融合STEAM理念的《生物工程创新实验》创课设计与翻转教学

在政治、经济、文化高度繁荣的新世纪，科学技术的快速发展和长足进步，不但对大学教育提出了前所未有的挑战，也提供了改革进取的机遇。传统应试型人才培养模式，无法满足社会需求的职业性、专业性、创新性等创新应用型人才的培养[1]。为适应新发展形式下对人才素质提出的新要求，各类新型教育培养模式和教育理念如雨后春笋般纷至沓来[2]。在高等教育体系中，实验和实践教学内容对学生各项综合能力的培养起着举足轻重的作用。尤其针对新工科应用型人才对学生创新意识、创新思维和创新应用能力进行的强化式提升[3]，更需要倚重实验类课程的训练和培养。因此，新经济发展更加需要新型工科人才的强力支撑，科学技术的进步离不开实验实践的铺垫，创新应用型人才的培养更离不开创新应用型实验的开展[4-5]。

STEAM教育(STEAM Education)最早由Steven Howell于1982年在美国航天航空年会报告中提及[6]，1986年美国国家科学委员会(National Science Board，NSB)在发布的《本科的科学、数学和工程教育》(Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education)报告发出倡导[7]。STEAM教育理念有广义和狭义两个维度的界定。广义上讲，STEAM教育是集Science、Technology、Engineering、Arts和Maths于一体的综合性教育[8]。狭义上，则是改革传统教学模式将STEAM理念融于课程的设计方法。我国对STEAM理念的应用开展相对较晚，2016年后教育部倡导STEAM理念和创客教育等新型教育模式的应用，以提升学生的创新意识和创新能力[9]。“创客”(Maker)，最初是对利用工具和技术进行生产和创造活动的业余爱好者、艺术家等的统称。随后创客运动在美国的各行各业迅速发展起来[10]，并且在教育界掀起了创客教育的热潮[11-12]。创客教育秉承“开放创新、探究体验”教育理念，是以培养各类创新型人才为目标的新型教育模式，它提倡的创课理念，是“基于创造的学习”，强调学习者融入创造情境、投入创造过程[13]的课程教学手段。

“生物工程”作为四川省首批应用示范专业和卓越工程师教育培养计划专业，将原先配套于相关课程的实验及实践课时独立出来，创新性地构建了梯度式实验教学体系，新开设的《生物工程创新实验》是本体系中的最高阶课程。由于缺少借鉴和参考，本课程前期尝试的小组独立和多方向同进的教学模式，无法很好地激发学生在各个环节的创新挑战思维、主体参与意识和团队协作能力。为此，针对传统实验课和当前课程实验教学中存在的不足，我们开展了融合了STEAM教育理念的创课设计，以项目管理方式全过程监控实验项目进展，以“多位一体”的手段激发学生在各个环节的主体参与意识，真正做到以学生为主体、创新应用能力为目标[14]，全面培养学生的自主学习能力、团队协作能力、大胆创新意识和实践动手能力，满足新工科对创新应用人才的实际需求。

1 《生物工程创新实验》课程教学现状与分析

《生物工程创新实验》是我校生物工程专业必修课程，其先修实验课程为《生物工程基础实验》和《生物工程综合实验》，先修理论课程为《文献检索与论文写作》《实验设计与优化》《微生物工程工艺原理》《生物工程分析与检测》等专业基础课。该课程涉及多门学科知识的交叉和应用，注重学生创新思维意识和创新应用能力的培养，既要求学生具有较为扎实的专业理论基础，又要与行业实际生产应用联系紧密，对学生毕业后从事专业相关的工作以及新产品创新开发、创业发展等都具有重要地促进作用。

传统实验教学模式中，由授课老师课前制定好详细完备的实验指导方案、实验教学计划，写明了实验目的、实验原理、所用的仪器设备、试剂药品及其配制、实验步骤、操作要点及注意事项，甚至还包括出现的现象和原因的分析等，并充分考虑实验安全性、可操作性、完成效果等情况下，引导学生进入实验室进行实验操作。教师承担了实验进程、方向把控、实验结果呈现等内容。而学生在实验教学过程中，根据老师的讲解和要求，按照方案进行操作，在老师的指导下或者按照老师的示范，完成实验过程或观摩教师完成演示实验，对实验内涵、原理、现象深入理解和结果分析的程度不够[15]。传统实验课程中以实验过程和进度为导向的课程教学方式，学生参与热情、上课兴趣不高，更缺少创新能动过程，无法形成良好的工程质量和创新意识，对创新应用型人才培养助力不足，对学生学习结果及目标重视程度不够，难以形成持续改进的质量保障机制[16]，无法匹配高素质、实践性创新型应用人才的培养目标[17]，因此迫切需要新型教学理念和教育模式对传统实验课程进行改革，以满足新工科对创新应用人才的实际需求。

2 基于STEAM理念的《生物工程创新实验》创课设计

融合了STEAM教学理念的创课设计，紧紧围绕学生的“学”为中心，培养学生探究、对话和批判性思维的跨学科整合式全面发展。针对传统实验课程对学生创新能力培养的欠缺，课程团队以“开放创新、探究体验、创造中学”为主要学习方式，将科学、工程、艺术、数学和技术素养融入《生物工程创新实验》课程教学设计中，以期达到更好地培养学生应用已学知识进行跨学科整合的创新思维能力和创新应用能力，以及富有挑战的开拓意识和不畏困难的担当精神。

2.1 创新实验课程的创课设计

目前新工科对人才的高要求，培养适应社会需求的创新应用型人才，是现代高等教育的核心目标。针对这个目标，教学团队以项目管理式全过程监控实验项目，以查找问题所在、研究创新思路、设计解决方法、方案实施制备和市场推广策划“多位一体”的手段激发学生在各个环节的主动参与意识，做到以学生为主体、创新应用能力为目标、产出结果为导向[18]，对生物工程专业创新实验课进行创新性课程设计，如图1所示。

图1展示了课程教师团队针对每届学生学识水平差异的实际情况，在生物工程教研室内有侧重地挑选德才兼备、实践经验丰富、科研与教学两手都硬的优秀教师出任该届实验课程导师，每名导师申报一个实验方向，划出与该方向相关的问题综述(包括生产技术类、分析检测类、市场分析类等)、创新训练(创新区域和创新点)、方案设计、工程能力培养的衡算及实验操作、创业策划6个部分组成的实验相关内容，并引导学生根据该方向生产问题或市场需求，开发创新性产品，最后设计该产品或工艺技术面向市场的创业策划。

每位教师申报的实验方向中(图1)，既含有创新区又包含创新点，能够矩阵式组合形成复杂、综合的超大型实验项目，涵盖实际生产企业上中下游的全线路框架。为了更好地解读设计中各方向创新区域和创新点设置，以及它们的矩阵组合关系，以果酒发酵方向为例，加以阐述和解析(表1)。

由表1可知，创新区设置结合创新点的使用，能够很好地开拓学生的思维、激发学生的创新意识和创新能力。无论是哪个方向的实验，学生们不但要掌握基本的流程(如水果酒酿造的基本流程)，还要在此基础上创新性地开发和研究新颖性产品及其工艺技术。

2.2 课程设计的STEAM理念体现

基于STEAM理念的创课设计，充分将科学、技术、工程、艺术和数学方面的元素深度融入整个实验过程中(图2)。

图2中“问题综述”部分，无论是查阅资料，还是撰写综述，都会用到科学、技术和工程等方面的知识，以便能更好地获取、归纳和分析所需要的资料，挖掘生产问题、捕捉市场发展趋势，从而为创新区及创新点的选择提供基础信息，同时，也为方案的拟定做出前期铺垫。“创新模块”，要求学生具有工程技术的专业素养，运用数学知识进行衡算或模型的预测，以及操作物料的需求和控制，同时应用艺术性眼光和审美观去设计或预想样品的可能呈现方式、受众和市场等因素，以便在方案中完美体现。“样品制备”过程，则需要工程、技术、数学和艺术知识将方案变成现实的产品，而如何呈现的过程，除了需要专业的工程、技术技能外，还需要准确的数学计算和较强的艺术想象能力和创造能力。“创业策划”部分，无论是设计产品包装、宣传还是创业策划，以及基于产品开发的生产设备或独特生产工艺的保护等，都离不开艺术、数学、工程、科学的缜密思维和详细筹划。

由此可见，基于STEAM理念的《生物工程创新实验》创课设计，可以实现对学生多学科知识的学习和应用能力的提高进行系统培养和强化锻炼。

3 实验课程的翻转

《生物工程创新实验》创新性地采用翻转课堂方式，以学生为中心开展实验课程的教学工作。众多教师参与的实验项目申报，使学生可以从丰富多样的方向中，投票选择感兴趣的实验方向开展后续各方面的实验内容，充分体现了翻转式教学以学生为中心的核心宗旨。此外，同一方向下，创新区域和创新点的自由选择，打破了传统实验课程学习的被动性和枯燥性。学生自由选择喜欢的方向，自由选择创新区域和创新点，自己查资料挖掘信息、设置实验方案、计算实验原料、配制实验药品和试剂，团队协作完成实验过程，并对产品进行评价、完成创业策划等，老师在实验课程中起着答疑解惑、引导启发和监管指导的作用。实验课程的翻转式教学，创新性地打破了传统实验课程教学的被动枯燥，极大地激发了学生的参与热情和创作乐趣，使学生在探索中学、挑战中做，为学生创新性思维和创新应用能力的提升，提供了展示的途径和锻炼的平台。

此外，以创客方式进行的实验课程创课设计，翻转了传统实验课的教学方式，全面以学生为中心的教学手段，从实验资料的查阅、实验方案的撰写修改和实施、到最终产品的试制及创业计划，对学生的主体参与意识及应用创新能力具有多位一体的培养效果。

4 创课设计下的学生任务

学生在众多教师提供的实验方向中选择某个任务后，依据每个实验方向中教师提供的至少2个创新区和每个创新区2个以上创新点，思考选择并构思实验内容和设计实验方案，以达到全面而系统地锻炼学生创新思维能力和创新应用能力。仍以果酒方向为例，介绍学生选择的方法和小组间实验创新内容的分布及创新区创新点矩阵组合关系(表2)。

分析表1提供的创新区和创新点，假设选择2个创新区和3个创新点形成的表2所示的选择结果。根据表2选择示例，果酒组可以设计成3×4的创新区和创新点组合实验矩阵，即3个酒种类型与4个原料类型的组合，能够从中组合实施包含以下甚至更多的实验内容。

G1组，制作柑橘和猕猴桃的单品种干型与甜型酒，观察与分析不同原料起酵速度与发酵现象，以及水果品种香气与发酵香气的分析评价；可以延伸出半干型、半甜型以及浓甜型，甚至是单水果浓醪发酵酒等。

G2组，柑橘+枸杞不同比例混合发酵，考察与学习柑橘枸杞保健酒酿造工艺，以及药食同源原料对柑橘单品种酒品质改良和提升的效果，探索枸杞添加范围和前处理方式；可以继续延伸不同含糖量类型的保健果酒，甚至是特种酒等。

G3组，猕猴桃+枸杞不同比例混合发酵，考察和学习猕猴桃枸杞保健酒酿造工艺，及对柑橘单品种酒品质改良情况，并与G2组共同探讨分析，添加枸杞类辅料发酵酒的用量范围和共性特征，不同水果添加相同辅料工艺是否需要变化，以及为什么需要改变原因的深入挖掘；可以继续延伸含糖量的果酒，或者不同加强手段类型的果酒。

G4组，柑橘与枸杞醪液体积比3∶1，猕猴桃与枸杞醪液体积比为3∶1的两类混合果醪(或其他比例情况)，干型与甜型酒酿造工艺；与G1小组对比分析添加枸杞对干甜型酒品质、酿造工艺的影响，以及消费趋势预测等。延伸类型可以是G2和G3组结果中最佳枸杞用量的干甜型酒比较分析，系列比例枸杞添加量的柑橘和猕猴桃加强型干酒、加强型甜酒酿造工艺等。

G5组，制作柑橘和猕猴桃的单品种加强型酒，添加食用酒精或者单品种水果白兰地的不同加强方式，以及不同加强度对普通甜型酒品质影响及对比分析，从而探索特种加强型酒的酿造工艺。加强原料中，还可以延伸出白兰地、中国白酒等，也可以是加强型干酒、加强型半干酒、加强型半甜酒和加强型甜型酒等类型，还可以延伸出水果不同原料组合发酵后的众多类别加强型酒。

通过示例组合的解析，果酒方向会得到至少4个以上的系列果酒产品。在每个小组内，实验相对简单易行，但组合起来，却是相对复杂多样的体系。这是对果酒组设计和制定实验方案的综合考验和全局性把握，更是对该小组创新思维和创新意识“多位一体”的培养和锻炼。每一个小组的实验方向，进行多因素的组合和深化后，可以较好地为毕业论文实验打开一个延伸面，实现高阶实验课程承上启下的联结作用。

全班学生，按人数平均分成几个小组，每个小组从教师团队中选择1个方向，并在老师指导和协助下，完成该方向上的所有任务。其中在衡算操作板块中，每小组除需要计算全班各小组完成该实验所用的实验原料、药品、试剂、仪器、用品等的数量和规格，以及特殊生鲜原料的采购外，同时在导师指导下，要协调全班同学按本小组拟定的实验方案完成该方向的实验操作、样品制备和创新点的实现等内容。最终，每个方向上的实验成果由1份综述、1份创新区域及创新点选择说明、1份针对全班开展的切实可行的实验方案、1份班级实验操作衡算表、1套实验实施方案的系列实验报告、多个创新点组成的系列创新产品和1份创业策划书组成。这些任务，既有小组内成员合作完成的部分，也有小组间协调完成的环节，对学生小范围的协调沟通能力，以及小组间密切合作的统筹安排能力都有很好的培养和锻炼。

5 围绕教师科研设置方向

《生物工程创新实验》各实验项目的方向，由生物工程教研室的教师提出。所申报的实验方向并非盲目随意，而是基于教师的科研项目和研究方向，或者在其研究成果基础上的延伸，充分保证了实验项目的合理性、前瞻性、创新性和挑战性，从而为学生在实验过程中创新应用能力的培养提供了先决条件。

教师的科研历程和项目成果，是学生实验项目创新性的有力保障，不但为学生创新区和创新点的选择提供了重要参考，还为学生实验方案的可行性和产品的可预见性奠定了坚实的基础，确保了学生既能有创新能力的培养，又有现实可行的操作实施，既能较好地体现科研创新的挑战，又有新型成果的开发过程体验。因此，高度融合了教师科研内容的创新实验项目设置，为学生创新应用能力的培养，以及基于STEAM理念的多学科知识的交叉学习和应用，夯实了必要基础。

6 与地方经济的紧密结合

宜宾地处川、滇、黔三省结合部，金沙江、岷江、长江汇流中心地带，是我国南丝绸之路的起点之一、茶马古道的重要驿站，作为区域经济、文化、行政中心，发挥着四川南向开放的枢纽门户作用。传统发酵产业及原料生产，是宜宾最具代表性的区域特色经济产业，如酒类中的五粮液、食醋和酱油等调味品，以及无数民间独特发酵类食品等，都在为宜宾的经济繁荣做着不可替代的积极贡献[19]。

教研室参与实验项目的教师，都是拥有紧紧围绕地方经济特色的市厅级以上科研课题的高学历一线教师，具有非常丰富的科研和教学经验。教师们申报的实验项目与科研方向相同或相近，不但充分保证了对学生实验项目的深度指导和前瞻性把握，还保证了实验项目与地方经济的紧密联系，在校内实验课程与企业生产实践之间架起了联系的纽带。教师团队结合区域支柱性产业生产现状和科研课题的研究情况，有效地引导学生在实践中查找问题、围绕问题挖掘根源、再寻找科学有效的解决途径和新产品开发研究的教学模式，创新性地扭转了传统实验课程教学体系与生产没有联系、应用性不强的局面，具有较好的应用推广和借鉴价值。

7 多维评价体系全面考察学生能力

传统实验课程，主要由老师主导把握，学生的实验成绩则主要由实验报告体现。学生动手能力差、参与度不高、成绩考评面也比较窄的传统实验课程，对学生的开拓挑战意识、创新应用能力、团队协作能力、协调沟通能力、人文艺术素养等的提升都无法得到很好的培养、锻炼和考量。因此，针对传统实验课程中存在的这些问题，团队构建了由实验项目指导老师、教师团队、学生组内互评、学生组间评价和学生班级间考核组成的多维评价体系，以全面考察整个实验过程中学生各方面的能力。

由教师与学生共同组成的多维评价体系，具体体现为60%的成绩由指导老师和老师团队给出，各板块成绩的分布为：综述10分、方案设计15分、原料工程计算10分、班级实验完成情况13分(含实验报告，体现同学们在完成实验过程中的动手操作能力、参与积极性等)、创业策划书12分(针对组内互评的最优产品撰写)。导师依据每位同学对某部分工作的完成情况、完成质量进行评定打分。学生评定分占总成绩的40%，分为班级内与班级间评价。班级内评价成员，在每个小组内随机抽取2名同学组成评委团。班级间评价成员由班级学习委员、各小组组长和每小组的1名组员组成。学生评定员，依据统一的标准就综述、方案、工程计算、创业策划书等各项内容的完成情况以及产品质量的盲评结果，分别进行评定打分，班级内和班级间各占总分的20%。其中每小组1份的内容，如文献综述、实验方案等，需要体现本小组每位成员在该份任务中完成的部分，以方便在综合得分的基础上评价每位同学的完成分数。

学生参与实验成绩的评定，而且占有较大比重，不但提高了学生参与实验的积极性和关心实验过程的注重度，也培养了他们客观公正的思政素养。

8 结束语

本课程是生物工程专业的创新实践类顶阶课程。秉承专业培养知识、能力、素质协调发展的创新型应用人才的目标，教师团队结合区域支柱性产业生产现状，依据区域经济特色和生产问题设置创新实验项目，使教师科研方向和学生实验项目与地方经济发展有机结合起来。通过学生自主选择实验项目、实验创新区域与创新点，以及查找资料归纳并撰写实验方案等多位一体的培养训练模式，不但使学生们体验了创新的乐趣，也增强了学生的自主学习意识和主动参与的积极性，更是极大地激发了学生们勇于挑战的热情，并在正确价值观的树立、较强社会责任感和职业道德的培养、健全人格的养成等方面，起着不可或缺的积极作用，从而实现对学生的实验动手能力、创新思维能力、综合组织能力、团队协作能力和交际沟通能力的多位一体式培养和锻炼。

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