单位文秘网 2021-08-13 08:57:02 点击: 次
摘要:《生化工程》是生物工程专业中实践性要求较高的一门课程,对于培养学生从操作员提升为技术人员具有重要的作用。文章作者结合多年的授课经验提出了“教室型”、“实验室型”和“生產线型”的教学场景,教学场景可以根据《生化工程》的“动眼”、“动手”和“动脑”三种知识点类型灵活运用。相比于传统教学,场景式课堂教学在教学内容、教学方式和教学效果上分别具有直观性、互动性和成就性的特点。该文为《生化工程》的讲授提供了新的方法指导,有利于《生化工程》教学目的的达成。
关键词:生化工程;教学场景;教学方法
中图分类号:G642.41 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2019)49-0183-03
《生化工程》在生物工程专业的课程体系中占有十分特殊的地位,然而经常被忽视。《生物化学》和《微生物学》作为本专业的基础课程,其重要作用是公认的。而《生化工程》既非基础理论课,其实践应用性特征也不明显,而且在课程内容的设置上多以物理和数学的计算为主,导致该课程被很多师生误认为是纯理论课程。正确认识《生化工程》课程的应用性导向,采用针对性的教学方式,有助于生物工程整体教学目标的实现。
一、《生化工程》的应用性导向及教学要求
《生化工程》课程从字面上的意思来看,容易被误认为是与基因工程、细胞工程等概念并列,这种误解会给培养计划的制定、教学和学生的学习带来困惑。从定义上讲,生化工程是指将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发,成为可供工业生产的工艺过程。诸多作者对生化工程的任务、作用和地位进行了描述,唐晋等[1]认为生物学家的作用是理解生物,生化工程工作者的任务是发现新产品和新过程,以及用经济可靠的方式来生产;陈洪章等[2]认为生化工程为生物学和化学工程提供了一条相互联系的纽带,生化过程的任务就是研究生物反应过程中有关的工程技术问题,是为生物工程服务的化学工程。
Abdullah等认为生物化学工程的使命和本质是通过一系列的操作,利用微生物、酶或细胞系将可再生原料或由其衍生的中间体转化为增值产品的过程[3]。
《生化工程》以生物工艺实施过程中设备运行基本规律和生物的动力学规律为基础,阐释生物工艺在工程实施中的规律和要求,即化工原理和生物学规律如何统一到生物技术产品开发、实施过程中,以及工艺过程中的生物体、设备、物料是如何协调运作的。本课程综合了生物和化工的原理,它基于实践,又高于实践,是生物工程专业培养过程中理论学习与实践相结合的一门关键的衔接课程。Ostrander等[4]也认为教学机构应使学生认识到理论知识是指导实践的基础,专业课程的设置需要有机地与未来工作进行契合。该课程正好体现了该理念。华盛顿协议是国际上工程教育项目的质量标志,该协议指出:工程教育除了给学生提供必要的理论知识,更重要的是为学生提供更多机会,以获得行业经验[5]。
《生化工程》综合了数理化生等多学科,同时又要求以理科的方式解决工科实践问题,这是培养工程师绝好的课程,但对于学校和教师的教学也提出了更高的要求。
首先,体现在生物工程专业的人才培养计划上。《生化工程》的研究对象是生物工艺在设备中的运行规律,课程安排应遵循化学、生物、工程然后生化工程的顺序。本课程以有机化学、微生物学、生物化学为先修课程,较为理想的是将《生化工程》课程安排在发酵工艺学、生物分离工程和化工原理之后进行。在学生进入毕业实践之前安排该课程,实现从理论到实践的有机衔接。
其次,在培养计划课程体系中各门课的内容要有互补性,尤其是发酵工艺学、酶工程、生物分离工程、生物工程设备、生物制药工艺学等课程。在系统性地开设这些课程后,可以融合《生化工程》的教学内容和教学目标,无须单独设课。但要注意强调工艺和设备结合的生化工程原理,并开展工程现场和生产车间的现场教学。同时尽量提供较多地让学生熟悉、掌握相应工艺和设备的机会。
最后,在《生化工程》课堂教学上使用传统授课方法,教学效果差。许多教师反映生化工程的概念多、理论知识抽象、公式冗杂、内容枯燥,对于缺乏实践知识和经验的生化工程专业的学生来说学习起来有相当大的难度,采用传统教学方法教学,效果自然不太理想[6,7]。许多教师尝试采用了一些新的教学方法,如形象教学、讨论式教学、发现式教学、网络教学、Web quest模式、案例教学法、三步教学法、问题式教学、学生授课法、合作学习模式等,而且都取得了一定的效果[6-8]。这些方法中,教和学都在努力接近真实场景。也有一些作者尝试引入真实场景,如Baroutian和Sheppard等认为,为了使今天的工程师能胜任他们未来的工作,工程类教育者应该和执业工程师共同执教[3,9]。笔者所在学校位于浙江省台州市,其制药行业较为发达,笔者结合自身在制药行业的工作经历和在高校进行的教学探索,提出了针对本校和地域特点的场景式教学方式。
二、《生化工程》的场景式课堂教学
基于《生化工程》的应用性特征,该课程的课堂教学可以采用场景式的教学方式,即针对需要讲解的知识点,尽量在真实的场景下进行教学,讲解生物规律和化工原理在设备上的运作,指导和帮助学生理解性地掌握理论知识,以达到理想的教学效果。为此,首先需要厘清教学内容中的知识点,再在多门课程中配合落实课程教学方案,改变传统教与学的模式。
(一)知识点、教学场景及多课程融合
场景式的教学,可以给学生非常直观地演示和进行讲解。例如,培养基灭菌过程中微生物的杀灭规律、发酵罐的结构、搅拌与溶解氧的关系等内容,可以结合设备予以现场讲解。在发酵过程中遇到溶解氧限制,可以通过搅拌、通气量、压力和温度等多种参数的改变来予以调整。自动控制中的开环、闭环模式也可以通过发酵补料系统予以直观展示,甚至其自动控制的调节也可以通过对PID参数的设置予以讲解。
(二)与场景式教学相关的《生化工程》课程知识点
1.“动眼”型知识点。这部分的知识点以拓宽学生的眼界为主要目的。首先要让他们认识本专业的基本设备和基本功能。膜过滤器、空气除菌流程、搅拌器形式及各种设备等都属于“动眼型”知识点。
2.“动手”型知识点。体积溶解氧系数测定、发酵液中kLa及其调节、发酵过程参数的检测、固定化酶性质、发酵工程下游技术等,这部分的知识点需要学生动手参与,这样他们才能更加深入地理解和掌握。如在空气过滤器的设计教学中,可以让学生把棉口罩拆开,继而讲解深层过滤的原理。其他如发酵液中kLa及其调节、发酵过程参数的检测等内容,也适合学生在课程中自己动手操作体验。
3.“动脑”型知识点。这部分的知识充分体现了从操作工培养成技术员的理念,强调的是从理论和原理上理解为什么是这样、为什么这样做、不这样做会怎样。比如比拟放大,这其中可以选用的放大原则较多,灵活运用这些原则需要掌握理论知识,更需要结合实践。另外,如微生物的热杀灭动力学、发酵动力学、微生物生化反应过程的物质衡算等知识点都属于“动脑型”知识点,当真正掌握其精髓后,才能对实践起到很好的指导作用。
(三)《生化工程》课程教学不同场景的结合使用
1.教室型教学场景。多媒体已经是现代课堂教学的一种基本配置,虚拟软件也给学生提供了更接近真实的学习体验。除此之外,辅助一些教具、常规的教室也可以成为真实的场景。这里所指的教具,可以是真实的生物工程器材、用品,如固定化青霉素酰化酶,可以装于EP管中在课堂中分发给学生观察其粒径、硬度;空气滤膜、pH探头等都适合在理论讲解时让学生与实物对应,明白其结构和原理。在20mL针筒中装上脱脂棉,可以让学生感受深层过滤中装填系数对过滤效果的影响等。
2.实验室型教学场景。实验室型的教学场景更符合《生化工程》课程的教学特点,可成为本课程的主要教学场景。随着台州学院生命科学学院的发展和实验室建设投入的增加,生物工程设备逐渐得到完善,已基本满足生物工程专业教学所需的仪器。相对于教室教学而言,微生物杀灭动力学、搅拌与通气、比拟放大、计算机在线控制等内容更适合在实验室场景中进行教学。场景式教学可以让学生无须进行想象,直观接受知识,避免因纯理解产生分歧。
3.生产线型教学场景。实验室的教学场景毕竟离生产线尚有一定距离,且难以培养学生在生产实践中的责任感、参与感以及熟练操控后的专业成就感。在实训室中可以进行空气除菌流程讲解,也可以进行50L发酵的工艺流程、提取流程讲解。然而该课程内容如若在生产现场进行讲解,学生可以更直观地参与教学,更直接地理解所学,并将理论与生产进行有机衔接。
4.场景式课堂教学实践。当前开设《生化工程》课程选课学生中有很大一部分对于生物工程专业并无主动性兴趣。由于缺失兴趣,学生对该课程的掌握仅仅停留在考试过关层面。这种以考试通过为目的的教学和学习方式对于《生化工程》课程的学习是一种偏差。针对这种情况,我校近年来在《生化工程》课程教学中采取了场景式教学,并在考核中把平时成绩的比例加大到了40%,这样能够使学生更加重视平时的学时和训练,既能提高学生的学习效率,又有利于他们建立理论联系实际的观念,也能提高教师的教学效率。
在教学实践中我们也发现,相比于传统教学,场景式课堂教学在教学内容、教学方式和教学结果上分别具有直观性、互动性和成就性的特点。直观性指的是在场景式教学中,学生直接与教学内容或研究对象接触,由于有了实物的承载,传统教学中依赖教师和学生抽象理解能力的理论知识更易于接受。互动性指的是由于实际场景的存在,生化工程相应的理论能及时得到验证,即人和物的互动;同时能够及时解答学生在操作过程中产生的问题。这对教师提出了较高的要求,教师必须事先掌握相应的理论与操作,并得到相应的结果,然后在现场进行讲解,并由学生操作验证。由于所学的知识能够及时转化为自身的技能,学生在学习过程中会收获成就感。根据具体教学资源的配置,场景式课堂教学还可以适合于打造以学生为主角的探索性学习。
三、结语
改变教学方式与学习习惯,都是一次需要付出代价的改革。传统的教学可以分为实验课或理论课教学,而场景式课堂教学综合了这两种教学形式。教师要能充分理解《生化工程》的原理,并能结合实践予以讲解,学生也要从被动地接受知识转变为主动地掌握技能。这在教学实践中需要教师和学生加强沟通,明确教学的目的和学习的要求,真正达成以理科思路指导工科实践的人才培养共识。
参考文献:
[1]唐晋,徐玉莲,赵学明,等.生物化学工程进展及深化研究的思考(下)[J].化工进展,1998,(4):1-2.
[2]陈洪章,李佐虎.生化工程的新理念及其技术范例—生态生化工程的发展及其学科基础[J].中国生物工程杂志,2002,22(3):74-77.
[3]Abdullah SRS,Takriff MS,Mohamad AB,et al.Students" Feedback on Integrated Project after 5-Years Implementation in Chemical and Biochemical Engineering Programme[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences,2012,(60):21-29.
[4]Ostrander,TJ.Making learning relevant for the real world:co-teaching with an industry professional[J].ACM Ioads.2015,(6):44-49.
[5]方崢.中国工程教育认证国际化之路——成为《华盛顿协议》预备成员之后[J].高等工程教育研究,2013,(6):72-76.
[6]陈京,万海同,赵伟春,等.基于网络教学平台的《生化工程》课程实践[J].新西部,2010,(10):181-182.
[7]刘晓丽.Web Quest模式在生化工程设备教学中的应用[J].广东化工,2010,37(6):135-137.
[8]周桂,黄在银,邓光辉,等.面向21世纪生物化学工程教学改革初探[J].广西民族大学学报(自然科学版),2002,9(2):210-212.
[9]Sheppard S D,Macatangay K,Colby A,et al.Educating Engineers:Designing for the Future of the Field.Book Highlights [J].Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching,2008:16.
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