构思—设计—实现—运行(conceive—design— implement—operate，CDIO)工程教育模式是国际高等工科教育的一种创新模式，其以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动、实践、课程之间有机联系的方式学习工程的教育模式。基于“项目的教育与学习”手段，实现学生将工程基础知识、个人能力、团队合作能力和工程系统能力的提升与融会贯通。CDIO通过工程教育过程关注学生工程化学习中的主动性和实践过程的完整性^[1-2]。目前，基于CDIO理念的课程改革研究较多，其核心是以实际项目为载体，引导学生以主动、实践的方式进行学习，将知识、能力、素质的培养紧密结合，使理论、实践、创新融为一体^[3-4]。通过在“做中学”和“项目驱动”教学方法来实现专业知识、实践技能的掌握。CDIO教学模式能在实践教学实施过程中培养学生的创新设计能力和实践应用能力^[5]。

与传统的高等教育理念相比，基于成果导向的成果导向教育(outcome-based education，OBE)理念则重视学生的学习目标和学习成果^[6]，这为我国工程实践教学改革提供了更为明确的目标，并在中国工程教育改革中已得到广泛应用^[7-8]。基于OBE理念的工程教育，有利于培养学生具备未来步入社会后所需要的知识、能力和素质，符合复合应用型人才培养的目标需求^[9]。

“发酵工程实验”是大连民族大学生物工程专业一门重要的实践类课程，是完善和巩固“发酵工程”基本理论知识和实践操作技能的直接纽带，也是微生物学、细胞生物学、生物化学、基因工程、工程制图等相关专业知识的综合应用。基于CDIO-OBE理念的“发酵工程实验”课程的改革是结合目标微生物菌株发酵实践的项目案例，通过开展目标菌株发酵项目的设计、论证、实施、结果分析、评价等模块化课程内容设计和实施，并结合设计展示、项目论证和总结答辩、过程评价与讨论等全过程而实现教学目的。CDIO-OBE工程化教学形式对提高学生理解掌握专业基础知识及其在工程项目中的综合应用、培养学生的职业素养和团队协作精神、适应新时期生物工程领域人才的需要尤为重要^[10-11]。

1 基于CDIO理念的“发酵工程实验”课程设计思路

“发酵工程实验”是所有生物工程专业基础课程讲授后的专业课程也是与行业领域紧密联系的实践课程。CDIO理念是将学习过程融入目标实现的全过程，是典型的“做中学”^[7]。因此，“发酵工程实验”的设计思路即是以发酵产品获得的工艺设计、设备操作、产品实现、质量评价等全过程作为学习环境，通过课程的构思、设计、实现、运作4个环节实现课程目标。

课程构思是基于分析学生对学习的需求设定的学习目标，包括学习能力、个人职业能力、职业道德训练、团队协作以及创新能力培养。课程内容是基于“项目”进行设计。首先学生通过网络平台学习资源进行自主学习及学习效果评估，结合学习效果和教学及评价方法的持续改进，使教学内容的设计不断满足教学目标的需求。课程的实现则是在开放实验室条件下，通过学生“做中学”、翻转课堂，结合全程指导和过程评价以及引入成绩奖励机制等教学模式和评价方法的改进来达成。项目运行则是以“团队”(组)形式开展，学习者和指导者均职责分明，要求指导教师贴近指导和实时答疑，最终实现项目完成，达成课程目标(图 1)。

2 基于CDIO理念^[12]的“发酵工程实验”课程内容设计

以“发酵工程”课程建设为载体和专业人才培养目标为导向，设置“发酵工程实验”课程内容。以龟裂链霉菌(Streptomyces rimosus)产土霉素发酵工艺优化和红发夫酵母菌(Phaffia rhodozyma)产虾青素发酵工艺优化2个项目为例(表 1)。要求实验设备5 L发酵罐不少于4套，课程学时为48 h。实验要求完成龟裂链霉菌或红发夫酵母菌的发酵条件优化，获得高产率产品。实验完成方式是以项目为载体，要求学生完成前期自主学习和相关知识及技能考核、分组选题、文献查阅、方案制定和论证答辩、项目实施和总结答辩等主要环节。改变传统的以实验演示、学生观摩为主的教学方法。采用“做中学”的“翻转课堂”教学模式，以学生为主，以教师为辅，以项目贯穿所有学习内容，进而培养学生自主学习和实践相结合、分析问题和解决实际问题以及团队合作完成任务的能力。

“发酵工程实验”课程改革后的内容分为4个模块(图 2)。首先学生通过网络平台资源自主学习，期间结合与指导教师的互动讨论，学习结束通过考核合格后，方可进入项目启动阶段学习。项目启动阶段的学习要求学生进行自由分组，明确组内岗位分工；同时要求每组设组长(总协调)、主答辩长(PPT制作及答辩)和评阅长(对其他组进行评价和评分)各一名；组内成员分工实行轮换制，使学生在学习中体验不同角色和职责转化。小组建立后，首先针对给定的不同选题分别分析，确定选题。经文献查阅、总结、分析，最终形成项目实施方案的论证报告，并要求小组以PPT形式对论证报告进行答辩。论证报告包括选题意义、龟裂链霉菌/红发夫酵母菌培养要求、发酵原理、发酵工艺调控及依据、发酵产物检测方法以及团队分工、预期实验结果等。项目论证报告答辩合格后方可进入项目运行模块。项目运行模块是基于任务驱动的模式进行操作训练及目标达成^[13-14]。该模块内容为实验课的重点内容，主要由发酵系统结构剖析、发酵操作训练、发酵工艺优化设计、发酵产物分离操作四部分构成。该模块的学习是由教师提出学习目标和要求。例如，要求学生在熟悉发酵系统和发酵设备结构后绘制完成发酵系统和设备结构图。同时，该模块每部分的训练要求教师跟进指导，针对个性问题实现现场实时答疑针对共性问题开展现场讨论，并鼓励学生针对问题提出创新性解决方案。最后为项目验收模块，该部分要求学生提交完整项目报告，并针对项目报告内容进行总结答辩。总结报告内容包括发酵实验结果和分析，与文献资料对比分析，提出改进措施等。同时，总结整个实验过程注意事项、易误操作或失误分析、学习心得，并对整个实验课程内容设置、实验室条件、团队协作、教师指导等提出意见和建议，以利于课程的持续改进和完善。本研究将参与课程改革的2个班59名学生分为10个小组。根据选题情况，将实验课分3批进行，每批3−4组；每批实验持续3周(内容包括前期准备、文献查阅、论证、实施及小组总结分析等)。

3 开展“做中学”的“发酵工程实验”课程教学模式改革

教学内容实行模块化，每个模块分别提出不同的学习要求和目标。各模块间是渐进关系，即只有完成上一模块学习方能进入下一个模块学习。每个模块通过确定目标、任务完成时间节点及不定期辅导等环节设计，实现“做中学”教学模式(图 2)，以培养学生主动学习能力。教师作为指导者，在每个模块开始学习之前均要结合模块学习目标和要求进行针对性辅导和答疑，全程做到与学生实时互动和指导，或适时采用提出问题、回答问题、问题总结等方式，使学生始终保持主动学习热情。如在“项目启动”的选题论证阶段，指导教师要介绍文献查阅方式、阅读技巧、如何围绕选题进行文献总结分析等。再如“项目运行”工艺优化阶段，提出“溶氧量下降对菌株生长会有何影响、如何提高溶氧量”等问题，让学生先寻找答案，再进行总结讲解。既可以使学生理论知识和实践结合，又可培养学生分析问题和解决问题的能力。对于学习者，则采用不同角色互换，如组长、答辩人、操作者等，使学生体验不同角色的职责和要求，学习工作中如何换位思考，体验团队合作的重要性，培养学生的团队精神。

4 建立基于OBE的学生学习效果评价体系

OBE是基于成果导向的学生教育效果评价模式。建立了基于OBE的学生学习效果评价体系，该体系是贯穿于整个课程教学过程，由课程组教师和学生共同参与的学习效果评价方式^[15]。评价体系包括线上学习平台系统的自动评价、组内和组间互评、自我评价、教师评价及项目报告质量等(图 3)。线上学习平台自动评价，包括发酵操作视频学习、实验安全知识学习等网上学习完成情况以及学习平台学习测试成绩。小组评价包括项目论证报告、实操评价、答辩PPT制作质量、答辩、目标实现程度等。实操评价包括实操训练参与程度、操作规范性、操作失误率、团队合作程度等。另外，评价体系创新引入奖励成绩，即项目完成过程中，如果学生针对项目提出具有一定改进、实际可操作性、利于产品产率提高的建议则可获得附加奖励成绩。综上所述，我们通过过程环节的评价构建了基于OBE理念的形成性学习考核及评价体系。

5 “发酵工程实验”课程改革效果评价 5.1 课程教学目标达成分析的内容设置

基于实验课程评价方式，教师在每学期还要针对每名学生的学习成绩进行“发酵工程实验”课程教学目标达成度分析。达成度是根据课程的5个教学目标即学习能力、个人职业能力、职业道德训练、团队协作、创新能力培养进行综合分析。根据每名学生的各分项考核的评分情况评价本课程最终的学习效果达成度。

(1) 学习能力：通过文献查阅和总结、发酵系统和发酵各单元设备结构图绘制质量和规范性、操作规范性、PPT质量以及网络平台自动评价等环节，评价学生自主学习能力。

(2) 个人职业能力：项目实施过程中是否能够灵活运用发酵工程课程的基本理论和实践相结合，针对实际问题分析与解决能力、应急故障处理能力等，评价学生的职业能力。

(3) 职业道德：贯穿项目完成的全过程。例如整个项目完成过程参与度、实验环境卫生保持度、分工任务完成度、实验安全性认识程度、与组内成员工作协作性、组间评价的客观性和合理性等。

(4) 团队协作：综合考核小组项目完成全过程。包括项目完成质量、发酵过程的配合程度、项目论证和总结PPT制作质量、答辩质量等。

(5) 创新能力：根据项目实施方案制定、发酵工艺优化改进及创新性建议等方面来评价学生的创新能力。

5.2 课程改革后的调查问卷分析

课程结束后，对课程改革效果进行了问卷调查。调查问题共计8项，设a、b两个选项。问卷调查对象是参加课程改革试点的2个班共计59名学生。共发放问卷59份，回收问卷59份。由表 2调查结果可知，无论对课程内容设置的满意度、对课程的感兴趣程度、课程考核方式，还是对是否愿意进行团队合作、是否希望课程改革以及工程训练的必要性等方面，学生的满意度在69.5%−100%。其中，希望进行课程内容改革和认可网络自主学习、小组讨论及“做中学”学习方式的满意度分别为96.6%和100%。除“愿意与老师进行交流学习”占69.5%，其余各调查项的满意度均大于80.0%。调查结果表明，绝大多数学生对“发酵工程实验”实施课程内容和教学方式的改革是持积极和认可态度的。认为新的课程内容和教学方法及方式优于传统的教学模式。这是由于传统实验课的授课方式只是将发酵课程内容分解为若干个操作单元学习，且多以教师演示操作为主，没有设定学习任务和目标，使学生对发酵工程的认知仍停留于感性认识，缺乏系统性、连续性、实践性和应用性。另外，调查结果也说明，在我们的课程改革实践中还存在着需要持续改进的问题，如在师生交流学习环节调查满意度不高。究其原因：(1)无论教师还是学生对借助学习平台进行交流的方式还有一个适应过程；(2)学习平台可能没有师生所熟悉的微信或QQ方便交流；(3)在课程项目选题方面仍需结合学科研究方向和教师的科研成果进行多样化设置，以科研促进教学，实现科研成果在教学过程的转化。

5.3 课程改革的后续效果

“发酵工程实验”课程实施改革后取得了良好的教学效果，得到学生的普遍认可，提高了学生学习专业的兴趣和主动性。在“发酵工程实验”课程结束后，通过调查参加课改试点的生物工程专业2个班共计59名学生，在选修工程类课程、主持/参与大学生创新创业项目、参加并获得各类竞赛人数等方面均较以往有所提高。例如获得2019年大学生创新训练项目资助6项，主持/参与人数29人次；在第四届全国大学生生命科学创新创业大赛中，试点班学生共有6个参赛队30人次参加，分获创业类一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项和创新类二等奖1项。同时，在各类竞赛中，也进一步推动了学院的食品科学与工程、食品质量与安全、化学工程与工艺、生物制药等专业融合，形成跨专业组队参赛。

虽然实践类课程改革无论从课程内容设置还是教学方法和方式上仍需继续探索和持续改进，但通过基于CDIO-OBE理念的“发酵工程实验”课程改革实践发现，新的教学内容设置和教学模式实践能促进学生对工程项目的认识，培养学生自主学习能力以及分析问题和解决问题的能力，从而达成培养复合应用型人才的目标。