基于OBE理念的“生物工程工厂设计”课程改革探索

［摘 要］ “生物工程工厂设计”是生命科学学院生物工程专业的核心课程，是将专业课和生产实习进行综合与系统化，实现理论知识转化为工程设计能力的必需环节。然而传统教学枯燥、难懂，为了进一步提高教学效果，促进工程技术人才的成长，对该课程特色及存在的问题进行了分析。以虚拟仿真技术为重要手段，融入立德树人的课程思政要素，探索了基于OBE理念的适合于“生物工程工厂设计”的教学模式，以期培养出富有强烈社会责任感与人文情怀、扎实学科专业基础与卓越创新创业能力的高素质应用型人才。

［关键词］ 成果导向教育；虚拟仿真；课程思政；工厂设计；教学改革

［中图分类号］ Q819 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）05-0065-04

引言

2019年4月，教育部启动“双万计划”，经过三年左右时间，建设一万个国家级一流本科专业点和一万个省级一流本科专业点，培养可引领未来发展能力的各类卓越人才［1］。其中，我校生物工程专业入选国家级“本科教学工程”专业综合改革试点、山东省首批一流本科专业，“生物工程专业群”入选山东省高水平应用型重点立项建设专业群。在此契机下，以服务国家战略和地方需求为导向，以培养高素质拔尖人才为目标，强化课程教学，注重培养学生创新能力。

“生物工程工厂设计”传统的授课模式是以教师授课为中心，教师将教材中的知识通过教学课件或板书的形式传递给学生。这种授课模式无法向学生表达和传递设备、生产线、车间及全厂等的三维空间效果，更反映不出生产过程中动量、热量及质量传递和化学反应，难以激发学生的学习兴趣和创新能力。另外，由于企业注重安全生产问题，学生深入企业实习的机会减少，造成学生对工厂生产工艺流程概念的模糊。而且发酵设备多数为封闭式结构，外部构造相似，学生无法观测设备内部构造，更难以了解设备的组装和运行。因此，如何能够培养出适应社会需求的高素质工程技术人员，设计出高质量的工程图纸，是“生物工程工厂设计”课程教学必须解决的问题。以虚拟仿真技术为辅助工具的教学模式实现了资源的跨时空共享，将“课堂—学生—工厂”连接起来，构建切实可行的培养工程技术人员的教学模式。培养过程中要以立德树人为根本任务，将生态文明教育、可持续发展、文化自信等各类课程思政元素融入课程教育，以期培养出既有扎实专业知识又富有社会责任感的卓越应用型人才。

成果导向教育（outcome-based education，OBE）理念是以学生产出为导向、以学生为主体、教师为主导的持续改进的教育理念，是工程教育专业普遍采用的教育模式［2］。本课程以OBE理念为依托，以服务国家战略和地方需求为导向，持续探索该课程的教学模式。

一、虚拟仿真技术在课程中的应用

（一）虚拟仿真技术的优势

20世纪80年代，虚拟仿真技术得到质的飞跃，目前已成为理论研究和实验研究之后第三种认识改造客观世界的重要手段［3］。2018年5月，教育部发布《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，指出深化信息技术与教育教学深度融合，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则，开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作［4］。我校生物工程专业仿真教学也在积极探索中，综合运用信息技术、网络技术及仿真技术，于计算机上建立一套反映真实生产工艺过程和设备的虚拟分析系统进行教学，能够生动形象地介绍相关工艺过程及设备运行方式。学生通过操作虚拟设备及软件，可以得到与真实设备与仪器类似的丰富操作经验。仿真技术对于生物工程课程教学的优势表现在以下3个方面。

第一，发酵产品生产设备非常庞大，在学校里建一套能够体现企业生产工艺的生产线作为实习实训装置，要占据较大的空间，而且生产周期长、原料消耗量大，长期运转成本很高。虚拟仿真技术可以弥补上述缺憾。

第二，能够增强学习兴趣，提高学习效率。模拟仿真软件具有较强的直观性和互动性，合理使用不但能解决大部分生物工程教学内容抽象和课堂枯燥等问题，而且让学生全面了解发酵生产工艺要求及条件等。

第三，可以补充企业实习，方便实用。仿真系统能够很容易地查看相关设备介绍的图片、文字说明、原理演示、动画和录像等，逼真地展现出部分企业实习时看不清楚的结构、工作原理及操作过程。学生还可以直接在计算机上通过仿真软件进行具体生产模拟操作，从而较好地提高实习效果。

（二）虚拟仿真技术在本课程中的应用

基于仿真工艺实习软件设计教学环节，辅助“生物工程工厂设计”的教学工作。通过互动性强的动态展示激发学生对于工程实践的参与热情，学生既可掌握发酵生产的主要参数和调整操作，也可独立完成整个工艺流程的全面操作，最终提高“生物工程工厂设计”课程的教学效果。

首先，学生在实践课开设之前根据课堂学习内容观看3D动画，了解生产过程，结合思维导图绘制梳理预习内容并进行小组讨论，在课程平台上传讨论结果。然后，教师进行指导和点评，并演示虚拟仿真实验软件的使用方法，随后学生进入虚拟仿真内容的模拟操作。以啤酒生产为例，打开虚拟仿真软件，出现3个界面，第一个界面是仿分布式控制系统（distributed control system，DCS）界面，总貌图展示了啤酒生产的总流程，依次点击界面下方的按键，可以学习到啤酒种类、啤酒酿造原料和制麦工序等文字性叙述。按照啤酒生产工艺流程，可以对糊化和糖化、过滤与煮沸、旋沉、发酵设备进行温度、流量等工艺参数的操控。第二个界面是运行界面，学生可以在此界面看到操作情况，根据学生的操作，系统可以打分。第三个界面是啤酒发酵仿真培训界面，学生以第一人称视角操作角色移动，进入生产车间，身临其境进行操作。生产车间以实际工厂为原型进行了设备及管道布置。

通过虚拟仿真的学习，学生认识到发酵生产过程中，各个操作单元不是完全独立的简单串联关系，在不同环节之间有交叉操作，甚至在罐体的使用中亦有综合调配的情况，因此在完成虚拟仿真教学后，强化了整体设计的理念，分析了流程中的设计优化策略，掌握了整体工艺设计的思路。

通过一系列以学生为中心的教学活动，让学生能够更专注于主动学习，从而获得更深层次的理解。教师采用讨论法和协作法满足学生的需要，促成其个性化学习，学生也可获得更真实的学习体验，符合OBE“以学生为主体，以产出为导向”的教学理念。为了了解学生对本教改项目实施的真实态度与学习情况，设置了调查问卷。结果显示，97%的学生认为虚拟仿真技术能够提高课程学习效果，93%的学生认为提高了科学研究能力，90%的学生认为熟悉了生产工艺流程。

“生物工程工厂设计”课程的教学实践表明，利用虚拟仿真技术让学生真实感受到工厂生产情形，直观地认识发酵生产，学生的学习兴趣更加浓厚；另外，虚拟仿真技术的使用增加了学生过程性评价的要素，可以更全面地考查学生素质。

二、课程思政在课程中的应用

2016年12月，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，“使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”［5］。2020年，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，指出立德树人成效是检验高校一切工作的根本标准［6］。落实立德树人根本任务，必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。

专业课程是课程思政建设的基本载体，思政教育融入“生物工程工厂设计”的课堂教学，是实现全方位育人、立德树人的重要手段［7］。思政元素在本课程各章节的具体实施如表1所示。

在绪论部分学习了生物工程工厂设计的重要性，生物工程产业是国民经济中的重要部门，设计工作将科学技术转化成生产力，促进了国民经济的增长和社会的发展，引导学生把国家、社会、公民的价值要求融为一体，把小我融入大我，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。第一章通过介绍基本建设程序内容，帮助学生了解相关专业和行业领域的国家战略、法律法规和相关政策，引导学生深入社会实践、关注现实问题，培育学生爱国、敬业、诚信的社会主义核心价值观。第二章讲解厂址选择原则之一是保护环境时，引入“绿水青山就是金山银山”的科学理念，加强学生的生态文明及可持续发展理念。在讲授总平面设计时，重点介绍青岛啤酒二厂结合地形地势进行了平面和竖向的联合布置，介绍了青岛啤酒在国际上的影响力，激发学生的爱国热情和民族自豪感。第三章通过阐释工艺流程设计要由浅入深和分阶段进行，帮助学生掌握马克思主义世界观和方法论。第四章《工艺计算》部分要求学生具备严谨的计算能力，培养学生精益求精的大国工匠精神。第五章《设备的设计与选型》在讲解专业设备的设计与选型时，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。第六章在讲到车间布置设计中对于生产青霉素类等高致敏性药品必须使用独立的厂房和设施，排至室外的废气应经净化处理并符合要求时，引导学生形成安全生产、环境保护的设计理念。第七章《管道的设计与布置》以身边的暖气管道、煤气管道、供水管道、排水管道等为例，引导学生形成理论联系实际的科学方法。在讲授第八章《公用工程》时，各专业既分工又合作，公用工程设计与生产工艺设计相辅相成，形成一个有机的整体，增强学生辩证思维能力。在讲授供热工程中锅炉设备的燃料选择时，引导学生从环境保护的大局出发选择适宜的燃料，增强学生生态文明建设的使命担当。在讲授第九章《清洁生产与末端治理》时，加强生态文明教育和可持续发展理念，引导学生树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，号召学生增强创新精神。在讲授第十章《工程项目的设计概算与经济效益评价》时，培育学生经世济民的素养及团队协作的精神。

结语

虚拟仿真技术作为一种现代化教学手段，架起了理论与实践教学之间的桥梁。将仿真技术运用于“生物工程工厂设计”的辅助教学中，不仅促使学生更加熟悉生物工程工厂设计流程，能使学生显著提高学习效率和效果，带来诸多方便和节省大量教育成本，而且提高了学生科学探究能力和应用开发能力，是提高教学质量的一种有效手段。思政元素的融入，丰富了课程教学内容，让课程教学变得有血有肉，学生学起来更有激情，有利于全面提升工科专业教学质量，培养高素质应用型工程技术人才。今后，我们将持续改进，继续学习前沿的教学模式及课程思政有效融入课堂教学的渗透方法，为学生顺利成长和健康发展奠定基础。

参考文献

［1］教育部办公厅关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知：教高厅函〔2019〕18号［A/OL］.（2019-04-04）［2023-11-10］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201904/t20190409_377216.html.

［2］扶庆权，王蓉蓉，韩苗苗，等.基于成果导向教育理念的《食品添加剂》课程思政元素的设计与实践［J］.食品与发酵工业，2023，49（19）：376-380.

［3］陈海，朱翰昆，戴宏杰，等.后疫情时代下基于虚拟仿真技术提升食品科学与工程专业教学质量的探讨［J］.食品与发酵工业，2022，48（13）：359-364.

［4］教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知：教高函〔2018〕5号［A/OL］.（2018-06-05）［2023-11-10］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

［5］习近平在全国高校思想政治工作会议上强调 把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面［N］.人民日报，2016-12-09（1）.

［6］教育部.关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知：教高〔2020〕3号［A/OL］.（2020-06-01）［2023-11-10］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.