现代教育技术在生物工程专业课教学中的应用

【摘要】生物工程专业课对培养专业技术人才起着十分重要的作用，包括一些理论性和实践性都很强的课程。本文针对生物工程专业课教学中一直存在的问题，以《发酵工艺学》课程教学为例，着重从技术在生物工程专业课教学中的必要性、多媒体课件在理论教学中的应用、课程在辅助教学中的应用和机仿真技术在实验教学中的应用等四个方面进行了探讨。
【关键词】现代教育技术；生物工程；多媒体课件；网络课程；仿真实验；应用

生物工程专业课包括发酵设备、发酵工厂设计、发酵动力学、酶制剂工艺学和发酵工艺学等课程内容。而发酵工艺学课程还包括氨基酸工艺学、有机酸工艺学和抗生素工艺学等课程。随着现代化教育信息技术空间的日益拓展，以计算机为核心的教育技术的应用已成为2l世纪教育的主流。如何迎接现代技术的挑战，培养具有自主学习、创新精神和实践能力的高素质人才已成为高等教育改革和的首要任务，以信息技术为基础的现代教育技术在高等教育改革中的作用将越来越重要[1]。
1　现代教育技术在生物工程专业课教学中的必要性
　　现代教育技术是以现代信息技术为支撑，以现代教育理论为基础，以系统科学理论为指导，以教学过程和教学资源为研究范围，以实现教学过程优化为最终目标[2]。与其他新技术一样，现代教育技术的应用，对教育产生了强烈的冲击波。尤其是多媒体、网络、人工智能、远程通讯等技术的应用，不仅更新了教学方法和教学手段，更重要的是对传统教育理论和实践产生全面的挑战。
专业课教学是培养学生专业素质和实践创新能力，综合运用基础课和专业基础课知识的重要阶段，直接为学生就业工作做准备。对于工程技术类的学生而言，积累本专业知识的同时，更为重要的是实际工程技能的训练。多年来，生物工程专业课教学中一直存在着以下问题：
（1）就教学内容本身而言，生物工程专业课理论性强，教学难度大；内容多，概念抽象，公式推导复杂，知识的融合面广(涉及高等数学、物、物理化学、工程制图和化工等)；运算过程长，公式多，经验系数多；教具少，缺少形象化教学，尤其是设备部分，价格昂贵，难以建立工艺实验；实践性强，无论是基础理论还是设备都离不开生产实际。
（2）就科学技术发展而言，随着生物科学的快速发展，与之相关的许多学科、特别是最为密切的生物工程领域的许多研究方向得到了突飞猛进的发展，诸如：生物反应工程、生物分离工程与技术(生物工业下游技术)、酶工程、生物生产工艺等；其研究手段更加先进，涉及的领域更为宽广，研究的内容更加丰富。这对于生物工程专业的教学，提出了更高的要求，须不断地将新工艺、新技术和新的理论研究成果充实到教学内容中。
（3）就教学方法和教学手段而言，在传统教学的教学中，教师讲，学生记，教师问，学生答的方式，学生是被动的外部刺激的接受者即灌输对象，这种教学方法学生的参与面，参与程度，实际上难于达到施教者的初衷。而且教法单调、教师费力、费时，学生却感到抽象，不易理解，教学效果差。另外由于受时间、空间及经费等限制，学生很难亲临现场观察。
针对工科专业课程的以上特点，传统的“黑板 + 粉笔”教学模式无法满足现代教学需要，学生也难以掌握相应的教学内容。现代教育技术的兴起和现代教育媒体的涌现，为解决生物工程专业课教学面临的困难和问题提供了新的思路和方法。为此我们认为，在生物工程专业课的教学中，应该充分利用现代教育技术，在课堂中使用多媒体教学，课后使用网络课程，在实验条件不足情况下采用仿真技术，建立计算机仿真实验室。只有这样，才能更大满足对生物工程专业课教学的要求，培养学生自主学习的能力和创造精神，从而提高学生综合素质。
2.　多媒体课件在理论教学中的应用
计算机多媒体教学课件，以其丰富、多样的信息承载形式，灵活、方便的交互特点，将越来越多地应用于教学之中。传统的利用黑板模式的教学方式，针对于生物工程专业课教学，面对有众多学生，教师资源和学时数有限的情况，已经非常严重地影响了教学的效果，需要利用先进的多媒体工具进行改观。
几年来，作者将全部教学内容设计、制作成多媒体教学课件并投入到理论教学当中。实践证明，设计合理，加工细致、使用得当的多媒体课件用于教学，效果较好。
2.1　采用多媒体课件教学，有利于分析归纳教材内容，重点突出。
生化工程专业课程涵盖的内容很多，比如《发酵工艺学》课程内容就包括抗生素、微生物酶制剂、氨基酸发酵、有机酸(柠檬酸、乳酸)、多糖发酵生产工艺和丙酮丁醇发酵的生产工艺等等。这些内容中的绝大多数本身就可以单独作为一门课程进行讲授，如果全部介绍，课时肯定不够。但是，如果采用多媒体课件教学，在设计课件脚本时，可以对课程内容进行分类和归纳，并选择有代表性的知识作为授课重点内容。为此，我们把以上所有发酵生产工艺中的共性部分独立出来，设计出这样一条课件制作主线：工业微生物基础→淀粉制糖工艺→培养基配制和灭菌→无菌空气的制备→培养基中氧的供需和传递→生物反应器→发酵工艺控制→发酵染菌的分析和防治→动植物细胞大规模培养→生化产品的分离和纯化→生化生产工艺实例。而对于其他相关内容仅仅布置自学提纲，使同学们通过举一反三和触类旁通的方法进行学习。我们在讲授具体工艺内容时，对同学们已掌握和了解的内容不再重复讲授或仅要求同学们复习相关的章节，这样就避免了不必要的重复，突出了本课程的重点。
2.2　巧妙使用课件制作软件，充分调动学生学习兴趣
生化工程专业课内容多，有些内容学生无法实际观察，比较抽象，而利用多媒体技术可以清晰地呈现这些教学内容，从而突破客观条件的限制，使学生容易理解和掌握这些知识。可以利用优秀课件制作软件如PowerPoint制作幻灯片、Flash制作二维动画、3DMAX等制作三维动画。这样制出的教学课件在教学中的应用，不仅可以使抽象的理论具体化、形象化、直观化，而且还富有趣味性和感染力，可以充分吸引学生的注意力，也便于学生将感性认识上升到理性认识，帮助学生对教学内容进行理解和掌握，充分调动学生学习兴趣。
如《发酵工艺学》这门课中，最重要、最核心的设备是发酵罐，为了在授课时更加形象生动，学生更好接受课本内容，我们采用Flash软件把发酵罐做成能播放的动画“元件”。这样，在讲授各个章节课件时，当有涉及到发酵罐内容时，就可直接调用它，非常方便。再如在《发酵工艺学》课件制作中，用PowerPoint 作为操作平台，在课件制作时利用工具栏中的“图片”工具栏，利用自选图形中工具，可在幻灯片制作过程中使用各种不同自选图形，把复杂的工艺过程绘成流程图，这样使得讲授内容条理更加清楚，系统性强，可以大大节省时间，学生容易接受。这样以生动的图像、图片及流程图将有关内容展示出来，使学生一目了然，容易建立起工业设备或工艺流程的空间概念，这样做不仅有助于学生对所学知识的理解，而且有助于学生增强自信心，培养对专业的兴趣。
2.3　有利于化学公式推导以及工艺流程图的演示
生化工程专业课程化学公式多，工艺流程图复杂，教学难度大，传统的教学往往不利于公式推导的过程工艺流程图的演示。这方面的教学也是一个比较容易使学生陷入学习困难的地方，是很多教师比较头痛的教学部分。但是如果合理地运用成熟的办公软件对公式和工艺流程图进行处理，更多技巧的运用可以让多媒体教学发挥传统黑板教学推导公式和演示工艺流程图时不能达到的效果。比如：(1)利用办公软件的动画功能就可以设置公式演算和工艺流程图的慢放效果或者手动放映效果，使公式或工艺流程一步一步演示出来，或者在教师操作下演示出来，这样，教师在教学过程中如同书写到黑板上一样有步骤、有时间顺序，留给学生思考的空间。(2)为了强调某个部分与下一个步骤的联系，可以用颜色效果或者箭头来表示内部联系。(3)对于学生不容易理解的步骤，可以任意回放重新演示，并且在需要讨论的地方暂停讨论。
多媒体作为现代化教学的一种手段，在优化教学过程，激发学生创造性思维，提高课堂教学效果，有效地实施素质教育方面起着重要的作用。应用于课堂教学的计算机多媒体技术，作为一种先进的教学辅助手段，和以前传统的“黑板 + 粉笔”教学模式相比，有着无可比拟的优势，能够取得以前传统教学辅助手段（模型、地图和挂图）所达不到的效果。由于采用多媒体教学，明显提高了教学质量和效率，促进了生化工程专业课的教学改革。
3　网络课程在辅助教学中的应用
在信息技术飞速发展的今天，传统的黑板和挂图(含幻灯片、胶片投影)的教学手段已无法适应当前教学内容大信息量和更新周期短的需要，多媒体教学课件的使用，也只能满足有限的课堂教学的需求。
为适应时代的发展，笔者自2003年以来，首先把生物工程专业课之一的主干课《发酵工艺学》课程制作成适合在网络上运行的网络课程，并作为辅助教学使用。在教学时，采用网上教学和课堂教学相结合的方式，其中课程中的基本概念、重点和难点采用课堂教学，在多媒体教室上课，课程作业、课堂讨论、在线答疑和理论等放在网络上进行。经过二年多的实践，已经初步取得成效。
网络课程内容主要由以下三部分组成：（1）教学信息呈示部分。这部分主要是向学习者介绍学习这门课程应有的知识准备，通过学习达到的学习目标以及学科的知识结构等。栏目主要包含：教师风采、课程建设、理论教学、实践教学、课外学习等，在主页面上设有教学公告栏，使学生能在第一时间知道本课程的教学信息，并在课外学习栏目中补充了大量的新技术、新成果等资料，供同学们在网上自由学习。（2）网上交流部分。这部分主要是为师生或生生交流提供“阵地”的。主要栏目包括课堂讨论、网上答疑、学习讨论、师生信箱和任课老师值班时间安排等。（3）评价系统部分。包括对学生在这门课程中的考试与作业的评价、对学习过程参与度的评价、对教师的评价及专家对课程系统的评价等。
在具体的教学过程中，通过网络课程的使用，学生可以采取多种学习方式：
（1）资源利用式，即学生可以通过网络课程上提供的相关链接，获得教育教学网站上丰富的学习资源，查询并下载自己所需要的信息资料，包括各种生物学知识、观点和最新的生物学成果等。比如，生物引擎网网址http://www.bio-engine.com，科学院科技全文数据库系统网址http://lcc.icm.ac.cn/fulltext/database.html，科学数据库网址http://www.cnc.ac.cn，生物科技在线网址http://www.monsanto.com等。
（2）协商合作式，协作式学习是教学的最重要特点，也是最重要优点之一，学生通过网络上的课堂讨论、网上答疑、学习讨论栏目，可以进行讨论、交流，而且还可自由发挥、自由想象，因此能集思广益，便于多种不同观点的碰撞与交流，能在较短时间内使参加讨论的同学对同一复杂问题，获得多方面的较为深入的认识，这对于事物的复杂性和培养辩证思维、发散思维，无疑有很大好处；
（3）自主发现式，即借助网络资源，通过比较异同点，发现问题，主动探索的学习。比如学生学习课本第十章发酵过程的工艺控制之后，学生通过比较发酵生产的三种培养方式（分批培养、补料分批培养和连续培养），找到了异同点，学生对内容的分析和归纳，不但很快得找到了知识，通过查阅相关资料还进一步发现，在实际生产中，人们一直极其重视微生物、动植物细胞的改良和新产品的开发，而忽视了探求改进生产工艺和改善生产设备的工艺研究。学生通过查阅相关资料，发现工艺的改进将会在很大程度上改善产品的质量，提高生产效益，起到上游过程无法实现作用，也充分认识到工艺的研究和优化显得更加重要。
同传统课堂教学课件相比，网络多媒体教学课件与其有许多相同之处，也有不同的地方。许多同学在与网络接触之后，学习兴趣更加浓厚，求知欲望异常强烈。在通过网络扩展了知识外延的同时，学生们真正体会到了“学然后知不足”的深切内涵，进而确定了终生学习的思想。因而，我们应根据网络教学特点，认真研究网络教学对课件的要求，把握网络多媒体教学课件设计、制作原则，力争制作出高质量的网络课件。
4、机仿真技术在实验教学中的应用
实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力十分重要，而实验素质和技能的提高必须通过实验教学的各个环节来实现。但专业实验不同于基础实验，大部分实验操作是综合性大型工艺实验，要建立一个比较完善的生化工程专业实验室，投资较大，如购买一套70升全不锈钢中试发酵罐及其控制系统等较为完备的实验设备，投资就得上百万；另外，传统实物实验要受实验室的自身条件，如仪器设备的种类、状况、成套数及器材消耗等因素的限制，在规定的时间和空间内有选择性地开设综合设计性实验往往存在较大难度；第三，如果专业实验开设数量有限，实验内容更新缓慢，就难以适用技术的迅猛，不利于学生研究设计能力和创新能力的培养。基于以上情况，我们建议把计算机仿真技术引入到生化工程专业实验中，建立生化工程专业仿真实验室。
与传统实物实验相比，虚拟仿真实验以软件为基础，用软件替代硬件实现了各种器件和电路的显示、数据读取、数据分析处理等实物实验只能用硬件完成的功能；同时实现了实物实验很难实现的数据编辑、存储、打印图表等功能，而且点击鼠标即可进行仿真操作，完整地模拟实验操作的全过程。随鼠标的移动，指示出实验装置的各个部件名称，便于了解实验装置的结构，使得学生实验变得更加灵活、简单而富有创造性。
在发酵工艺学课程的专业实验中，通过计算机技术建立模拟实验环境，可以设计许多仿真实验，通过输入必要的参数，或者通过学生交互操作 进行模拟实验 通过输入不同的参数 观察不同的实验结果，进行分析比较，可较好提高学生科学探究的能力。
以青霉素的发酵生产为代表，仿真一套完整的、与工业化生产完全相同的青霉素发酵、分离提取的工艺实验，在仿真实验过程中，将发酵过程中的各种参数的测定融合到具体的实验中。例如：发酵液中青霉素含量的测定、发酵液中还原糖含量的测定、pH的在线检测、发酵液中溶氧浓度DO值的在线检测、菌体浓度OD值的检测、菌体染色及形态观察等，要求学生从实验开始到实验结束，每隔一段时间出样一次进行各种参数的检测。最后根据实验得到的各种数据，结合学过的发酵工艺学的基本原理，对发酵过程中的各种参数的变化及出现的发酵异常现象进行具体的分析，并写出一份完整的实验报告。这样有利于提高学生分析问题解决问题的能力，对其它课程的学习也起到了一定的促进作用。
虚拟仿真实验改变了传统的学习观念，不仅为学生提供了一个开放式的实验平台，也为教师提供了一个优良的辅助教学平台，适合反映新技术新成果应用的新型实验，使学生更直观、灵活、自由地完成学习任务。但发酵过程是一种内在机理十分复杂的生化过程，实际上很难有一种数学模型对所有发酵过程进行准确的描述。为此我们认为，应该把虚拟仿真实验作为传统实验教学的完善与补充，把实物实验与网上虚拟实验、课堂教学与网上教学、实际考核与网上考核有机地结合起来，充分利用先进的计算机设备和丰富的网络资源进行网上虚拟实验教学，进一步提高实验教学水平。
5　结束语
每一种媒体都有自身的长处，对某种特定的教学和学习有效，不存在一种处处适用的全能媒体。同样，每种媒体又不可避免地存在局限性，不利于某些教学和学习。只有在某些特定的教学情境中，一种媒体会比另一种媒体更有效。现代技术作为现代化的教学手段，必须和传统的教学方法融为一体，多种教学媒体互相补充、协调统一，接教材的需要进行优化组合，才能发挥其优势，达到教学的最佳效果。另外，作为一名教师只有深入钻研、勇于探索、大胆实践，并不断学习和掌握现代教育技术，才能提高自己应用现代教育技术的能力，从而优化教学体系，提高教学质量。实践证明，现代教育技术引人生化工程专业课程教学中是高校实施教学改革，提高学生综合能力的有效途径。
：
1、管韶光.《现代教育技术与创新人才培养》[J].河北农业大学报.2002.09:56-57
2、梁晓庆,骆珍仪,骆耀祖.《现代教育技术在高等教育改革中的应用》[J].韶关学院学报.2003.09:57-61