时，教师可以从后台查看学生存在的问题并做好问题的收集和分析。课堂教学中，对学生自学过程中的问题进行深入的讲解和分析，引导学生讨论和发表自己的见解，将优秀的评论和见解公布在公众号或应用程序中，让学生能充分参与到教学活动中，充分调动学生的学习兴趣和求知欲，培养学生创新能力。课后教师根据前面两部分教学的情况进行梳理和总结，并进一步将课堂教学的重点和学生存在的问题制作成文本和可视化课件上传到微信平台，方便学生温故而知新。另外，教师可以将收集到的与教学内容相关的最新读物、文献、报道、图片、视频等资源，通过微信平台提供给学有余力或者感兴趣的同学进行阅读和观看，拓展知识面，了解所学知识有何应用，进一步激发学生的学习热情和兴趣。

2.3 互动评价

目前，生物催化工艺学课程的评价方式主要采用平时作业、期末考试等方式，以学生的考试卷面成绩作为考察学生对专业知识的掌握程度。在这种评价考核方式下，大多数的学生为了考取好的成绩会选择强制性背诵的方式，并且有选择地记忆教师给出的考试重点，而并不是理解记忆。这种考核方式无法真实反映学生的创新能力，也无法达到新工科对工程技术人才的要求。因此，在新工科背景下，生物催化工艺学可以在传统作业的基础上，进一步采用互动评价方式。

在课程进行到20%左右的时候，给学生一些目前研究中的热点问题，让学生自主分组并从六大中酶类中选择一个研究方向。利用课程学习期间的空余时间，进行自主的文献调研，整理出一个包括研究背景、研究意义、研究方案、主要结果和讨论、研究结论的报告，并采用幻灯片的形式在后20%课程时间里进行展示。教师对展示的过程进行提问和打分，形成课堂学习成绩。同时，为了便于学生相互之间的打分，通过微信公众号、91速课等平台将幻灯片进行展示，让更多学生参与进行互动和点评，形成互动作业成绩。课程学习的最终成绩包括考勤成绩、平时作业成绩、课堂学习成绩、互动作业成绩等。由于借助微信辅助的翻转课堂，给课堂教学争取了更充足的时间，从而可以实现对学生学习效果的综合考量和评价。

3 结 语

通过翻转课堂、微信课堂等形式的辅助教学，极大增加了课堂容量和教学效果，学生可以根据自己的时间随时随地进行学习。同时，微信成为一种学生喜欢使用的学习和交流工具，拉近了学生与教师之间的距离，也便于将一些最新的、难以在传统幻灯片中展示的教学内容在微信平台中进行展示，突破了传统教学中教学内容不能及时更新、教学方式陈旧的困难。通过将线上教学和线下教学相结合，迎合了互联网高速发展下的教学趋势，以学生为教学主体，增加学生的课堂参与度，并进一步培养学生的科学素养和创新意识。通过上述教学改革，使得生物催化工艺学可以很好地适应新工科的要求，为社会培养更多具有创新能力的专业技术人才。