基于CDIO模式的微生物工程課程改革探究

聶春雨 郎亞軍 殷亞杰 任國領 袁改霞 張志國

摘要 微生物工程作為生物技術專業一門重要的專業核心課程，對學生工程設計、工程實踐和創新思維能力的培養具有重要作用。通過引入CDIO教學模式，以“構思、設計、實現和運作”為目標導向，對微生物工程課程的理論教學和考核方式進行了改革。此次改革充分發揮了以學生為中心的教學理念，提高了學生對微生物工程知識的理解和掌握，培養了學生的創新能力、實踐能力和團隊合作能力，教學效果明顯。

關鍵詞 微生物工程;CDIO模式;課程改革

中圖分類號 S-01-? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）13-0274-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.069

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the Reform of Microbial Engineering Curriculum Based on CDIO Model

NIE Chun yu1，2，LANG Ya jun1，2， YIN Ya jie1，2 et al

（1.School of Biological Engineering， Daqing Normal College， Daqing，Heilongjiang 163712;2.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Oilfield Applied Chemistry and Technology， Daqing，Heilongjiang 163712）

Abstract Microbial engineering is an important core course of biotechnology major， and has an important role for cultivating the engineering design， engineering practice and innovative thinking of undergraduates. This paper introduced CDIO teaching model to make the reform on the theory teaching and assessment methods of microbial engineering course with “conceive design implement operate” as the goal orientation. This reform gave full play to the student centered teaching concept， improved students understanding and mastery of microbiological engineering knowledge， and cultivated students innovative ability， practical ability and team cooperation ability， and the teaching effect was obvious.

Key words Microbial engineering;CDIO model;Curriculum reform

21世紀初期，美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所高校提出了以學生為主體，注重學生知識-能力-素質綜合培養的CDIO（conceive-design-implement-operate）教育模式[1]。該模式倡導“做中學”（learning by doing）和“基于項目的教育和學習”（project based education and learning）理念[2]。鼓勵學生參與整個教學過程中，學生在學習過程中扮演不同的角色，真正實現“做中學”;同時，以完成項目為驅動，讓學生積極投入工作并認真思考，真正培養學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力[3]。CDIO模式改變了傳統教學過程中以教師為主，重理論、輕實踐的不足，尤其是對于應用型高校理工科專業和實踐性較強的工程類課程，CDIO教學理念的引入更能激發學生的求知欲，提高學生的創新能力、設計能力和解決實際問題能力[4]。

自2008年起，我國開始開展CDIO工程教育模式的研究與實踐，2016年成立“CDIO工程教育聯盟”[5]。近年來，各高校不斷開展CDIO模式的理論課程、實驗課程和課程群等方面的教學改革研究，均取得了一定的教學效果。對于一些地方本科院校，CDIO模式的研究仍處于起步階段，根據學緣結構和培養目標開展CDIO教學模式的改革，對于地方應用型人才培養具有非常重要的作用。

1 微生物工程課程特點及CDIO教學模式的提出

微生物工程是高校生物工程、生物技術和生物制藥等專業的核心課，其與基因工程、細胞工程、蛋白質與酶工程并稱生物技術專業四大工程課程，其中微生物工程技術是生物技術產業化的基礎和關鍵。傳統上，將微生物工程課程內容分為上游、中游和下游三大模塊，上游主要側重菌種的選育和保藏，中游以發酵過程控制及參數優化為主，下游主要學習生物產品的分離純化技術。通過該課程的系統學習，讓學生掌握微生物工程相關理論知識，培養學生具備微生物工程相關領域工藝設計、產品研發和技術創新等方面的技能[6]。

近幾年，隨著專業認證工作的全面開展，專業核心課學時不斷被壓縮，導致很多高校注重理論知識的講解，而忽視了實踐環節，開設的實驗內容較少，且大部分實驗屬于驗證性實驗，導致學生自主設計能力和創新能力很難得到提高，同時也影響了學生對理論知識的理解和掌握。微生物工程作為一門生產實踐和行業緊密聯系的專業核心課，其教學涉及微生物學、生物化學、細胞生物學和生物工程設備等課程內容，知識點繁雜，實踐性強。通過近10年的教學發現，單純依靠多媒體教學等傳統方法授課相對枯燥，無法調動學生的學習積極性，對于發酵裝置內部構造、工作原理和工藝流程等比較抽象的知識，學生很難理解和掌握。因此，必須要改變傳統的“以教師為中心、以教材為中心、以課堂為中心”的教學思想，逐漸轉向“以學生為中心、以項目為驅動、以實踐活動為平臺”的CDIO教學理念[7-8]。

2 基于CDIO模式的教學改革

2.1 教學理念的改革

CDIO教學模式要求以“教師為主導，學生為主體”，教師要從“教書匠”轉變成“大學教師+準工程師”的角色，不再是課堂主角的扮演者、不再以自己的結論代替學生的分析討論，而是充當引導教學的角色，啟發學生去思考，讓學生大膽設計，敢于實施和運行，提升學生解決工程實際問題的能力[9-10]。作為一所地方應用型本科院校，以培養地方應用型人才為培養目標，在微生物工程課程內容設置時不能僅僅考慮基本專業知識的傳授，更要考慮學生畢業后就業崗位相關知識和技能的需求，因此教師要建立“學生-學校-企業”三明治式的教學設計和改革，切實做好應用型人才培養工作[11]。

2.2 課程設計思路的改革

微生物工程課程與行業領域、生產實踐結合緊密。隨著我國發酵行業的不斷發展，微生物工程的應用領域越來越廣泛，對專業人才的要求不斷提高，因此必須對傳統課程設計進行改革。在微生物工程上游、中游和下游三大經典模塊學習的基礎上，以發酵產品或獲得的工藝設計、設備操作、產品實現、質量評價等全部過程作為學習環境，將CDIO“構思、設計、開發和運行”四個過程作為專業人才培養的構架，將個人職業技能和職業道德訓練、團隊協作交流以及系統整合運行等與理論知識有機結合并形成要點，并將各要點細化為相應的能力，融入教學體系中（圖1）。

2.3 CDIO教學模式改革

2.3.1 理論教學環節的改革。

為了加強學生對專業基礎知識的學習，系統掌握微生物工程課程的基本概念和核心知識，依據新的教學大綱和企業對技術人才培養的需求，要不斷整合課程內容，優化教學方法。在課程安排上，充分體現了“教師為主導，學生為主體”的教學思想，采取任務驅動的方式，不斷提高學生對知識的掌握程度，逐步將CDIO教學理念應用到理論教學中[12]。

微生物工程理論部分由原來的48學時壓縮到目前的32學時，這樣教師無法對所學知識進行擴展，很多內容還是學生必須要掌握的知識，基于此，應結合CDIO教學理念，開展了任務驅動式的理論教學，讓學生利用課余時間完成任務。將整個班級分成幾個小組，每個小組5～6人，學生自由組隊，全員參與，每組推薦出一名同學擔任組長，負責組內的協調工作。教師在課程設置時，要根據課程內容的重難點和企業對專業知識的要求，設置一些專題或任務供學生選擇，學生也可以自己設計專題。小組接到任務后，要對任務內容進行分析和研究，最后要向全體同學進行展示，大家積極開展評論，從而完成知識的共同學習。比如，酸奶發酵生產工藝這部分內容，由于學時較少，無法全面向學生講授，但酸奶是很多家庭中必不可少的飲品，種類繁多，營養價值也存在一定的差異，為了讓學生對酸奶及其生產有全面的認識和了解，掌握酸奶發酵的相關知識，因此設置了一個專題——酸奶及其發酵生產工藝。小組接到這個任務后，要對如何完成這項任務進行構思（conceive）。小組將構思情況與任課教師進行溝通，任課教師結合學習目標和要求進行針對性輔導和答疑，引導學生自主進行課外查閱參考文獻、介紹閱讀技巧，如何圍繞選題進行文獻總結分析等。學生通過查閱酸奶種類、營養價值及發酵生產等資料，對要講授的內容進行細致的優選和設計（design）。各小組通過整理完成方案設計后，不斷完善方案，制作PPT，并對論證報告進行答辯，然后組內同學需要共同參與并討論，創新方案，找到解決問題方法和實現（implement）途徑，使方案切實可行。方案確定后，再通過組內分工、共同協作來完成項目的運作（operate）。實驗結束后，各小組撰寫實驗論文，教師組織同學們對實驗結果進行組內和組間評價，使整個實驗過程形成閉環循環。通過組內采用不同角色互換，如組長、答辯人、操作者，使學生體驗不同角色的職責和要求，突出了學生的主體地位，實驗整個過程如何換位思考，體驗團隊協作的重要性，培養學生的團隊精神。

為了保證CDIO教學質量，初案設計完成后，教師要做好學生的指導工作，確保設計的方案緊密結合課程內容、難易適中。然后，組織小組對研究內容進行細致的優選和設計，進一步豐富和完善，確保研究內容的科學性和完整性[13]。

2.3.2 考核方式的改革。

考核是對學生學習效果的檢驗手段，探索CDIO教學理念下適應微生物工程課程的考核方式，也是微生物工程課程教學改革中的一項重要內容。傳統的微生物工程課程考核一般由平時成績（30%）和期末成績（70%）兩部分組成;平時成績主要體現在上課出勤、作業和課堂表現，期末成績為閉卷形式，由5～7種題型構成。這種考核方式使學生過分關注卷面成績，而忽視平時鍛煉，導致學生在考試前才開始大量背題，雖然考試合格了，但學生根本沒有學到應會的技能和知識，課程考試一旦結束，臨時背的知識也基本忘掉。為此，必須進行考核方式的改革。

改變了過去理論部分和實驗部分獨立考核的方式，將二者結合起來、注重學生實際能力的考核。成績評定由原來的平時成績（30%）和期末成績（70%）兩部分變為平時成績（20%）、實驗考核成績（20%）和期末成績（60%）三部分。平時成績包括出勤（5%）、課堂表現（10%）、筆記（10%）、作業（15%）、小組匯報（20%）、實習報告（20%）和實驗報告（20%）構成。實驗考核成績主要考查學生儀器使用及實驗操作能力，采取抽簽的方式進行，教師根據學生儀器使用和實驗操作規范情況進行打分。期末成績采取閉卷形式進行，主要考查學生對微生物工程相關知識的掌握情況?？己藘热萆?，加大主觀題的比例，同時將實驗案例設計作為期末考試的一項內容。

改革后的考核機制對于培養和評估學生能力，提高學生的綜合素質以及獨立分析問題、解決問題的能力都具有重要的意義。

3 CDIO教學模式的教學效果評價

將CDIO教學模式引入微生物工程課程學習中，形成了“以學生為中心、以項目為驅動、以實踐活動為平臺”的教學理念，取得了較好的教學效果。學生的學習興趣和積極性大大提高，學生考試及格率也大大提升。在生物技術專業2014—2017級4屆學生中，共獲批微生物工程方向實驗室開放項目8項、大學生創新創業訓練計劃項目6項，獲得全國大學生生命科學競賽三等獎3項，全國大學生生命科學創新創業大賽二等獎2項、三等獎3項，學生發表文章6篇，10人考取了微生物工程方向碩士研究生。

4 結語

綜上所述，微生物工程課程是一門非常重要的工程類課程，在生物技術專業的教學中占據非常重要的位置，提高教學質量非常重要。引入CDIO教學模式，通過理論教授+實際演練+小組討論+合作學習+成果展示及共享，以學生為中心，側重工作過程，在“做中學”，理論與實踐緊密結合，解決實際問題等教學理念，開啟學生自主學習的興趣和責任，讓每位學生獲得各自學習成長的經驗，促進團隊協作和學生獨立思維等能力，構建了適用、高效的教學模式，達到學以致用，解決傳統教學中存在的問題，對于促進學生對工程項目的認識，是符合生物技術人才培養方案和社會需求的一種具有良好前景的新教學模式。

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