宮長斌，謝寧昌，賈紅華

（南京工業(yè)大學(xué)生物化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 南京 210018）

0 引言

生物工程專業(yè)是我國重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，是目前實(shí)現(xiàn)能源再生與物質(zhì)加工方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、解決資源與環(huán)境污染問題的重要基石[1]。生物工程產(chǎn)業(yè)也是目前傳統(tǒng)工科領(lǐng)域邁向新型工科專業(yè)，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)中改革、變化和發(fā)展的重要領(lǐng)域，是新型工業(yè)化的重要組成部分。必將成為重要的行業(yè)領(lǐng)域，生物工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迫切需要建設(shè)高素質(zhì)工程應(yīng)用技術(shù)人才的培養(yǎng)平臺(tái)[2-3]。

南京工業(yè)大學(xué)依托已有的生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，生物工程、制藥工程等國家級(jí)一流專業(yè)，材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等學(xué)科基地，構(gòu)建了學(xué)科特色鮮明、產(chǎn)學(xué)研互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。同時(shí)將科研成果的部分內(nèi)容融入教學(xué)、保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)裝置的先進(jìn)性；通過鼓勵(lì)學(xué)生積極參加科學(xué)研究，激發(fā)學(xué)生了解本專業(yè)前言內(nèi)容學(xué)習(xí)新知識(shí)的熱情[4]。生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心逐步建成了以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)為根基、創(chuàng)新性和探究性實(shí)驗(yàn)為提升的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建設(shè)成面向新工科的生物工程現(xiàn)代化高素質(zhì)技術(shù)人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

1 實(shí)踐教學(xué)改革思路

1.1 加強(qiáng)投入，提高硬件設(shè)施

由于生物工程技術(shù)相關(guān)學(xué)科因社會(huì)需求擴(kuò)大近年來飛速發(fā)展，生物工程實(shí)驗(yàn)操作方式及其設(shè)備自動(dòng)化更新迅速，加上生物工程技術(shù)相關(guān)企業(yè)因安全和衛(wèi)生的原因，導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入企業(yè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)不斷縮減[5]。而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力又必須以生物工程技術(shù)的實(shí)踐作為基礎(chǔ)，所以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合性工程訓(xùn)練，必須構(gòu)建適合生物工程及其相關(guān)專業(yè)的不同層次的工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[6]。南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院首先要根據(jù)學(xué)科發(fā)展的要求，在原有的科研設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施上加大資金投入，改進(jìn)成為適合本科生實(shí)訓(xùn)的生物工程實(shí)訓(xùn)中心，使其成為國內(nèi)一流的生物工程領(lǐng)域高層次工程人才的培養(yǎng)與實(shí)訓(xùn)基地。

1.2 實(shí)行教學(xué)與科研互動(dòng)，將科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在專業(yè)建設(shè)中，通過教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整優(yōu)化，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)融入綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)中是夯實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重要方式。將科研成果融入教學(xué)則是提高教學(xué)水平，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性的重要方式。在教學(xué)改革中配套編寫涵蓋新生物技術(shù)和工程實(shí)踐內(nèi)容的高水平實(shí)驗(yàn)教材體系，構(gòu)成以國家規(guī)劃的教材為龍頭、自編教材為補(bǔ)充，電子教材和網(wǎng)絡(luò)資源為輔助的完整實(shí)驗(yàn)教材體系，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和理論教學(xué)內(nèi)容既相互銜接，具有鮮明的新工科特色，形成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)結(jié)合、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)互為補(bǔ)充，綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)共同提優(yōu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1.3 打造綜合性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)

進(jìn)一步依托化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)國家重點(diǎn)學(xué)科、材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家生化工程技術(shù)研究中心等學(xué)科基地，引領(lǐng)學(xué)生申請(qǐng)大學(xué)生根據(jù)興趣愛好等申請(qǐng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，積極參與國內(nèi)外生物化工類競賽等活動(dòng)，打造國內(nèi)一流、強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力的綜合性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)，形成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、綜合性和探究性實(shí)驗(yàn)的“遞進(jìn)式、工程化、創(chuàng)新型”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

2.1 教學(xué)方法改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程規(guī)劃采用了從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)訓(xùn)到創(chuàng)新性與探索性實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)式教學(xué)方法，通過培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作能力與專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作能力，輔助利用材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和生物工程、制藥工程等國家級(jí)一流專業(yè)的科研實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生盡早接觸本學(xué)科科研實(shí)踐的前沿技術(shù)或選擇性參加一些科研課題討論，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和鞏固，也提高了學(xué)生的積極性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整并增加了科學(xué)探究性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比例，在各實(shí)驗(yàn)課程中分別設(shè)置了多個(gè)綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增加本學(xué)科最新技術(shù)。不僅優(yōu)化了教學(xué)資源，減少了重復(fù)開設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且更加重要的是增加了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣；創(chuàng)新性與探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)則拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間上采用自助申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教室和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的模式，給學(xué)生更多的自主學(xué)習(xí)空間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心各實(shí)驗(yàn)室在課外時(shí)間或假期向?qū)W生開放，學(xué)生可利用開放實(shí)驗(yàn)室完成選修實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、假期科研訓(xùn)練等；南京工業(yè)大學(xué)生化工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不僅對(duì)本校學(xué)生開放，還對(duì)其他高校學(xué)生實(shí)行開放共享。

先進(jìn)的教學(xué)手段是貫徹先進(jìn)教學(xué)理念、實(shí)施先進(jìn)教學(xué)方法的有力保障。隨著江蘇省教育廳和南京工業(yè)大學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入不斷加大，生化工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在硬件設(shè)施、教材等軟件設(shè)施建設(shè)等方面都有顯著提高，很多教學(xué)方式、方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)都處于國內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的領(lǐng)先水平。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)均采用多媒體形式授課，利用豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)圖片、實(shí)驗(yàn)原理講解視頻，操作視屏、多媒體課件、多媒體軟件、教學(xué)參考光盤等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過圖文并茂的視頻和音頻等媒體信息，調(diào)動(dòng)學(xué)生注意力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，增加了教學(xué)信息量的同時(shí)，提高了教學(xué)效果。

2.2 夯實(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化組合

保留并改造基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)中將相關(guān)技術(shù)優(yōu)化組合利用生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)基礎(chǔ)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生接受生物工程基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)的培訓(xùn)，為后續(xù)綜合性實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)[7-8]。在探究性、綜合性實(shí)驗(yàn)課程中將關(guān)基礎(chǔ)專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和最新實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，做到最大限度地優(yōu)化資源。如微生物學(xué)的探究性實(shí)驗(yàn)中，以特定性能的微生物篩選為目標(biāo)，將微生物的分離、形態(tài)觀察、培養(yǎng)和保藏等單一實(shí)驗(yàn)操作單元和16SRNA微生物菌種鑒定、定向克隆分子育種等技術(shù)，按其內(nèi)在聯(lián)系組合為綜合性實(shí)驗(yàn)，既使學(xué)生得到了多種基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)的訓(xùn)練又學(xué)習(xí)了最新的科研技術(shù)，更重要的是學(xué)生在掌握基本技術(shù)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本技術(shù)和方法綜合運(yùn)用的能力。

圖1 國家級(jí)精品課程生物分離工程

圖2 苯丙氨酸發(fā)酵虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.3 信息化平臺(tái)建設(shè)

經(jīng)過多年建設(shè)，生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心目前擁有國內(nèi)先進(jìn)的苯丙氨酸發(fā)酵仿真實(shí)驗(yàn)、丙氨酸與天冬氨酸分離仿真實(shí)驗(yàn)和大型分析儀器模擬實(shí)驗(yàn)室等國家級(jí)、省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)室。加上自助選擇的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)生得以在課余時(shí)間，充分利用實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，有針對(duì)性地對(duì)課上一些重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)或尚未完全掌握的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)用仿真模擬軟件，對(duì)典型青霉素發(fā)酵過程、合成氨制備和氯堿工業(yè)過程等進(jìn)行模擬操作，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于不受時(shí)空因素的制約，學(xué)生在預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)或拓展訓(xùn)練方面比實(shí)際操作有更大的優(yōu)越性，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力，鍛煉了學(xué)生的想象力[9-11]。

2.4 將先進(jìn)的科研成果和相應(yīng)的最新實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用學(xué)科科研作為支撐，把生物工程等學(xué)科前沿的科技成果中的部分先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改造后加入實(shí)驗(yàn)課程中，如獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的生物分離工程技術(shù)的分離耦合技術(shù)和新材料研發(fā)的生物膜分離技術(shù)（國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)）等科研成果轉(zhuǎn)化為生物分離工程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、將新型生物反應(yīng)器應(yīng)用到微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生通過參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)就有機(jī)會(huì)接觸到先進(jìn)生物工程技術(shù)的熏陶，加深對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生今后從事科研工作的興趣。學(xué)科前沿科技成果的轉(zhuǎn)化使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程應(yīng)用項(xiàng)目密切聯(lián)系，即體現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的有機(jī)結(jié)合，也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不斷更新，有利于啟迪學(xué)生的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，為學(xué)生科研工作開展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，通過資金扶持與推廣，將優(yōu)秀的科研成果中的裝備轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，增加自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝備的研制，如新型生物反應(yīng)器、生物分離裝置和膜分離裝置等，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究互動(dòng)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不斷更新，實(shí)驗(yàn)裝備水平邁向現(xiàn)代化。

2.5 基于真實(shí)情境、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系

生物工程本科人才培養(yǎng)的短板在于解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式主要以課堂教學(xué)為主[12]，涉及工程能力的教學(xué)環(huán)節(jié)一般安排在認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)，然而，這種前往企業(yè)的學(xué)習(xí)往往是走馬觀花、流于形式，學(xué)生很難獲得系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，工程思維及解決實(shí)際工程問題的能力薄弱，用人單位多次反饋要強(qiáng)化學(xué)生的工程訓(xùn)練。工程實(shí)訓(xùn)構(gòu)建了“從實(shí)到虛、從虛返實(shí)、虛實(shí)互補(bǔ)”的教學(xué)體系，共由七個(gè)教學(xué)模塊組成：

圖3 真實(shí)情境、虛實(shí)結(jié)合的生物工程實(shí)訓(xùn)中心

（1）理論講授：由具有產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)教授講解工業(yè)發(fā)酵原理、裝備、過程以及控制；

（2）工廠及安全教育：由高級(jí)工程師講授，學(xué)生考核通過后方可進(jìn)入實(shí)訓(xùn)車間；

（3）設(shè)備及工藝認(rèn)知：由高級(jí)工程師帶隊(duì)瀏覽廠區(qū)，并對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行講解，包括設(shè)備的功能、操作要點(diǎn)、潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境影響；

（4）虛擬仿真訓(xùn)練：虛擬系統(tǒng)包括實(shí)訓(xùn)預(yù)習(xí)、工業(yè)發(fā)酵滅菌、種子培養(yǎng)、連續(xù)發(fā)酵控制、產(chǎn)品分離等內(nèi)容，采用浸入式、情景式、互動(dòng)式的虛擬學(xué)習(xí)方式；

（5）自由探究學(xué)習(xí)：學(xué)生通過手機(jī)端或電腦端的虛擬仿真系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)，同時(shí)在實(shí)訓(xùn)基地各個(gè)車間自由觀摩，指導(dǎo)教師現(xiàn)場(chǎng)答疑，通過這種虛實(shí)結(jié)合的探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的工程思維；

（6）實(shí)操訓(xùn)練及考核：在虛擬仿真系統(tǒng)考核通過以后進(jìn)入實(shí)操學(xué)習(xí)，指導(dǎo)教師現(xiàn)場(chǎng)示范，并設(shè)置50個(gè)考核點(diǎn)；

（7）設(shè)計(jì)訓(xùn)練：完成廠區(qū)設(shè)計(jì)、工藝流程圖及關(guān)鍵設(shè)備圖繪制。

3 教學(xué)改革成效

3.1 科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平

依托國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)的建設(shè)成果，積極將科研課題轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，使學(xué)生獲得科技前沿知識(shí)的傳授，接受最新科技成果的熏陶和培養(yǎng)。通過引進(jìn)、消化吸收國內(nèi)外先進(jìn)裝備技術(shù)、自主設(shè)計(jì)和制造了生物工程新裝備建立了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置研發(fā)生產(chǎn)基地，開發(fā)了具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“生物反應(yīng)器”“化學(xué)工程”“化工原理”和“環(huán)境工程”等4個(gè)系列35種型號(hào)的教學(xué)設(shè)備，品質(zhì)精良、功能齊全、操作方便、測(cè)控先進(jìn)。人才培養(yǎng)水平得到了顯著提升。

3.2 構(gòu)建了遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和“集約、集成、開放”的運(yùn)行模式

通過理順實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體制、提高資源共享程度、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)思想、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式等方式為學(xué)生提供了更多、更好的發(fā)展自身綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的機(jī)會(huì)，使中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平得到迅速提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果日益凸現(xiàn)。所開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作經(jīng)過實(shí)踐，得到了學(xué)生的支持、教師的贊同及教學(xué)管理人員的認(rèn)可。

3.3 建成了全國一流的生物工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

目前已經(jīng)建成占地約2000 m2的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，累計(jì)投入2600萬元，設(shè)置發(fā)酵車間、提取車間、中控車間、公用工程以及污水處置等多個(gè)功能區(qū)，以L-苯丙氨酸的工業(yè)尺度連續(xù)發(fā)酵為工藝主線，配置了完備的發(fā)酵生產(chǎn)以及后提取設(shè)備，工業(yè)發(fā)酵能力15 m3?；孛磕昕梢詾槌^2000人提供工程訓(xùn)練服務(wù)。通過實(shí)訓(xùn)，可以培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)滅菌、發(fā)酵過程控制、產(chǎn)品分離精制等工程能力，幫助學(xué)生建立工程化概念，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)境、安全意識(shí)，提升學(xué)生的綜合職業(yè)素養(yǎng)。

4 結(jié)語

南京工業(yè)大學(xué)生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心堅(jiān)持以人為本，把知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程。通過教學(xué)改革，在教學(xué)體系、管理體制、運(yùn)行模式等方面建立了以生物工程為主線，遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和“集成、集約、開放”的運(yùn)行模式，科研成果不斷融入教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平得到全面提升，同時(shí)為全國20多所高校、科研院所提供了實(shí)驗(yàn)裝備和技術(shù)，取得了豐碩的成果，輻射作用顯著，為國家和社會(huì)培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的生物工程人才。