面向新工科的“微生物學及實驗”課程改革與實踐

王麗麗,唐 穎,牟 英,袁文杰

(大連理工大學 生物工程學院,遼寧 大連 116024)

2017年教育部推進“新工科”建設,要求高校培養兼具工程實踐能力、創新能力和國際競爭力的高素質復合型人才。新工科建設以服務國家戰略、對接產業行業、引領未來發展為根本導向,強調從初層次的被動適應轉向高階的主動引領[1]。因此,新工科人才培養需多方合力,協同育人,構建產學融合、校企合作的多主體參與的卓越工程科技人才培養共同體[2]。

“微生物學”既是高校生物類專業學生的基礎必修課,也是一門應用性和實踐性極強的課程,其配套的“微生物學實驗”課程對學生加深理論認識、提高分析問題和解決問題的能力具有重要作用。目前,高校在本科階段開設微生物學課程的同時一般也會開設配套的實驗課程,然而常見的實驗內容較分散,且常僅限于基本的微生物學操作和驗證性實驗,內容相對枯燥,不夠新穎,不足以激起學生的學習興趣,難以提高學生的學習積極性、主動性和參與度,對新工科形勢下解決復雜工程問題的能力及創新創業能力的培養明顯不足。為加深學生對微生物學理論的認識,提高學生的科研能力和創新意識,實現從知識儲備到實踐與應用的轉換,同時訓練并提高學生查閱文獻能力、表達能力、團隊協作意識和溝通能力,大連理工大學生物工程專業以企業實際需求的科研項目為引導,踐行“學中做”與“做中學”,探討“微生物學及實驗”課程的教學新范式,為新工科要求下的高素質工程人才培養提供經驗和思考。主要的建設內容如圖1所示。

圖1 “微生物學及實驗”課程改革Fig.1 Reform of “Microbiology and microbiology experiment”

1 “理實一體化”設計

“理實一體化”教學模式即理論課和實驗課一體化設計和實施的教學模式。微生物學科源遠流長,是生命科學最早的學科門類之一,為生命科學的發展作出了不可磨滅的貢獻,當今的微生物學科仍為生命科學的前沿,驅動并輻射戰略性新興產業的發展,廣泛地應用于人民健康、工農業生產、新能源和環境保護等方面。因此,“微生物學”課程內容設計既要反映經典理論,又要緊跟學科進展,同時還要密切結合生產應用與實踐案例。對于“微生物學實驗課”內容的設計,一方面需要讓學生掌握微生物培養的技術,理解理論課中的關鍵知識點;另一方面,需要通過綜合性實驗,提高學生分析問題和解決問題的能力。因此,在設計課程內容時,對微生物學理論課和實驗課的安排重新進行了梳理和規劃,使其相輔相成。實驗課安排了3個科研項目式綜合實驗,將對學生需要掌握的知識點的教學以及對其動手操作能力和解決問題能力的培養貫穿其中,使學生能夠做到學以致用?！拔⑸飳W”與“微生物學實驗”內容對應關系如表1所示。其中實驗項目一和三為從生物工程學院教師科研項目轉化而來,項目二為企業產業化需求項目。

表1 “微生物學及實驗”主要內容

在設計課程內容時,要貫通理論與實踐、課內與課外,注重案例和實踐導向,對接社會問題、市場需求與服務,將產學研密切結合,把企業的實際案例引入課堂,引導學生就所學知識點深入思考,融會貫通,學以致用,提高解決實際復雜工程問題的能力。

2 教學模式改革

教書育人,除了要思考“教什么”,還需要思考“怎么教”。要以學生為中心,從學生的角度出發來進行教學模式改革,幫助他們學會自主學習,打破思維定式,喚醒學生的學習內驅力。

2.1 線上線下混合式教學

在互聯網時代,大學生正伴隨著網絡技術的高度發展而快速成長。思想活躍、接受新鮮事物能力強、融入時代潮流迅速是這一代人的鮮明特點。為更好地滿足學生的學習需求,“微生物學”和“微生物學實驗課”均建設了慕課,采用線上線下混合式教學。通過在慕課平臺布置學習的知識點、回答預習問題并對一些開放主觀題進行思考的方式,讓學生在課前對所學知識有所了解并進行初步思考。課上,教師摒棄對基礎知識的灌輸,開啟以學生為中心的學習模式,通過創設基于問題的探究式學習、基于案例的討論式學習形式,將知識融會貫通到解決實際生產問題中,讓學生發表自己的見解,形成在學中思考、在思考中進步的模式。

微生物學實驗是生物工程專業的基礎實驗,涉及微生物的各種無菌操作技術以及顯微鏡觀察技術等,對于實驗操作的細節要求非常嚴格。在以往的教學中,一般是實驗前教師在課上演示,強調注意事項,然而學生在獨立操作時,仍存在反復詢問或操作不規范的狀況。針對該情況,筆者錄制了每一個實驗操作細節的教學視頻,內容涉及8個基本的微生物學實驗,如圖2所示。每個視頻不超過20 min,避免因內容冗長給學生帶來觀看疲勞。實驗課前學生通過反復觀看視頻進行實驗操作預習,提前掌握正確的實驗操作方法和注意事項。任課教師通過后臺查看學生學習時長并檢查學生的預習測試結果,督促學生保質保量完成實驗預習。從實驗過程和實驗結果來看,教學改革后,學生做實驗的規范性明顯提升,操作失誤顯著減少,詢問的頻率也明顯低于往年,且實驗操作速度比往年有顯著提高,實驗報告的整體得分比前一年提高5.4%。另外,以觀看視頻和預習測試替代抄寫預習報告的方式也受到了學生好評,并切實提升了實驗效果。

圖2 “微生物學實驗”視頻課程Fig.2 Video courses of “Microbiology experiment”

2.2 將課程思政融入教學

思政課是落實立德樹人根本任務的關鍵課程,需要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中。結合課程特色的課程思政,做到了溶鹽于湯,潤物無聲。

微生物學學科的建立離不開一代代科學家們的不懈努力,作為一名生物工程人,應該知曉這些科學家的工作成果,以及他們的工作在整個學科中的地位,并且積極讓學生學習他們優秀的品質并深入思考解決問題的科研方法。因此授課教師指導學生們共同撰寫了《微生物與諾貝爾獎的故事》一書,對微生物學百年來在基礎研究和產業化領域作出卓越貢獻的科學家進行匯總,按照基礎研究、產業化、疾病與藥物的邏輯順序將他們的工作與精神展示出來,讓學生在故事中深化對基本原理的理解,提升對科學的思辨能力,對達成生物工程專業培養方案目標和學生個人成長都具有極大的幫助。通過2個學年的積累,120余名學生參與收集了豐富的科學家故事,目前已聯系出版社進行后續的排版與校對工作,爭取盡快出版發行。在大學期間能夠參與一本科普書籍的編著不僅讓學生們獲得極大的榮譽感,而且無數感人的科學家的奮斗故事又給學生帶來巨大的精神鼓舞,使他們理解生物工程人的社會責任和時代使命。

以獻禮“建校70年”“建黨100周年”為主題舉辦微生物繪畫大賽,如圖3所示。大賽不僅提高了學生無菌操作與微生物培養技術,也增強了學生愛國愛校的意識及服務社會的責任感。微生物培養皿大賽的舉辦在寓教于樂的同時培養了學生扎實的實驗動手操作能力,有獲獎的同學說自己做了幾十次實驗才取得成功,菌株的選擇、底稿的繪制、菌量的把握,以及無菌操作的嚴格要求都給創作帶來極大的挑戰,在完成創作,體會到巨大成就感的同時,其微生物無菌操作能力也得到了系統的鍛煉。在2021年中國共產黨建黨100周年之際,該比賽由學院層面發展到全校,成為一項校級賽事。選手無論是否具有專業背景,均可參與,由筆者團隊提供必要的指導以及繪畫所需的一切實驗條件,使比賽在培養本專業學生的同時也起到了宣傳學科的作用,在學校取得良好的反響,達到了德智體美勞五育并舉的目的。

圖3 微生物培養皿大賽Fig.3 Microbial petri dish competition

3 產學研融合教學

產業的快速發展引領人才的需求導向,把產業需求與教育目標相統一,推進產業與教育深度合作,精準對接行業需求和社會需求,將企業的生產和研發環節融入課程實踐,進一步提高學生的綜合素質和適應能力,以滿足行業發展的需求。理論課教學中,在講解微生物的生長繁殖及控制章節時,引入安潤生物有機肥的生產案例,向學生介紹有機肥發酵所使用的微生物菌株的篩選和肥料的生產過程,以及生物有機肥中益生菌種的添加對后續植物生長繁殖的促進作用。結合我國印發的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》,讓同學們了解到過量施肥、盲目施肥不僅增加農業生產成本、浪費資源,也造成耕地板結和土壤酸化[3]。與化肥相比,生物有機肥具有抑病菌、抗病害、增根、發苗和壯秧的作用,同時其營養全面,起到活化養分、改善土壤環境的作用。實施化肥使用量零增長行動方案,不僅是推進農業“轉方式、調結構”的重大措施,也是促進節本增效、節能減排的現實需要,對保障國家糧食安全、農產品質量安全和農業生態安全具有十分重要的意義[3]。在本章節后的開放式作業中,筆者將企業生產中遇到的問題“如何解決微生物菌肥中微生物種類的測定以及微生物數量的準確計數?”作為思考題,引導學生將所學的知識運用到實際生產中。實驗課教學中,筆者與山東京博控股集團共同開展了教育部產學合作協同育人項目,將企業在研的“聚谷氨酸高產菌株的篩選與條件優化”科研項目引入課堂。使學生了解完整的產品生產過程,針對產品生產中存在的問題,開展實驗設計、實驗驗證、結果分析討論、生產實踐和迭代優化。學生設計了聚谷氨酸高產菌株的篩選與條件優化的綜合性實驗,在實驗過程中不斷摸索培養條件,反復調整培養優化方案,找到了適合聚谷氨酸生產的高產菌株以及最優的培養基配方、溫度和pH等反應條件。在實驗的過程中學生對理論課的知識有了更深的理解,并體會到了作為一個生物工程人能給社會帶來的巨大改變以及自己的責任感和使命感。

基于項目的參與式學習方式和基于實踐的體驗式學習方式使學生在主動探究和創新實踐中實現了精神塑造、知識轉化與能力增值。

4 創新創業實踐拓展實驗教學內容

“雙創”是新工科人才培養模式下的重要教學內容。培養學生的創新思維與創業能力是人才走出高校與企業接軌的必備條件。如何讓學生運用書本上的知識進行創新并應用到創業的實踐中,是高校培養人才所面臨的新挑戰。面向新工科的產學研合作模式為生物工程專業人才的培養提供了新的途徑,對培養符合社會需要和國家發展需求的創新創業人才具有重要的意義[4-6]。

為了使學生在科學實踐中進一步鞏固和拓展“微生物學及實驗”課程的教學內容,筆者積極探索課程教學與學生創新創業等實踐項目的多維度、多層次融合:1) 在微生物實驗課的綜合設計性實驗環節中,給學生充分的自主性。教師提供可供參考的實驗內容,然而并不要求學生局限于參考題目。在教師的指導下,學生可以結合文獻資料自主選擇感興趣的實驗項目,也可以將實驗內容和自己所參與的大學生創新創業項目相結合。2) 學生在課內外對在微生物學及實驗課程中感興趣的項目進行進一步拓展研究,在教師的指導下,衍生出一些大學生創新創業實踐項目;教師在課程教學中也努力探索多種形式和渠道,以發揮學生的自主性,推動理論教學、實驗教學向創新創業實踐項目的孵化。在實驗課程結束后,對相關實踐項目進行延伸,促進課程教學與課外實踐的相互融合[7-8]。部分項目還參與了“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生生命科學創新創業大賽、遼寧省創新方法大賽、“挑戰杯”大學生課外學術作品競賽等,并取得了一定的成績。例如“大連理工大學第五食堂食品安全檢測報告”創新實踐項目就是通過“環境中微生物的檢測”的實驗課程項目孵化而成。學生根據自己的興趣,在教師指導下,利用課外時間對微生物實驗課程項目進行拓展,獲得遼寧省“挑戰杯”競賽二等獎,達到了以賽促教、以賽促學、以賽促創的目的。通過微生物學實驗課的訓練,學生們扎實地掌握了基本的實驗操作技能和科學研究方法,具備了一定的創新創業能力,近3年來參與各類競賽,并獲省部級以上獎項30余項,發表研究性論文20余篇。

5 結 論

培養新工科人才,探索產學研融合的新模式和新機制,是我國經濟發展和高等教育改革的需要。專業實驗課是鞏固學生所學課程理論知識,提高和培養學生實踐能力和創新創業能力的重要課程。通過對課程內涵的重新設計與改革,推動以成果為導向的教學培養模式,是新工科人才培養的新方向。面向新工科的產學研合作模式下的“微生物學及實驗”課程改革貫通理論與實踐、課內與課外,注重教學的問題、項目、案例和實踐導向,對接社會問題、市場需求與服務,開展工程項目設計與實踐活動,推廣實施課程思政、學科專業競賽、創新創業項目等實踐體驗教學,極大地提高了學生的積極性和主觀能動性。教學改革實施后學生的學習成績和能力有了很大的提升,學生對課程真正產生了興趣,深入理解了作為生物工程人的使命和責任,在做中學,在實踐中成長,具備了解決復雜工程問題的能力,為滿足新工科對高素質工程人才培養要求的改革提供了可借鑒的范式。