生物工程类专业实践能力培养体系的探索与实践

宫长斌，谢宁昌，贾红华

（南京工业大学生物化学工程实验教学示范中心，江苏 南京 210018）

0 引言

生物工程专业是我国重点发展的关键技术领域，是目前实现能源再生与物质加工方式转变的关键技术，也是实现可持续发展、解决资源与环境污染问题的重要基石[1]。生物工程产业也是目前传统工科领域迈向新型工科专业，实现人才培养中改革、变化和发展的重要领域，是新型工业化的重要组成部分。必将成为重要的行业领域，生物工程产业的发展迫切需要建设高素质工程应用技术人才的培养平台[2-3]。

南京工业大学依托已有的生物工程实验教学示范中心，生物工程、制药工程等国家级一流专业，材料化学工程国家重点实验室等学科基地，构建了学科特色鲜明、产学研互动的实验教学模式。同时将科研成果的部分内容融入教学、保持实验教学内容和实验装置的先进性；通过鼓励学生积极参加科学研究，激发学生了解本专业前言内容学习新知识的热情[4]。生物工程实验教学示范中心逐步建成了以基础实验和专业实验为根基、创新性和探究性实验为提升的实验教学体系，建设成面向新工科的生物工程现代化高素质技术人才培养的实践教学平台。

1 实践教学改革思路

1.1 加强投入，提高硬件设施

由于生物工程技术相关学科因社会需求扩大近年来飞速发展，生物工程实验操作方式及其设备自动化更新迅速，加上生物工程技术相关企业因安全和卫生的原因，导致学生进入企业实践的机会不断缩减[5]。而培养学生的实践动手能力又必须以生物工程技术的实践作为基础，所以加强对学生基本实验技能、实践能力、创新能力的培养和综合性工程训练，必须构建适合生物工程及其相关专业的不同层次的工程实践教学平台[6]。南京工业大学生物与制药工程学院首先要根据学科发展的要求，在原有的科研设备基础设施上加大资金投入，改进成为适合本科生实训的生物工程实训中心，使其成为国内一流的生物工程领域高层次工程人才的培养与实训基地。

1.2 实行教学与科研互动，将科研成果融入实验教学内容

在专业建设中，通过教学内容的调整优化，将基础实验融入综合性实验和研究性实验中是夯实实验教学内容的重要方式。将科研成果融入教学则是提高教学水平，调动学生积极性的重要方式。在教学改革中配套编写涵盖新生物技术和工程实践内容的高水平实验教材体系，构成以国家规划的教材为龙头、自编教材为补充，电子教材和网络资源为辅助的完整实验教材体系，使得实验教学内容和理论教学内容既相互衔接，具有鲜明的新工科特色，形成基础实验与创新实验结合、虚拟仿真实验与实际操作实验互为补充，综合性实验和创新性实验共同提优的实验教学模式。

1.3 打造综合性实验和探究性实验的教学平台

进一步依托化学工程与技术一级国家重点学科、材料化学工程国家重点实验室和国家生化工程技术研究中心等学科基地，引领学生申请大学生根据兴趣爱好等申请创新实验，积极参与国内外生物化工类竞赛等活动，打造国内一流、强化实践动手能力的综合性实验和探究性实验的教学平台，形成基础实验、专业实验、工程实训平台、综合性和探究性实验的“递进式、工程化、创新型”的实验教学体系。

2 实验教学改革方案

2.1 教学方法改革

实验教学课程规划采用了从基础实验、专业实验、工程实训到创新性与探索性实验的递进式教学方法，通过培养学生的基础实验操作能力与专业实验操作能力，辅助利用材料化学工程国家重点实验室和生物工程、制药工程等国家级一流专业的科研实验条件，让学生尽早接触本学科科研实践的前沿技术或选择性参加一些科研课题讨论，加深对基础知识的认识和巩固，也提高了学生的积极性。实验内容调整并增加了科学探究性的实验教学的比例，在各实验课程中分别设置了多个综合性和设计性实验，增加本学科最新技术。不仅优化了教学资源，减少了重复开设实验内容，而且更加重要的是增加了学生动手操作的机会，激发了学生的实验兴趣；创新性与探究性实验教学则拓宽了实验教学的内容和模式，激发了学生学习的热情。实验教学时间上采用自助申请实验教室和实验时间的模式，给学生更多的自主学习空间，实验教学中心各实验室在课外时间或假期向学生开放，学生可利用开放实验室完成选修实验、创新实验、假期科研训练等；南京工业大学生化工程实验教学中心不仅对本校学生开放，还对其他高校学生实行开放共享。

先进的教学手段是贯彻先进教学理念、实施先进教学方法的有力保障。随着江苏省教育厅和南京工业大学在实验教学经费的投入不断加大，生化工程实验教学中心在硬件设施、教材等软件设施建设等方面都有显著提高，很多教学方式、方法和实验技术都处于国内实验教学的领先水平。目前实验教学均采用多媒体形式授课，利用丰富的实验教学图片、实验原理讲解视频，操作视屏、多媒体课件、多媒体软件、教学参考光盘等进行实验教学，通过图文并茂的视频和音频等媒体信息，调动学生注意力，引导学生学习，增加了教学信息量的同时，提高了教学效果。

2.2 夯实基础实验教学，促进设计性、综合性实验的优化组合

保留并改造基本实验教学内容，在设计性、综合性实验中将相关技术优化组合利用生物工程专业实验、分子生物学实验等相关基础专业实验课程，使学生接受生物工程基本实验技术的培训，为后续综合性实验和科学研究打下坚实的专业基础[7-8]。在探究性、综合性实验课程中将关基础专业实验技术和最新实验技术进行有机整合，做到最大限度地优化资源。如微生物学的探究性实验中，以特定性能的微生物筛选为目标，将微生物的分离、形态观察、培养和保藏等单一实验操作单元和16SRNA微生物菌种鉴定、定向克隆分子育种等技术，按其内在联系组合为综合性实验，既使学生得到了多种基本实验技术的训练又学习了最新的科研技术，更重要的是学生在掌握基本技术的同时，培养学生对基本技术和方法综合运用的能力。

图1 国家级精品课程生物分离工程

图2 苯丙氨酸发酵虚拟仿真实验

2.3 信息化平台建设

经过多年建设，生化实验教学中心目前拥有国内先进的苯丙氨酸发酵仿真实验、丙氨酸与天冬氨酸分离仿真实验和大型分析仪器模拟实验室等国家级、省级虚拟仿真实验课程和实验室。加上自助选择的开放式实验教学模式，让学生得以在课余时间，充分利用实验室开放实验的机会，有针对性地对课上一些重要实验技术或尚未完全掌握的实验技术进行反复练习。仿真模拟实验教学主要是在计算机系统中运用仿真模拟软件，对典型青霉素发酵过程、合成氨制备和氯碱工业过程等进行模拟操作，完成各种预定的实验项目。由于不受时空因素的制约，学生在预习、复习或拓展训练方面比实际操作有更大的优越性，充分调动了学生学习的兴趣，培养了学生的创造力，锻炼了学生的想象力[9-11]。

2.4 将先进的科研成果和相应的最新实验技术引入实验教学

利用学科科研作为支撑，把生物工程等学科前沿的科技成果中的部分先进实验技术改造后加入实验课程中，如获得国家科技进步一等奖的生物分离工程技术的分离耦合技术和新材料研发的生物膜分离技术（国家科技进步二等奖）等科研成果转化为生物分离工程实验的内容、将新型生物反应器应用到微生物学实验教学中，使学生通过参与实验教学就有机会接触到先进生物工程技术的熏陶，加深对生命科学领域的新技术和新方法的认识，激发学生今后从事科研工作的兴趣。学科前沿科技成果的转化使实验教学内容与科研、工程应用项目密切联系，即体现了基础与前沿、经典与现代的有机结合，也促进了实验教学内容不断更新，有利于启迪学生的创新性思维，培养学生创新能力，为学生科研工作开展奠定基础。同时，通过资金扶持与推广，将优秀的科研成果中的装备转化为实验教学内容和实验教学装置，增加自行设计实验装备的研制，如新型生物反应器、生物分离装置和膜分离装置等，使实验教学与科学研究互动，促进实验教学内容不断更新，实验装备水平迈向现代化。

2.5 基于真实情境、虚实结合的实训教学体系

生物工程本科人才培养的短板在于解决复杂工程问题能力的培养，传统人才培养模式主要以课堂教学为主[12]，涉及工程能力的教学环节一般安排在认识实习及生产实习，然而，这种前往企业的学习往往是走马观花、流于形式，学生很难获得系统的工程训练，工程思维及解决实际工程问题的能力薄弱，用人单位多次反馈要强化学生的工程训练。工程实训构建了“从实到虚、从虚返实、虚实互补”的教学体系，共由七个教学模块组成：

图3 真实情境、虚实结合的生物工程实训中心

（1）理论讲授：由具有产业经验的专业教授讲解工业发酵原理、装备、过程以及控制；

（2）工厂及安全教育：由高级工程师讲授，学生考核通过后方可进入实训车间；

（3）设备及工艺认知：由高级工程师带队浏览厂区，并对所有设备进行讲解，包括设备的功能、操作要点、潜在的安全风险及环境影响；

（4）虚拟仿真训练：虚拟系统包括实训预习、工业发酵灭菌、种子培养、连续发酵控制、产品分离等内容，采用浸入式、情景式、互动式的虚拟学习方式；

（5）自由探究学习：学生通过手机端或电脑端的虚拟仿真系统自主学习，同时在实训基地各个车间自由观摩，指导教师现场答疑，通过这种虚实结合的探究式学习，激发学生的工程思维；

（6）实操训练及考核：在虚拟仿真系统考核通过以后进入实操学习，指导教师现场示范，并设置50个考核点；

（7）设计训练：完成厂区设计、工艺流程图及关键设备图绘制。

3 教学改革成效

3.1 科研成果融入实验教学，提升了实验教学水平

依托国家级实验教学示范中心，国家重点实验室等平台的建设成果，积极将科研课题转化为实验教学内容，保持实验教学内容的先进性，使学生获得科技前沿知识的传授，接受最新科技成果的熏陶和培养。通过引进、消化吸收国内外先进装备技术、自主设计和制造了生物工程新装备建立了先进的实验教学装置研发生产基地，开发了具有知识产权的“生物反应器”“化学工程”“化工原理”和“环境工程”等4个系列35种型号的教学设备，品质精良、功能齐全、操作方便、测控先进。人才培养水平得到了显著提升。

3.2 构建了递进式的实验教学体系和“集约、集成、开放”的运行模式

通过理顺实验教学管理体制、提高资源共享程度、改革实验教学指导思想、实验教学体系、教学内容和教学模式等方式为学生提供了更多、更好的发展自身综合素质和创新能力的机会，使中心实验教学水平得到迅速提高，实验教学效果日益凸现。所开展的实验教学改革工作经过实践，得到了学生的支持、教师的赞同及教学管理人员的认可。

3.3 建成了全国一流的生物工程实训平台

目前已经建成占地约2000 m2的校内实训基地，累计投入2600万元，设置发酵车间、提取车间、中控车间、公用工程以及污水处置等多个功能区，以L-苯丙氨酸的工业尺度连续发酵为工艺主线，配置了完备的发酵生产以及后提取设备，工业发酵能力15 m3。基地每年可以为超过2000人提供工程训练服务。通过实训，可以培养学生工业灭菌、发酵过程控制、产品分离精制等工程能力，帮助学生建立工程化概念，增强学生的环境、安全意识，提升学生的综合职业素养。

4 结语

南京工业大学生物工程实验教学中心坚持以人为本，把知识传授、能力培养和素质提高贯穿于实验教学的全过程。通过教学改革，在教学体系、管理体制、运行模式等方面建立了以生物工程为主线，递进式的实验教学体系和“集成、集约、开放”的运行模式，科研成果不断融入教学，实验教学水平得到全面提升，同时为全国20多所高校、科研院所提供了实验装备和技术，取得了丰硕的成果，辐射作用显著，为国家和社会培养了一大批优秀的生物工程人才。