摘要: 合成生物学已成为全球研发及商业开发的热点领域，将实现未来的经济大挪移，同时，合成生物学是交叉性极强的应用学科，因此，合成生物学是良好的构建“专创融合”的课程载体。文章采用双PBL法，即将问题式学习法(Problem-based learning)和项目式学习法(Project-based learning)贯穿合成生物学授课全过程，以学生为中心，着力培养学生发现问题、解决问题的创新意识与创新能力，构建“课创融合、专创融合、赛创融合、产创融合”的立体教学网络，解决专业与产业脱节的问题。
Abstract: Synthetic biology has emerged as a hotspot in global research and commercial development, promising to drive significant economic shifts in the future. At the same time, synthetic biology is a highly interdisciplinary applied discipline. Therefore, it serves as an excellent curriculum carrier for building the integration of “specialty and innovation and entrepreneurship”. This article adopts a dual PBL approach, integrating problem-based learning and project-based learning throughout the entire synthetic biology teaching process. With student-centered, it focuses on cultivating students’ innovative consciousness and ability to identify and solve problems, and constructs a three-dimensional teaching network that integrates “course innovation, specialty innovation, competition innovation, and industry innovation”, addressing the issue of the “mismatch” between majors and industries.
1. 引言
2021年，国务院办公厅《关于进一步支持大学生创新创业的指导意见》中强调“将创新创业教育贯穿人才培养全过程”[1]；2019年，国务院办公厅《关于做好深化创新创业教育改革示范高校2019年度建设工作的通知》中指出创新创业教育改革示范高校的工作重点之一是“建设‘专创融合’特色示范课程”[2]。专创融合是将专业教育与创新创业教育进行深度融合，在讲授专业知识、培养专业技能的同时，注重学生对专业知识的应用与创新，对成果的转化与创业[3] [4]。专创融合是高校构建创新创业教育体系的核心手段，也是高校培养学生在专业领域进行创新创业能力的重要途径[5]。合成生物学以应用性为导向、工程化为理念，通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题[6] [7]。鉴于合成生物学的科学意义和应用价值，全球主要发达经济体纷纷将其列入国家发展战略[8]-[10]。麦肯锡2020年报告预测：未来10至20年，全球生物经济规模将达2万至4万亿美元[11]。本文以合成生物学课程为载体，采用双PBL教学法[12]-[15]，探索生物工程专业专创融合的教学模式，构建“课创融合、专创融合、赛创融合、产创融合”的立体教学网络，提升学生的创新创业意识和能力。
2. 合成生物学专创融合课程教学建设策略
2.1. 双PBL教学法的课程基础
专创融合是对专业知识的综合、创新应用。因此，对于开展专创融合教学的课程，在开课学期上，相对靠后一些比较合适，学生在完成专业基础知识的理论学习和基本实验技能的储备后，再上升到考察综合、创新应用能力的专创融合学习。本专业合成生物学于第6学期开课，前期已完成生物工程导论、生物化学、微生物学、分子生物学、基因工程、生物分离工程、生化反应工程等一系列专业理论课学习；并同步完成生物化学实验、微生物实验、基因工程实验、生物分离工程实验、认识实习等一系列实验、实践课程学习；以及创业学基础课程学习，对广谱的创新创业知识与理论有一定认识。
合成生物学是交叉性极强的应用学科，在完成上述三方面的知识储备后，合成生物学授课宗旨主打知识的输出(即学生对知识的应用)，而非输入(即教师对知识的灌输)。在这个宗旨下，合成生物学采用双PBL授课模式，即以学生完成项目为主线(Project-based)，项目一般来源于真实的实践场景，譬如来源于教师的纵向、横向科研课题，或者项目由学生自行提出，但教师会引导学生思考、完成项目的落地应用场景。在完成项目的过程中，遇到问题，教师再针对性地进行知识滴灌(Problem-based)，是学生基于项目向教师主动索取知识的过程，而不再是教师从第一章讲至最后一章的授课方式。
2.2. 设置侧重专创融合的课程教学目标
专创融合的课程教学目标，除了了解与掌握课程核心知识，更注重课程知识在创新、创业中的应用。合成生物学是生物科学在二十一世纪出现的一个分支学科，有望通过合成生物学解决健康、环境、能源等一系列问题。结合专创融合教学要求，本课程的教学目标设置为：(1) 通过本课程的学习，了解合成生物学内涵、研究方法、方向和工具，合成生物学工作流程，以及合成生物学研究与应用、发展和成果；通过搜索资料自主学习，初步具备提出合成生物学的科学问题，并具备进行初步实验的能力；培养学生提出问题的能力，对技术问题的理解能力，归纳总结能力，并养成终身学习的习惯。(2) 通过本课程的学习，了解文献搜集、市场调研，项目书撰写，PPT制作，项目模拟路演等创新创业知识与方法；对合成生物学应用领域，包括有效的疫苗生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理等，能发掘其中的创业价值，并进行商业化预研。(3) 通过本课程地学习，培养学生能将专业与创新创业相结合，能结合调研与文献，对合成生物学领域复杂工程问题提出初步的方案设想，能对各种方案设想进行分析比较，并具备对可行的方案进行初步实验或实践的能力。同时，在专创融合的实践教学中，潜移默化融入思政元素，激励学生勇于创新，培养学生从专业视角，发现并解决生产实践中存在的问题，培养学生用专业知识创造价值、服务社会的责任感。
2.3. 设置侧重过程性考核的课程评价机制
课程教学目标直接影响课程教学方式、教学内容、以及评价机制。本课程教学内容分为两大板块：课程基础理论知识和专创融合实践活动。课程基础理论知识包括合成生物学概述、合成生物系统设计、合成生物学的基础研究、合成生物学常用实验技术、以及合成生物学的应用研究。专创融合实践活动包括项目式学习法、赛创融合学习法、企业游学学习法、以及翻转课堂。教材选用科学出版社的《合成生物学导论》[16]，辅助教学资源包括中国大学MOOC (合成生物学) [17]、IGEM官网[18]等。课程考核侧重过程性评价，即平时成绩占60%，期末卷面成绩占40%，过程性考核包括：线上作业(20%)：检测各章节理论知识掌握情况；项目研讨(40%)：提交的活动记录 + 活动汇报；项目设计(40%)：项目方案 + 项目路演。根据具体教学效果与需求，可逐步减少终结性考核(期末卷面考试)占比，甚至可以完全采用过程性考核进行评价。
2.4. 构建双PBL“四融合”的立体教学模式
专业与产业，两者是紧密的供需关系，但目前专业培养的人才往往与产业需求存在较大偏差或脱钩，而且专业设立时间越长，这种偏差或脱钩的可能性越大。针对这种情况，合成生物学在课程教学过程中，积极开展“课创融合、专创融合、赛创融合、产创融合”，即“四融合”教育，打通“学、研、创、产”四个环节，在专业与产业、专业与创业之间构建立体网络，切实解决专业与产业脱节的问题(见图1)。
(1) 以课程为载体
课程载体路线：主课→附课→课程群，建立“四融合”主课《合成生物学》，探索立体教学路径、模式；然后以主课为模板，建立立体教学附课(卫星课程)，实践、验证“四融合”主课模式的有效性；最后形成“围绕主课 + 卫星课程”的立体教学课程群，让专创融合教学、创新创业能力培养跨越多个教学周期。
Figure 1. The “Four Fusion” stereoscopic teaching mode of double PBL
图1. 双PBL的“四融合”立体教学模式图
(2) 以平台为支撑
搭建“四融合”立体教学支撑平台，即搭建3C创客教学平台，为“专创融合”课程系统化、规模化运营立体教学内容提供平台支撑，譬如以系为单位，进行“四融合”立体教学项目运营，主要包括三大步：项目征集→项目发布→项目匹配(师、生、项目三方遴选、匹配)，建立校、院、系三级创新端口。因为创新创业思维和能力的培养不是一蹴而就的，因此本专业在进行专创融合培养过程中，通过搭建3C创客教学平台，本科生从大三开始，便跟随科研团队，开展为期两年的沉浸式创新创业训练，并跟随同一团队，直至完成毕业论文(设计)。
(3) 以项目为主线
教学摒弃了传统授课模式，采用“项目式”教学主线，即围绕“听项目”→“研项目”→“做项目”这个教学主线，全程以学生为主体，在项目进行的过程中，学生缺乏哪个板块的知识，再进行相应板块的知识讲解与补充，而不是从头到尾，即从第一章讲到最后一章。因此，课件及教案中的内容，并非全部讲授，而是根据学生情况，进行选讲。例如本专业合成生物学一共32学时，理论讲授16学时(按需滴灌)，活动实践16学时，课程实验部分为课外学时，对接专业开展的“本科生科研训练计划”，时间长达2年。
(4) 赛创加持
赛创融合是产教融合教育过程中，激发学生创新创业兴趣、检验学生创新创业能力的有效途径之一。项目利用专业搭建的创客平台，组织规模化的赛创融合教学，赛创融合项目来源于企业，经教师分解后，形成小的子课题，用于学生科研训练及赛创融合教学。真实企业场景来源的项目的引入，一方面可极大提高学生解决生产实践问题的成就感；另一方面，通过赛创融合，学生研发思维与能力、团队组织与协作、资料搜集与整理、成果展示等能力得到全方位培养，这对于学生步入工作岗位或者继续深造都受益匪浅。
通过平台运作，参与赛创融合的学生覆盖度可达60%以上，获奖率提升50%。2023年本专业赛创融合获省级及以上奖项达11项，其中包括合成生物学国际权威赛事IGEM金奖的突破；同时，以本科生为主，发表A区论文4篇。
3. 双PBL教学法的课程目标达成情况
以2024年春季的《合成生物学》开课数据为例，授课内容包括基础理论讲解和活动实践课，采用分组教学模式。活动课包括3次课外调研，并对调研内容进行记录，3次翻转课堂，2次线上作业(包括基于热点话题的小论文)，2次线上小测验，1次企业游学，1次IGEM金奖项目分享与研讨。综合分析过程性考核和终结性考核，结果显示课程目标的达成度均在88%以上(见表1)，达成情况良好。经与学生交流和教学团队的讨论，认为通过课堂讲授、研讨、课后作业和小测验，学生能够较好地掌握合成生物学的重要理论，能够运用合成生物学知识对生物工程领域的复杂工程问题进行识别、分析和判断；能够基于合成生物学原理，通过文献查阅或相关调研，分析生物工程领域复杂工程问题，并能初步提出相应的解决方案。
由表1可以看出，三个课程目标中，课程目标1达成度相对较低，对应课程相关理论知识、研究方法、研究工具等内容，这可能是由于基于问题(Problem-based)的针对性知识滴灌覆盖不够全面，即非问题提出小组对于针对性滴灌的知识不够重视，或理解不够透彻，导致课程目标1达成度相对较低。课程目标3达成情况最好，对应考察学生对课程知识的综合创新应用、解决实践问题的能力，这表明通过双PBL教学法对于专创融合课程教学是非常有效的。
Table 1. Analysis of achievement of course objectives in “synthetic biology”
表1. 《合成生物学》课程目标达成情况
课程目标
(支撑的指标点) |
课程目标的 折后综合成绩分理论值(%) |
各考核点达成情况(%) |
课程目标达成情况 |
总达成情况 |
期末考试 |
研讨 |
作业 |
小测验 |
名词解释 + 辨析题 |
绘图、阅读答题 + 综合拓展题 |
不定项
选择题 |
课程目标1 (2.3) |
30 |
0.9 |
|
|
0.9073 |
0.8 |
0.88 |
0.8815 |
0.9011 |
课程目标2 (4.1) |
50 |
|
0.9284 |
|
0.9 |
0.9 |
0.85 |
0.8991 |
课程目标3 (12.3) |
20 |
|
|
0.9489 |
0.9153 |
|
|
0.9355 |
4. 小结
“专创融合”是关联专业与产业、创新与创业的重要途径。教无定法，不同学校，不同专业，不同课程均对专创融合课程教学进行了诸多探索[3]-[5] [19]。本文根据合成生物学课程特点，采用双PBL法进行专创融合课程教学，即以项目为主线(Project-based)，在项目进行过程中，围绕问题进行理论知识的讲解(Problem-based)，以学生为中心，进行大量的调研与研讨，每一次研讨都包括资料搜集、研讨报告、PPT展示等环节，学生在大量参与教学过程中，利用专业知识进行创新思考、解决问题的综合能力得到显著提升。赛创融合是检验学生创新创业能力的有效途径之一，分析近三年赛创融合数据可见，本专业学生在各类专业赛事中屡屡突破(见表2)，特别是国际合成生物学顶级赛事IGEM着重考察学生的创新思维、创新设计、学生为主体的参与度、以及项目的落地情况等方面，这与专创融合要求用学科知识进行创新应用解决实践问题高度一致；而揭榜挂帅专项赛更是用学科知识解决来自企业的生产实践问题，这表明专创融合教学不但给赛创提供了有力支撑，同时也切实提高了学生的创新实践能力。
Table 2. Awards received in professional competitions in the past three years
表2. 近3年参加专业类竞赛获奖情况
获奖等级 |
2022 |
2023 |
2024 |
国家级 |
3a |
3b |
5c |
省级 |
3 |
7 |
6 |
总计 |
6 |
11 |
11 |
a全国生命科学大赛获奖；b首次获IGEM全球金奖；c首次获挑战杯“揭榜挂帅”专项赛奖项。
基金项目
2022年校级教改课题：3C创客教学平台搭建；2021年校级教改课题：“合成生物学”专创融合课程建设；教育部产学研合作育人项目：生物工程专业产教融合教学路径探索与实践(项目号：DH1051102)。
NOTES
*通讯作者。