案例教学法在《生物反应器与分离工程》中的探索与实践

徐尧 杨尧 张建鹏 卢小玲

《生物反应器与分离工程》是生物技术本科四年制专业的专业必修课程，是于2018 年《生物技术本科人才培养方案》修订中，由原先的专业必修课程《生物制药设备与分离纯化》和《生物反应器与发酵工程》通过整合修改而成；该课程对原先课程进行了浓缩提炼，从上游如何对微生物菌种进行选育，到如何选择特定的反应器进行规模发酵以并优化发酵条件，最后到下游利用分离纯化工艺以获得目标产物这一系列连贯的工艺过程为课程主线，并在支线中展开各知识点，更加细化地由主线引入到支线进行有针对性的讲解，从而构成了这门全新的专业课程[1-3]。这门全新的课程，是集理论性、实践性和应用性于一身的课程，如何让学员在有限的学时中掌握课程的基本内容，提高学员分析和解决问题的能力就显得十分重要。目前，很多高校在对有关发酵工程相关教学时，大多数依旧采用较为传统的、单一式的系统讲解来传授知识，这种“填鸭式”的教学手段忽视了学员学习的主观能动性、好奇心与创造能力。随着互联网资源的日益丰富与多样化，案例教学法的出现能有效地解决这个难题。海军军医大学隶属于海军，为了在实际教学中更进一步提高教学质量并突出海洋军事特色，课程组成员对该课程进行了新的改革，在混合式教学模式[4-5]的基础上，结合了案例教学法的教学手段，并在课程构建中引入了用战争实例，让课堂更贴近于战场，调动学员的积极性，围绕实战搞教学，着眼打赢育人才。

1 案例教学法

1.1 案例教学法的内容及其特点

案例教学法是一种新型的开放式、互动式教学方式，起源于20 世纪20 年代，由美国哈佛商学院所倡导，是把学员带入真实情境以提高课堂参与度和学习主观能动性的一种独特的教学手段[6-7]。一般来讲，案例教学是根据大纲要求，针对特定的授课对象及教学内容，事先经过周密的策划与准备，精心挑选设计案例，组织引导学员展开讨论并形成反复的互动与交流，并提出与解决问题的过程。结合一定的理论知识，通过观点的碰撞以达到启迪思维和启示理论的重要目的，再结合教员的点评，加深学员对知识的理解与认知[8-9]。在实际教学中，所使用的案例不能是为了阐明特定道理而专门编造出来的，而是要基于事实改编而成。

案例教学法能培养学员独立思考并解决问题的能力，这有别于传统教学中让学员死读书本知识却忽视了培养实际应用的能力，这对其自身发展将产生巨大障碍。而案例教学法正是为此而产生、发展的，其引导学员注重自身能力而非知识点本身，强调教员与学员间的双向交流，有别于传统评价教学效果只能用期末测试的分数评价，案例教学在授课期间就能检验学习效果。在案例教学的模式中，学员可以通过查阅文献资料，加深对案例的消化与理解，再经过缜密思考提出问题的解决方案，在无形中增加学习的主动性[10-12]。与此同时，教员也可根据学员的疑问对案例补充新的知识点，从而能丰富案例教学的内容。

1.2 将案例教学法融入军校教学，贴近实战

军队院校是因打仗而生、为打仗而建，必须围绕着实战搞教学、着眼打赢育人才。在这一过程中，教学方法又是重中之重，如何能让学员更好地学习到知识至关重要[13-14]。

课程开篇引入青霉素在战场上发挥重要作用的案例，以战场的紧张环境加深学员学习兴趣，而后以青霉素的发展史为切入点，通过逐步引导联系回本次课重点内容，以微生物菌种的培养开始层层展开，循序渐进地教学，以此来启发并加深学员对课程内容的理解。

2 案例教学在生物反应器与分离工程课程中的实际应用

合适的案例是保证案例教学法能顺利开展的前提条件，对于实现教学目标也十分重要。其应要与教学内容密切相关且能够帮助学员准确地理解抽象的概念和理论，进而加深对知识的理解。同时案例要能够被充分地展开，能给予学员足够的思考和讨论的空间[15]，培养学员对知识运用的能力。

2.1 课前准备

对于绝大多数学员而言，案例教学是一种全新的教学方法，为保证课程的顺利开展，教员应提前告知学员具体的实施计划，通过教员展示案例和学员的探讨总结来实现。鉴于军校学员课余自主活动时间较少，教员应提前1 周下发实施计划，以保证学员悉知流程。同时教员更应当督促学员做好预习的工作，并提前安排好分组，便于学员之间相互交流，确保每名学员都参与其中。

2.2 案例的设计与选择

2.2.1 案例简介

（1）二战时的伟大发明—青霉素：1928 年至之后的10 年间，弗洛里和钱恩团队发现了对多种致命细菌有致命杀伤力的青霉素，并在默克等多家制药企业以及军方的支持下，克服了重重瓶颈，经数万次实验后，通过改良发酵菌种、突变及改变培养条件等多种方式，最终实现量产后便投入到二战战场中[16]。青霉素药物的横空出世治愈了无数受伤感染的伤员，在挽救无数生命的同时也迅速扭转了盟军的不利战局，战后更是以“救命药”而闻名天下。1945 年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖[17]。

（2）青霉素在新中国实现自主生产：志愿军入朝作战时，因西方对中国实行贸易禁运，致使当时急需的青霉素药物的重要原料无法得到保障，实现自主生产青霉素迫在眉睫。在实验了无数种材料后，张为申成功分别在棉籽饼粉和玉米中找到了可以代替玉米原浆和乳酸的原料，极大降低了青霉素药物的成本，产量也得到飞速增长。

2.2.2 问题的设计

围绕2.2.1 中青霉素的案例，从菌种选育、发酵条件选择、反应器形式以及分离纯化方式，设计一些与课程相关的问题。

（1）结合我国青霉素的发展史，简述发酵工程的主线内容。

（2）结合案例中高产菌种黄绿霉菌的发现，微生物菌种选取的原则是什么？有哪些重要的指标？

（3）结合基因工程相关知识，有哪些方式可使微生物菌种发生诱变？并简述其原理。

（4）生物反应器的基本形式有哪些？应对不同发酵情况应如何混合使用？并列举不少于2 个实例。

（5）查阅文献资料，简述化合物分离纯化的方式有哪些？应采取何种方式分离青霉素？

（6）列举生物反应器与分离工程与生活息息相关的实例，每组不少于2 个。

2.3 具体课堂实施形式

2.3.1 案例的展示与引入

教员引入2.2.1 中的案例，此案例可作为主线贯穿整个课程，并可针对不同章节进行展开。例如在“微生物菌种的种子制备与扩大培养”中，可深入案例中发现高产菌株——产黄青霉，加以“射线照射实现诱变从而提高产量”的例子，进而提出2.2.2（3），从而可以引出CRISPR/CAS9 的知识点并加以展开。教员作为引导者，引领学员思考，激发学员进行思想上的碰撞。同时学员也会向教员提出疑问，共同思考寻求答案，教学相长[18]。

2.3.2 小组探讨环节

划分研究小组，明确研究问题、重点和要求，细致分析案例，广泛发动思考，使案例教学优势最大化。以2.2.2（1）为例，学员可先分别对发酵工程的上、中、下游技术进行调研，再进行汇总和修缮，而后可针对菌种选育和发酵条件选择提出2.2.2（2）（3），循序渐进地提问，逐步引出课程的重点内容。每名学员因知识的储备不同，思考问题的角度方式也不同，在思想的碰撞中取长补短，在交流分析中完成解答。学员不仅作为知识的学习者，也作为知识的传授者，加深了对案例的认识与研究度。

2.3.3 教员与学员交流环节

教员与学员的交流探讨，对于整个案例教学有着非常重要的意义，决定了案例教学的成效。在学员代表阐述完发酵主线过程中三个技术阶段后，教员对其内容进行纠错与补充，填补学员的知识漏洞，例如在讲授分离纯化工艺中的色谱分离技术时，可引入本节的重点，也是实验中最常用的高效液相色谱技术。而后针对不同阶段内容，分别对2.2.2（2）（3）进行点评与讲解。在此环节中，学员是交流的核心，教员扮演引导者的角色，其主要职责是完成好本次案例的开头，维护好交流过程中的秩序，激励学员自主思考，激发交流的积极性，防止在探讨过程中发生冷场与僵局。

2.3.4 教员归纳综合点评环节

互动环节完成后，教员需要针对案例进行归纳概括，并对上述循序渐进的问题进行总结，把学员的关注点拉回至课堂，通过弥补性、加强性的讲解，有助于学员深入了解并把握基础性原理和方法。同时还要注重实践，通过讲解2.2.2（6），针对重点联系实际，例如在经历选育与分离后，青霉素可以成药并用于治疗各种疾病等，实现从理论联系实践，实践深化理论的过程。如何把理论应用到实践中，再通过实践反作用于理论，正是本门课程的教学目的。

2.3.5 加入课程思政

授课需注重课程思政，将思想政治教育融入课程，培养学员的奋斗精神[19-20]。例如在讲授攻克青霉素量产瓶颈这一漫长且复杂的过程时，可以教育学员对科研这个漫长且需要耗费大量精力和时间的过程，需要像诺贝尔奖得主们学习，勤奋并耐心，才能有机会取得成就，造福社会。同时引入我国实现自主量产青霉素的例子，敦促学子要发扬老一辈革命家自强不息的精神，要有迎难而上的勇气和势如破竹的气势，不应被困难折服，而应去冲破困难、解决困难，更要督促军校学子要有铁一般的信仰和铁一般的担当，努力发扬红色精神，为党和国家人民贡献出自己的一份力。

3 案例教学效果评价

在课程结束后，以调查问卷和期末考试成绩分析两种形式来评价案例教学法的授课效果，以下是具体实施过程。

3.1 问卷调查

2022 年1 月7 日—2022 年1 月14 日，向本校2018级生物技术专业24 名学员发放了《关于对生物反应器与分离工程课程案例教学法实践的调查问卷》。调查问卷共设置了28 个问题，包括以下3 个方面内容：对教员案例教学法的实施情况（10 题）；对案例教学法的满意度（5 题）；采用案例教学法对自身学习能力提升情况及建议（13 题）。截至2022 年1 月18 日，累计收回问卷24 份。问卷结合学员对案例教学法的学习情况，主要从对该授课模式的满意度、适应度和提升学习效果等方面着重分析。

3.1.1 满意度调查

结果显示，87.5%（21 名）的学员对这种教学方法表示满意和喜欢，12.5%（3 名）的学员认为一般。从学员喜欢这种教学方法的原因来看，90.5%（19 名）的学员认为案例分析有助于对理论知识的理解，是一种新颖的方式；76.5%（16 名）的学员认为通过案例教学可以掌握更多知识，且所掌握的知识点记忆比较长久；71.5%（15名）的学员认为采用案例教学的课堂氛围活跃，激发了学习兴趣。从调查结果来看，学员对案例法教学实施的整体满意度较高，乐于接受这种教学手段。对于不喜欢的原因，主要在于理论和实际联系地不够紧密，案例教学占课程比重偏少。为此，教员需加强对案例教学理论和实际联系，寻找更多合适且生动的案例穿插于教学过程中。

3.1.2 适应度调查

案例教学法有别于传统单一、系统的教学手段，学员对于这种新的教学手段能否较好地适应，直接影响教学的成效。从学员的反馈情况看：91.7%（22 名）的学员能按照教员要求，在课前熟悉案例，完成相关问题的初步调研；100%（24 名）的学员认为课前学习任务目标明确，布置清晰；在授课阶段，79.2%（19 名）的学员能紧跟教员思路，有良好的交互；25.0%（6 名）的学员对于教员布置的任务会产生新的见解，能与教员共同探讨。从总体适应角度来看，83.3%（20 名）的学员认为适应，16.7%（4 名）的学员认为一般，无不适应的学员。

3.1.3 提升学习效果的调查

有别于传统教学模式，案例教学法能培养学员独立思考问题的能力，增加学员学习的主观能动性。结果表明，70.8%（17 名）的学员认为案例教学法有利于提高逻辑思维能力，对自身有启发性；62.5%（15 名）的学员认为案例教学法能开发自身的思维能力、提高判断力、决策能力和提高综合素质。但还存在一些地方有待提升。50.0%（12 名）的学员认为案例教学所占课程的比重可以提升；41.7%（10 名）的学员认为可以引用更多的案例来进行教学。

3.1.4 学员期末测试成绩分析

对比分析案例教学班（生物技术2018 级学员共24名）与传统教学班（生物技术2016 级、2017 级学员共22 名）的期末测试成绩，其平时成绩（占总评50%）分别为（83.38±6.40）分和（78.50±5.89）分，考试成绩（占总评50%）分别为（84.33±6.90）分和（80.25±6.40）分，总评成绩分别为（83.85±5.92）分和（79.38±6.09）分，差异有统计学意义（t=2.689，P=0.012；t=2.079，P=0.048；t=2.522，P=0.017）（注：平时成绩=课堂成绩+实验课成绩+课后作业成绩；考试成绩=期末考试分数；平时/考试/总评成绩）。

分析可知，案例教学班的平时成绩和考试成绩对比传统教学班均有明显提高，说明运用案例教学法可以使学员对知识点的把握更加牢固，并且拥有更高的课堂参与度，能有效提升学习效率，但其标准差更大，表明学员之间的成绩水平有波动。总体来看，案例教学法能切实有效地提高教学效果。

3.2 课后总结与反思

案例教学完成后，结合下发的问卷调查及时做好教学总结及反思工作。结合实际课堂效果及调查问卷和期末考试成绩情况，评判选取的案例是否达到预期效果，是否能被大多数学员接受并引发共鸣，激发思考。在这门重理论却又离不开实践的课程中，引入鲜活、生动形象的案例，将对于课程的理解和理论与实际的有机联系有很大的帮助。

4 总结与展望

现阶段，虽然案例教学法在国内已经得到了一定的传播，但对于本门课程的应用实例还非常少，很少有能直接拿来套用的案例，可制作的知识点也比较少，往往需要花费大量精力才能完善一个案例的教学，这也是案例教学法在推广使用过程中需要解决的一大难题。因本门课程包含了许多复杂难懂的概念性知识以及各种逻辑推导公式，很容易使学员学习的主动性与兴趣下降。针对这种问题，笔者将案例教学法引入传统讲授式课堂，结合本校海洋军事特色，将案例更偏向于实战，增加了学员的学习热情与交流互动的意愿，使学习的主观能动性大幅提升，这更利于学员综合素质的培养。本文以青霉素在二战战场上救助无数生命为引，带领学员学习了青霉素从无到有再到实现量产，以及国内如何进行发酵过程的优化等内容，后续结合本门课上中下游技术三个核心内容，更细化地进行了展开。针对每一章节的内容，引入更多鲜活的案例，例如在微生物育种的教学中，引入近些年较火的CRISPR/CAS9 技术，激发学员兴趣并深化对课堂知识的理解与掌握，带领学员探索最新科技知识的前沿。通过案例教学与传统教学的比较，发现虽然案例教学有着独到的优势，但也存在诸多问题，如案例资源较为匮乏、案例与课堂联系不够紧密等，所以如何更合理地进行案例设计，使之与教学内容、与学员更贴近是迫切需要解决的问题。同时作为军队院校，如何更加凸显军事医学特色，如何更多、更好地引入军事案例也是一个值得思考研究的问题。希望在之后对生物反应器与分离工程的教学实践中，能更好地完善并推进案例教学的发展。