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【关键词】可湿法加工 单层器件 电致发光
【中图分类号】 O611.4【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158(2013)07-0004-02
自从1987年C.W. Tang报道双层夹心结构的有机电致发光器件(Organic Light-emitting Diodes, OLEDs)以来[1],有机发光显示技术作为最理想的平面显示技术已备受广泛关注,与广泛使用的液晶显示技术(Liquid Crystal Display, LCD)相比,其优点在于自发光、广视角(165°以上)、反应时间快(~1 μs)、高发光效率、低操作电压(3~9 V)、面板厚度薄(2 mm)、可挠曲性和低成本(比TFT-LCD便宜30~40%)等 [2]。另外,OLEDs还可用于固态发光光源,其还具有发光颜色易于控制和节能的特点[3]。因此,对其研究势必成为今年来的研究热点之一[2-5]。
研究表明,OLED的发光效率、器件寿命及其他性能参数主要取决于所采用的发光材料、器件结构和加工技术等关键因素。要获得性能优良的器件,首先选择合适的材料。目前国内外在对OLED关键材料与技术的研发上取得了一些重要成果,并有商业化产品陆续推出。目前达到商业化应用前景的主要有机小分子材料,这类材料的OLEDs器件主要是采用真空升华的方式制备多层结构。主要包括电子传输层(Electron transporting layer, ETL)、空穴传输层(Hole transporting layer, HTL)、发光层(Emitting layer)等[6],这样使得器件的制作工艺比较复杂,不利于控制和大面积生产。近年来提出了有机小分子可湿法加工加工工艺,然而对于多层湿法加工的器件存在一定的难度,尤其是层与层之间的相溶性难于控制,从而导致器件的亮度和效率急剧下降。因此,采用双极性材料作为获得高效OLEDs材料已成为近年来新的研究热点和发展趋势。同时在分子中引入含电子传输基团和空穴传输基团的双极性(Bipolar)结构,这样可以把原本需要分别加工的ETL和HTL合并为一层,很大程度上简化器件的结构和制作工艺。2006年香港的Li等人[7]合成了一种双极性化合物TAZ-OF(3)-NPh作为单层发光材料,分子中同时含三苯胺(HTL噁)和唑(ETL)功能基团;接着,台湾的Huang[8]等人把缺电子的苯并亚砜结构(ETL)和富电子的三苯胺结构(HTL)同时引入一个分子中,采用蒸镀升华的方式将其加工成小分子单层OLED器件,性能较为优异,发光效率为3.9 lm W-1;电流效率达到7.5 cd A-1。最近,Ma[9]等人报道了系列可湿法加工单层OLEDs材料,其器件表现出优越的性能。鉴于此,本课题组通过设计合成出一种新型的双极性材料,合成路线见Scheme 1,分子中以具有强的电子传输性能的二苯并噻吩砜作为中心核,烷基链取代的二苯胺作为空穴传输功能基团,采用Suzuki偶联制备合成。并使用湿法加工工艺将其制备成单层发光器件,器件的最大发光亮度达到6084 cd/m2,效率为0.84 cd/A和0.56 lm/W。
实验部分
熔点测定采用北京精密科学仪器有限公司XT-4型显微熔点测定仪(温度计均未校正);UV采用SHIMADZU UV-2550型分光光度计;IR采用PE Spectra One 1730红外光谱仪(KBr压片法);1H NMR采用德国-瑞士的DRX-400 MHz核磁共振仪,TMS为内标,氘代DMSO为溶剂;MS采用FINNIGAN Trace DSQ气相色谱—质谱仪(直接进样);元素分析采用FINNIGAN C, H, N, S, O元素分析仪;FL采用日本HITACHGI公司F-2500荧光光谱仪。二苯并噻吩、1-溴辛烷、双戊二酰二硼、PdCl2(dppf)均购自日本东京化成试剂公司;柱层析硅胶使用青岛海洋化工厂的(100~200目),其它试剂均为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司,未处理直接使用。
化合物1的合成
化合物2的合成
称取3.42 g(10 mmol)的化合物1置于150 mL的单口圆底烧瓶中,然后再向其中加入15 mL 20%的双氧水和60 mL的醋酸,加热回流12 h,反应结束后,冷却至室温,将上述反应液倒入250 mL的去离子水中,过滤。沉淀在DMF中重结晶,得到白色针状晶体3,产率,3.67 g,98.1%。熔点:215-216 oC,与文献报道一致[10]。
化合物3的合成
称取5.0 g(20.2 mmol)的4溴-N-苯基苯胺,7.4 g(150 mmol)的氢氧化钾置于500 mL的三口圆底烧瓶中,向其中加入250 mL的DMF,氮气保护下搅拌30 min,然后再将8.89 g的NBS的150 mLDMF溶液缓慢滴加到上述溶液中,搅拌过夜,反应结束后,将反应混合液倒入冰水中,用乙酸乙酯萃取,干燥,旋干溶剂,得到黄色油状液体3,化合物未进行进一步纯化,直接进行下一步反应。产率,6.93 g,95.3%。
化合物4的合成
称取2.8 g(11 mmol)双戊二酰二硼,0.3 g (0.3 mmol)PdCl2(dppf)及3.0 g(30 mmol)的乙酸钾溶于30 mL的DMSO中,混和物在氮气保护下搅拌30 min,然后向上述溶液中加入化合物3,氮气保护下加热至85oC,反应24 h。反应结束后,冷却,混和物使用二氯甲烷萃取,过柱分离,得到黄色粘稠状液体4,产率,3.475 g,71.5%。1H NMR(400 MHz, CDCl3): 8.21 (d, 2H, J=8.42 Hz), 8.03 (d, 2H, J=8.20 Hz), 7. 62-7.59 (m, 2H), 7.44 (m, 1H), 7.21 (d, 2H, J=8.40 Hz), 3.68(t, 2H, J=3.62Hz), 1.64 (m, 2H), 1.12-1.03 (m, 22H), 0.88 (t, 3H, J=3.60 Hz); 13C NMR(100 MHz, CDCl3): 151.3, 141.2, 132.3, 123.6, 121.2, 119.3, 87.3, 51.2, 33.8, 28.2, 23.3, 21. 4, 13.3; ESI-Ms: 407.1 (M+).
化合物5的合成
在装有磁力搅拌器的三口烧瓶中,将1.02 g(2.5 mmol)的化合物4,0.374(1.0 mmol)的2,8-二溴二苯并噻吩砜, 75 mg(0.09 mmol)的四三苯基磷钯,2M的碳酸钾溶解6 mL溶于30 mL甲苯中,氮气保护下在105℃反应24h,去除溶剂,过柱分离、提纯得到白色目标化合物5。产率,0.48 g,62.1%。1H NMR(400 MHz, CDCl3): 7.96 (s, 2H), 7.82(d, 2H, J=8.80 Hz), 7.66 (d, 2H, J=7.88 Hz), 7.52 (d, 4H, J=8.0 Hz), 7.37 (t, 4H, J=7.60 Hz), 7.18 (d, 4H, J=8.0 Hz), 7.33 (t, 2 H, J=7.8 Hz), 6.96 (d, 4H, J=7.6 Hz), 3.75 (t, 4 H, J=8.0 Hz), 1.75-1.68 (m, 4H), 1.33-1.28 (m, 20 H), 0.88 (t, 6H, J=5.6 Hz); 13C NMR(100 MHz, CDCl3): 148.9, 147.2, 146. 9, 135.6, 132.4, 129.6, 129.4, 128.1, 128.0, 124.5, 123.8, 122.4, 118.9, 117.6, 52.5, 31.8, 29.4, 29.3, 27.4, 27.1, 22.6, 14.1; ESI-Ms: 775.2 (M+); Anal. Calcd for C52H58N2O2S: C, 80.58; H, 7.54; N, 3.61; S, 4.14; found: C, 80.22; H, 7.51; N, 3.92; S, 4.07.
器件的制备与测试
ITO 玻璃衬底用清洁剂、丙酮、乙醇、去离子水反复擦洗, 超声, 干燥。 器件的制备在氩气氛手套箱内进行。将化合物5配制成40 g/mL的对二甲苯溶液,首先在ITO衬底上旋涂一层PEDOT:PSS,旋涂速度为3000转/秒,在120 oC下退火15 min,然后将化合物5的二甲苯溶液旋涂至其上,旋涂速度为3000 转/秒,在80 oC下真空退火。最后生长LiF 和Al 作为阴极, 在生长的过程中系统的真空度维持在10-4 Pa 左右, 蒸发速度控制在0.2-0.4 nm s-1。室温、大气环境下,对以上未封装器件用由计算机控制的美国吉时利(Keithley)仪器公司生产的可编程的电流-电压源Keithley Source 2400和美国产的光谱扫描光度计PR655 所构成的测试系统来表征亮度-电压(L-V),电流-电压(I-V), 色坐 标及电致发光(EL)光谱。有机膜的厚度由上海产的FTM-V型石英晶体膜厚监测仪监测。所有的数据都是在室温下大气中测得。
结果与讨论
紫外吸收及荧光光谱
目标化合物的紫外吸收及荧光发光光谱见图1,其吸收和发光光谱分别在日本Shimadu UV-2100和Hitachi公司的 F—2500荧光光谱仪上完成,试样浓度均为10-4 mol/L,溶剂为DMF。显然,从目标分子的紫外吸收光谱中可以看出,分子表现出两个吸收峰,分别位于320 nm和368 nm,位于368 nm处的吸收是由于分子中π-π*跃迁所致,而位于320 nm处的吸收是分子中的σ-π跃迁所产生的。目标化合物的荧光发光光谱使用368 nm波长的光作为激发光,其发光光谱如下图所示,其发光峰位于502 nm处。另外,该目标化合物的荧光量子产率采用罗丹明6G作为标准,测得其量子产率(PLQY)为0.83。
电致发光性能
由于该材料具有很高的荧光量子产率,优良的溶解,成膜性以及合适的HOMO和LUMO能级,我们采用湿法加工的方法制备了器件,结构为:ITO/PEDOT:PSS (40 nm)/ 5 (40 nm)/ CsF (1 nm)/Al (100 nm),其中PEDOT:PSS作为空穴注层;化合物5同时作为载流子传输和发光层,1,3,5-tri(phenyl-2- benzimidazolyl) benzene (TPBi)作为电子传输和空穴阻挡层,一薄层(1 nm)CsF作为电子注入层沉积在铝电极表面。器件结构图如图2所示。
电致发光光谱显示目标化合物的发射峰位于503 nm。其色坐标为(0. 21,0.48),为绿光发射。其电致发光光谱见图3图中所示。其EL光谱和PL光谱证实相同的发光过程来源于单线态激子的辐射跃迁。为了进一步考察目标化合物对器件发射光谱的影响,我们采集了不同驱动电压下器件的电致发光图谱,如图图3(b)所示。从图中可以看出,在所有不同驱动电压下的电致发光器件中,均只表现出目标材料5的发射光谱,这说明器件中注入的能量完全转移在不同的操作电压下是相一致的,真正实现目标化合物的发射。从图中可以看出,所用操作电压下所测的电致发光图谱还是相当稳定的,谱图基本相同,其发射峰维持在502 nm处基本不变。而其,其色坐标值也基本保持不变。
图4描述了目标材料5的电压-亮度和电流密度-效率特性曲线。从图中可以看出,目标化合物的启亮电压为6.5 V,最大发光亮度达到6084 cd/m2,表明该单层器件中的电子和空穴复合良好。器件的发光效率和电流密度曲线图显示,该器件的发光效率在高电流下没有表现出衰减现象,其最大发光电流效率为0.84 cd/A。该器件的功率效率通过公式ηP=πL/IV计算而得,其中L发光亮度,I为电流,V为电压,得到该目标化合物的功率效率为0.56 lm/W。
结论
本论文演示了一种可湿法加工单层有机电致发光材料,材料中以具有强的电子传输性能的二苯并噻吩砜作为中心核,烷基链取代的二苯胺作为空穴传输功能基团,采用Suzuki偶联制备合成。并使用湿法加工工艺将其制备成单层发光器件,器件的最大发光亮度达到6084 cd/m2,效率为0.84 cd/A和0.56 lm/W。
参考文献
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【关键词】生物工程专业 特色专业建设 学科建设 工科
我国生物工程专业自1998年设立以来,迅速发展,而社会发展使生物工程产业对从业人员的实验技能、工程问题解决能力和经验都提出更高层的要求。如何使高校人才满足行业需求,达到供求平衡发展,建设具有特色的生物工程专业,使人才培养落实到位,是本文重点探讨的问题。
目前,生物工程专业因各高校设立背景不同,课程设置普遍存在上下游技术教育结合不紧密,或偏工或偏理的情况。各种教材因对体系完整的要求导致在实践教学中教学内容重复比例偏大,浪费教育资源的情况;传统课堂教学的模式致使生物工程的教育偏理其工科本质,实践教学比例远远满足不了对工科人才培养的需要,针对生物工程专业发展的现状,笔者结合教学实践提出了以下几条切实可行的改革方案。
一、调整课程体系,推进课程建设改革
在课程体系上既要注重工程技术类基础课、生物工程下游技术类课程的开设,又要兼顾生物学类基础课程、生物工程上游技术类课程的设置,保证生物工程专业课程体系的科学性和完整性,使其有别于生物科学和生物技术专业的课程设置而充分体现生物工程专业的工科特点。除此之外,课程设置更须注重课程内容的横向联系和纵向衔接,避免教学内容出现不必要的重复和遗漏,以有限的时间传授最大量的信息。
以我院为例,其生物工程专业是从食品科学与工程专业到发酵工程专业逐步演变而来,发展初期存在重工轻理、生物工程上下游技术脱节、实践课时紧张等问题。2003年初修订了专业培养方案,将以微生物体系为主的原专业体系,拓宽至包括酶、动物细胞和植物细胞在内的整个生物体系,并增加理论基础课程:基础生物学、细胞工程、分子生物学、基因工程等,删除了工厂供电与自动控制、工厂建筑概论。经过近二十年的教学实践和逐步完善,建构了依托我校食品科学与工程、土木工程、机电一机化等学科优势,以工科为背景,食品学科为优势,微生物学为基础,技能培养为特色,厚基础、宽口径、高素质、技能强的应用型技术人才培养方案。
近一步的设想将原教学体系中以多门工艺学课程为主、学时较多的专业必修课,调整为生物反应工程、发酵工程和生物工业下游技术三门课程,以生物产品生产过程的基本单元操作为主线,阐述生物生产工艺的基本理论和操作技能,为从事生物新产品和新工艺的研究与开发打好应有的理论基础。将生物工业分析课实验融合到生物工艺大实验中,改为设计性、综合性大实验,提高学生主动参与性。
二、 突出学科建设核心,切实加强师资队伍与教材建设
学科建设的核心是学术梯队建设,所谓学术梯队就是由具有一定组织结构的科研人员队伍组成,高校中的科研人员主体就是大学教师。优化学术队伍的组成,提高教师学术水平,加大科研人才的培养和引进力度,必将促进学科发展,为特色专业师资队伍的建设提供保障。
生物工程特色专业的建设,需要构建一支学历结构合理、了解社会需求、实践教学经验丰富的高水平师资队伍,主要通过以下4个方面:1.引进与培养双管齐下:引进学术带头人,特别是海外高水平人才,同时每年遴选在校教师进行国内外学术访问与进修;2.注重青年教师工程能力的培养:鼓励青年教师积极参与产学研合作,深入生产企业,加强工程能力的实践和训练,并聘请知名生物工程公司的高级技术人员作兼职教授,定期对教师开设讲座,提高青年教师理论联系实际的能力;3.丰富师资类型,通过联合办学等形式,外聘企业工程技术人员承担诸如实习和毕业设计等实践性教学工作,为学生提供更加适应市场需求的实践指导。
在教材建设方面,选用能反映学科发展动态的最新获奖教材,以适应专业科技发展的趋势。在培养计划和教学大纲的编写中明确学科知识的综合性与实用性,全面梳理各科知识点和授课内容,减少课程重复。在实际教学中,还需根据知识点及时引入学科新动向,用多种教学手段启发学生兴趣和思维习惯,激发学生自主探索精神。
以目前我院生物工程专业的学科建设情况为例,14名专任教师中,硕博比例达到86%,国家粮食局直接联系专家1人,河南省普通高等学校学科带头人2人,河南省青年骨干教师1人,校级青年骨干教师2人,在现有师资基础上不断引进新的学术带头人和优秀博士,每年派1~2名教师国内外进修学习。高水平学术梯队也为学生科研素质培养提供了良好的条件。
在教材建设方面,编写适合于我校生物工程专业发展的特色教材。已出版《食品微生物学》《食品发酵工业三废处理与工程实例》,即将出版《生物工程工厂设计》。目前已有校级精品课程1门,校级优秀课程2门,院级优秀课程5门,课程教学质量稳步提高。
三、 加强校内外实习基地建设
生物工程专业性质决定了其实习的重要性,应非常重视实习基地的建设,一方面在实习经费上加大投入,积极与校外企业建立合作关系,加强合作,产教结合,为学生提供就业实训机会;另一方面努力加强校内实践基地建设,如我系生物工程实验室已建立一个小型啤酒发酵车间,学生可参加从原料处理、发酵、分离提取到啤酒成品制造的整个生产过程。还将建立一个中试发酵车间,配备30L、100L和500L发酵设备各一台,并辅以电热锅炉、无油空压机、板框过滤机、膜过滤器等下游设备,可以进行中试规模生产。通过这些基地实习,有力地巩固了理论课的教学内容,使学生在丰富多彩的教学手段中获得乐趣。
四、加强课程设计环节的实战性
根据工厂企业等生产一线问题或结合教师科研内容设置生物工程专业课程设计的题目,增加实验的实战性,可以激发学生的学习热情,培养学生分析问题和解决问题的能力。并弥补了学生在毕业设计环节因课题要求局限造成的工程与科研训练不均衡的缺陷。
课程设计在内容上,以生物工程产品为纽带,融会多门课程的知识点,增加综合性。比如在年产100吨蕃茄红素工厂设计项目中,菌种的扩大培养与发酵过程中形态观察涉及微生物学;发酵过程的工艺控制涉及生物工艺学,产物生成速率、细胞生长速率及底物的消耗速率等属于生物反应工程的内容;过程中参数的检测与控制方案涉及生物过程检测与控制;菌种的代谢涉及生物化学及代谢控制;上罐发酵涉及生物工程设备以及微生物工程工艺原理的相关知识点;蕃茄红素的提取则利用了生化分离工程中的方法;在绘图过程中又复习了AutoCAD和生物工厂设计。通过综合性课程设计建立起了绝大多数专业课程的内在联系,完善了生物工程实验课程和理论课程体系的优化整合,同时也增强了学生综合解决问题的能力。
五、 毕业环节的改革
除了由在校教师拟定的科研题目外,毕业设计的课题还可来源于企业要求,允许一些已找到就业单位的学生根据隶属企业的培养要求安排课题。学生可以对企业的生产产品、生产流程、产品质量要求等内容提前掌握,即为企业做了一点实际工作,又缩短了入职适应期。我院2002、2008届各有1个毕业生在郑州良源分析仪器有限公司进行了《柠檬酸菌渣制备壳聚糖的研究》《利用餐馆废油生物法制备生物柴油的研究》,通过毕业设计完成实习期任务,毕业后直接上岗。
我院还采取了联合培养的方式,如和河南莲花味精集团、江苏省江阴生物酶制剂有限公司建立了长期的产学研合作关系,和河南省科学院生物所、永达食品集团工程技术中心等研究院所建立了共同指导本科生毕业论文协作关系,并鼓励有条件的学生自行联系科研院所及企业开展联合指导本科毕业论文工作。2003年还曾将3名学生派送到上海农科院去做辅助科研并完成毕业论文,其中1名学生因此获得就业。
结束语
在特色专业建设过程中,应根据国内外生物工程发展的趋势,不断改善和优化课程体系,加大仪器设备投入和师资队伍建设,以理论教学和实践教学并重,为全国生物产业的快速发展提供高素质的智力支持,并为全国相关专业人才培养和培训的高水平专业平台建设作出贡献。
【参考文献】
[1]李浪,翟丹丹. 生物工程专业现状及存在的问题及对策.教育界,2012.
【关键词】生物工程专业 实践能力 核心 人才培养
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889(2015)02C-0170-02
当前,为了应对全球范围内生物工程应用技术的高速发展,很多高校纷纷举办生物工程专业。一方面,由于专业课程设置和人才培养方向趋同,毕业生的专业素质与社会需求存在一定的脱节;另一方面,由于国内生物工程领域滞后的产业环境和创业平台的缺乏,毕业生就业和创业前景受到极大阻碍。对此,高校必须以实践能力培养为核心,设法在人才培养环节上下工夫,通过修订人才培养方案,开展教学内容与课程体系改革,因材施教,按生物工程应用方向细分培养,形成专业独特的培养特色和人才素质表征,培养出更适合于生产、科研开发或社会产业需求的综合实践能力强的专业人才,拓宽毕业生就业渠道,最终增强毕业生竞争力。湖南农业大学生物工程类专业经过连续10年的办学,在人才培养模式的改革和实践方面,以及特色创新人才培养方面积累了丰富的经验。国家生物产业发展“十二五”规划要求2015年国内生物产业产值继续翻一番,明确要求培养一批能适应现代生物产业发展的高素质、实践能力强的人才,这对湖南农业大学生物工程专业来说,既是一个契机,也是一个挑战。因而生物工程专业的人才培养模式综合改革,需要围绕以实践能力培养为核心,培养出实践能力符合社会需求的毕业生。
国内外高校对提高学生实践能力的培养给予高度重视,并积累了丰富有效的实践经验,我们从提高生物工程专业学生实践能力入手,通过人才培养方案修订、教学大纲修订等方式,进行系统的研究、实践,提出以实践能力培养为核心,通过强化基础实践能力、专业实践能力、科研实践能力,系统地构建融学生的基本技能、创新精神、专业(社会)实践能力与一体的立体化人才培养模式(见图1)。
图1 生物工程专业实践能力培养模式改革方案
一、通过理论教学提高学生实践基础知识积累
课程论认为,课堂教学的核心是帮助学生积累和掌握系统的科学文化知识。以学生实践能力增长为中心的课堂教学模式主要包括两大基本要素:一是学生积极主动的参与,学生在教学过程中应处于中心地位;二是一般以案例、问题、项目为中心组织教学,从而使课堂教学情景更贴近学生将来需要面临的真实问题。其特点是:一是注重发动学生主动参与;二是以具体案例、问题和项目为中心组织教学。生物工程作为工科专业,学生的实践动手能力培养是重中之重。因此,在理论教学中,我们既注重发动学生主动参与,又需要大量使用案例法、项目法教学方式,如在课堂上常采用小组报告针对不同的专业问题进行讨论,采用案例分析、项目实施的方式讲解工艺的设计等。这些手段和方式的运用,有效地提高了学生基础实践知识的积累。
为了在理论教学方面强化学生实践基础知识的积累,在修订生物工程人才培养方案时,我们根据实践教学模块及其包含的知识点分布,增加了相关理论课程的学时计划;之后,进一步汇总实践能力培养体系知识点,根据知识点分布修订相关理论课程教学大纲、实践课程教学大纲,打破了以往理论课程教学独自开设的局面,让理论教学相对独立而又互有侧重点,重点是培养学生形成完整、系统的实践基础知识体系,这种方式有效地避免了重复教学、盲目教学,从而更好地围绕培养实践能力知识积累打造精品课堂,提高了基础课和专业基础课程培养模块的教学质量。
二、通过专业综合实验培养学生基础实践能力
在世界各国的高校中,实验课程教学都是一种有悠久传统的培养学生实践能力的教学模式。湖南农业大学生物工程专业经过改革后,在专业基础课实践模块应用现代教育技术,降低了传统的“演示性”、“验证性”实验的开设比例,提高了“三性”实验比例,同时制定实践能力考核评价细则,保证了学生的基础实践能力培养达到目标。改革前,生物工程专业实验课程有生物制药、酶工程、发酵工程和生物分离工程实验,以往都是单独开课,没有进行衔接。改革后,4门专业课程整合到一起,以生物工程综合大实验的方式开课,具体时间安排在理论课结束后,并且在综合实验中将学生要掌握的专业技能有机地统一起来,系统地安排实践内容,让学生的实践技能得到高度整合和贯通。
三、通过生产实习和毕业实习培养学生专业实践能力
在世界各国的高校中,见习、实习是一种非常普遍的培养学生专业实践能力的人才培养模式。在美国的高校,实习长期受到高度重视。法国改革了以往把实习放在最后培养阶段的做法,实施不间断实习制度,每学期安排每周2~4小时的责任实习。俄罗斯近年来开创了连续性教育―实践模式,即将教育―实践培养环节贯穿于从入校到毕业的整个培养过程中。为提高学生的实践能力,在人才培养方案中,湖南农业大学非常重视实习模块安排,在学生刚进入专业基础课程学习时,组织学生到周边的生物制药企业、生物发酵企业进行参观实习;此外,在学生结束专业综合实验后,要求学生到指定工厂完成8周的生产实习,以集中实习为主,专业教师和企业技术人员共同指导。鉴于工科专业的特殊性,学生在完成生产实习后,需要立即进入毕业实习,采取学生和指导老师(含校外企业)双向选择的方式,在参与毕业实习期间围绕毕业论文(设计)开展实践,围绕生产实践完成毕业实习,以分散实习为主。通过全面参与生产、管理、研究和经营活动,提高了学生的专业实践能力。
四、通过本科生导师制、产学研合作培养学生科研实践能力
在美国的高校中,产学合作的主要形式是:高校和企业合作,企业提出课题项目和研究经费,供高校研究人员进行研究,方便产生的科技成果立即转化为生产力。德国的许多大型企业通常联合高校开办研究机构,充分发挥高校的科技优势为企业生产服务。日本的不少高校往往通过“共同研究”和“委托研究”实行“委托研究员”制度,以及合作共建研究所等方式与企业开展广泛和深入的联系。在上述这些产学研合作的过程中,学生是重要的受益者之一。早在2001年生物工程专业成立之初,湖南农业大学就非常重视与相关企业进行科研、技术合作,共同培养人才。在湖南农业大学生物工程专业的人才培养过程中,学生最早在大一下学期申请“大学生科技创新项目”,以个人或团队形式在老师的指导下开展项目研究;进入大二后,没有参与大学生创新性项目的学生,学院会以双向选择的方式,为他们配备指导教师;此外,学生在大二开始的每个假期,可以自己联系或由老师安排进入相关科研院所、企业从事假期实践工作。经过这些模块的培养,学生的科研实践能力得到了很好的锻炼。
随着知识经济时代的到来,以及高校素质教育和教学改革的深入发展,培养素质高、能力强、具有创新精神的人才,已成为摆在我们面前的一项极为重要和迫切的任务,而实践教学对开发学生智力、培养学生创新能力、提高学生综合素质起着非常重要的作用。因而,学生的实践能力培养已成为教学改革中普遍关注的一个问题。21 世纪是一个强调创造与个性的世纪,高校理应顺应形势培养学生的个性与创新能力。“科教兴国”战略奠定了高等教育的龙头地位,极大地激发了我国高等教育的发展,实施素质教育、培养实践能力强的创新人才又给生物工程专业人才培养带来了新的机遇和挑战。短时间内,扩招背景下师资与资源配置不足问题、毕业生的社会评价降低的问题、人才培养方案改革的问题等成了当前高校人才培养的热点。在这一环境中,我们将继续围绕实践能力培养为中心,继续强化学生的实践能力,培养合格的人才。
【参考文献】
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关键词:毕业要求;课程设计;化学基础课程
《国家教育事业发展“十三五”规划》提出,加快培养战略性新兴产业急需人才,显著提高创新型、复合型、应用型和技术技能型人才培养比例。化学作为创造性的中心学科,它的方法,它对结构和反应性的集中重视使其正活跃的支配着其他科学领域。化学在研究对象的交叉性、研究方法的通融性、研究目的上的相似性,使得其进入基础科学和应用科学的各个领域成为一个不可逆转的趋势[1]。三峡大学目前在制药工程专业、生物工程专业、生态与生物学专业开设了《有机化学》、《无机及分析化学》、《物理化学》等化学基础课程;在土木工程、水利工程、地质工程、环境工程、工业工程等专业开设了《大学化学》、《工程化学》、《普通化学》等化学基础课程。上述诸多课程均有化学专业的一线教师承担,在化学知识储备方面,任课教师都是非常优秀的。非化学专业的化学基础课程有别于化学专业,任课教师也有基本的认识。但在化学基础课程教学内容设计方面,尚有诸多改进的地方。非化学专业的化学基础课程不是简化的、拼凑的化学知识片段,而应该是依据各个专业毕业要求规划和制定的详略得当、有机组合的个性化课程。化学专业也应吸取其他学科专业教学素材资源,丰富化学基础课程自身内涵;厚积薄发,对其他专业输出更加优质的课程资源,提升化学专业影响力,更好支持其他工程学科的发展。如何使化学基础课程的教学课程内容更加合理,本文结合实践操作,浅谈一些见解。
1明确课程定位
化学基础课程分布于各个专业的课程体系中,每个课程体系里的课程一般分为通识核心课程、素质拓展课程、专业基础课程、专业核心课程、专业拓展课程。不同专业对化学基础课程的定位在培养方案中都有明确界定。对于化学专业,化学基础课程主要定位为专业核心课程,专业基础课程。但由于人为因素的影响,可能使一些重要课程偏离毕业要求的导向。例如,《物理化学》在化学专业课程体系中备受重视,但《结构化学》部分却由于知识难度较大,往往被定位为素质拓展课程,列为选修课程,远不符合化学专业的毕业要求。降低了学生的培养质量。无法保证毕业学生有系统的量子化学知识储备,不利于学生继续深造和从事相关工作。因此课程负责老师应该对化学专业的培养方案有整体的认识,明确所负责课程对毕业要求的支撑强度,找准课程定位,坚持不动摇。对于非化学专业的理工专业的课程体系,化学基础课程一般定位为专业基础课程,且是必修。和数学一样,化学也逐渐成为学生学习专业知识,进行科学研究的有力工具。化学基础课程所占的学时和学分,不同专业间差异较大,由各专业对化学基础知识的需求度决定[2-3]。生物、医药、化工等专业的化学基础课程学时一般较多,以便有足够的化学基础知识的容量满足毕业要求;土木工程、水利工程、地质工程、环境工程、工业工程等专业的化学基础课程学时一般较少。学时分配是制定教学大纲的重要依据之一,决定了化学基础课程的知识容量。毕业要求中对化学基础知识的要求一般比较概括,以《有机化学》在生物工程专业课程体系为例,毕业要求:“掌握解决食品发酵与生物医药生产复杂工程问题所需的数学、物理、化学等自然科学知识,并能够将其用于工程问题的识别和表述;能够应用数学、自然科学和生物工程的基本原理,对食品发酵与生物医药生产中的复杂工程问题进行识别和判断,并认识问题的本质”。毕业要求中只提到了化学等自然科学,对教学内容的导向不够明确,这就需要课程负责人对该专业进行深入了解,对毕业要求的解读准确到位,制定教学内容合理的个性化的教学大纲。
2明确课程目标
化学基础课程的教学目标要以所在专业的毕业要求为依据,对毕业要求形成有力支撑。首先,对知识范围有明确要求,以生物工程专业的《有机化学》教学目标为例:“掌握有机化合物的命名、结构与理化性质的关系、各类化合物的典型反应及其历程、诱导效应、共轭效应、有机化合物异构及立体构型等静态立体化学的基本内容、亲电加成、亲核取代、消除反应的立体化学和化学特征反应鉴别方法等有机化学基础知识。”而化学专业的《有机化学》教学目标在知识范围方面有了很大拓展,在掌握有机化学基础知识的基础上,还要求了解化学的前沿理论、应用前景、最新发展动态以及化学相关产业发展状况。其次,对知识的掌握程度和运用水平要求,同样以生物工程专业的《有机化学》为例:“能够用于解决食品发酵与生物医药生产复杂工程相关有机化学问题的识别和表述;能够根据有机化学的基本原理和方法,对食品发酵与生物医药生产中的复杂工程出现的有机化学相关问题进行识别和判断,并认识其本质。”而化学专业的《有机化学》教学目标在对知识的掌握程度和运用水平要求侧重于具有提出、分析和解决问题的能力,具有从事化学研究、开发和其它实际工作的能力。以毕业要求为导向的化学基础课程教学目标,与该专业课程体系内的其他课程目标相向而行,形成合力,对该专业的毕业要求形成更全面的支撑。
3优化教学内容
教学内容与毕业要求处于不同的层次,一方面毕业要求的导向作用可以通过课程目标传导给教学内容;另一方面在做教学内容设计时将毕业要求作为指导性纲领。首先将教学内容划分章节或知识模块;依据教材的章节划分教学内容一般较为合理,但有时很难满足课程目标个性化的要求,因此需要对教材的章节做适当的调整或自编教材。其次是将划分好的知识模块内容细化。每条知识链都能与课程目标紧密相扣,比较重要的课程往往有多个课程目标,一条知识链可能支撑多个课程目标,一个课程目标也可能被多条知识链支撑,因此知识链与课程目标就会呈现交错的支撑关系。再其次是知识点在知识链中的重要性、难易度确认。知识点的重要性是随毕业要求和课程目标的不同而有变化。例如生物工程专业,有机化学中的氨基酸、多肽与蛋白质是重点,而在地质工程专业将硅酸盐列为重点,氨基酸、多肽与蛋白质基本不要求。知识点的难易度和知识点本身有很大关系,也和学生的专业背景有关系。生物相关专业课程体系内包涵《生物化学》这门课,有助于学生理解化学相关知识,而水利工程专业课程体系无相关课程,因此知识难点的范围要大一些。确定知识的重要性和难度,有助于在教学中把握教学重点和教学难点,以便采用不同的教学方法。结合知识模块的知识容量、难易度和重要性,完成学时分配。毕业要求中普遍要求了解前沿理论、应用前景、最新发展动态以及专业相关产业发展状况。化学专业应增加对化学学科发展前沿知识的介绍,并进行有机整合,使新的教学体系更具系统性和完整性;其次注重开发丰富的优质教学资源;引入非化学学科应用化学理论解决科学研究或工程问题成功范例,有助于化学基础理论的阐释。非化学专业的化学基础课程教前沿教学内容主要涉及两方面,一是化学前沿知识在相关专业中的应用,二是相关专业中前沿知识涉及的化学原理。,以地质工程专业为例,其开设的《普通化学》中有关胶体的知识内容,能很好的解释河流入海口三角洲的形成。一般认为河流入海口流速降低导致泥沙沉降形成三角洲,这只是其中一个因素。颗粒较小的泥沙在河水中形成胶体时,一般不易沉降,只有遇到含有强电解质的海水时,才迅速沉降,形成河口三角洲。在化学中胶体遇到强电解质发生沉降机理应在地质工程和水利工程专业中列为重点内容。毕业要求的最终实现要体现在学生对知识掌握的情况。每个知识模块都对应学生的任务,包括课堂要求、课后要求和作业要求。明确课堂要求掌握具体知识点,课后补充拓展补充材料,作业要求的具体的题目。
4课程考核、成绩评定依据与对课程目标的支撑
培养方案中的毕业要求的达成,需要合理的课程考核和成绩评定[4-5]。传统课程考核的平时成绩与考试对课程目标支撑不足,课程考核依据需要细化。课程的考核可分为:平时作业,课堂笔记,教学活动,期末闭卷考试。平时作业:作业完整,准确率>90%,字迹工整,思路清晰,提交及时。笔记,笔记完整详细,能在笔记本或教材上将重要知识点记录和标注,并有自己的注释。教学活动,积极参与教学活动,积极举手发言,踊跃发起和参与讨论,翻转课堂内容组织全面,能掌握相关的知识点,准确率>90%。期末考试,合理分配各课程目标的分值,根据考察知识的特点,选择合适的题型。课程考核对课程目标的支撑形成明确的量化关系,以有两个课程目标的课程举例列表,见表1。
5优选参考教材
参考教材的选择应尽量弱化教师的偏好,而应该有客观的依据。培养方案中的毕业要求是重要的指导性纲领,选择最能支撑课程目标的教材。参考教材要能博采众长,教师需要研读多个教材版本,以便整理出较为合理的教案和课件
1.1专业课程衔接性差
生物工程专业课程衔接性的不足主要体现在两个方面:一是部分课程孤立,不能体现课程知识的承上启下作用,造成专业人才培养方案失去体系性。例如某些高校生物工程专业开设有工程制图课程,本意是想让学生掌握识读工程图纸的技能,以便后续工程类课程的学习。但由于这些高校工程学教学力量弱,导致工程类课程偏少甚至缺失,如此一来,工程制图这一门课程就在整个教学体系中失去了作用及意义。二是课程之间内容存在重复现象。由于教学计划不够完善,课程教师之间缺乏沟通,教材存在重复内容,导致部分课程在讲授内容上存在重叠现象。实验教学中,部分工程类实验由于实验条件的限制,往往用生物类实验替代工程类实验,使得生物工程专业实验课程中生物类专业通用的实验项目比例过大。
1.2教学师资队伍薄弱
生物工程专业教师缺乏是一些新开生物工程专业高校普遍面临的问题。生物工程学科属于较新的学科,学科人才不像其他较成熟学科那么丰富,从事高等教育的更是奇缺。高校往往通过引进生物技术、分子生物学与生物化学等专业的硕士、博士从事生物工程教学,或是利用本校一些相关专业的教师承担生物工程专业骨干课程的教学,导致整个教学体系远离生物工程专业“工科”一端,偏向于其生物技术、生物科学的“理科”一端,使生物工程专业与其他生物学专业产生趋同性,丧失了自身专业的特色,培养出的人才专业优势不明显。
1.3缺乏必要的实验、实践教学平台
实验教学平台和实践教学平台是高等教育培养体系中两个重要的支撑平台。实验教学被认为是当前培养学生创新精神和创新能力的重要途径,但目前实验教学主要是一些验证性的实验,综合性、研究性实验偏少,实验教学往往被等同于实践教学。实践教学应该更多地和生产实践相结合。由于教学与生产应用之间缺乏紧密联系,实践教学更多地停留在到企业参观学习和以验证性实验替代实践性教学的层面上,缺少以就业为导向的实践教学环节,自然就不能保证人才培养的质量。
1.4教学研究不系统
我国生物工程教学研究还是以相对独立的课程教学研究为主,缺少从生物工程专业整个教学体系出发的整体性、系统性研究;教学研究成果大多是描述性的结论,缺少实证性的调查分析数据支撑,这使得很多教学研究浮于问题的表面,不能从根本上解决生物工程教学中的问题。
二、生物工程专业教学改革措施
2.1完善教学计划
生物工程教学团队成员要共同制订教学计划,成员间共同协商,理顺课程之间的关系,避免课程之间出现知识点的重复和遗漏,实现专业知识和技术的衔接性,体现课程的延续性。教学计划是一个动态过程,在专业建设早期办学条件不够完善的条件下,更要注意经验的积累。实际工作中,通过兄弟院校师生之间的交流、专业教师的培训、邀请专家学者讲学、教师之间的教学研讨等多种形式互通有无,实现教学计划与人才培养目标的协调与统一。
2.2鼓励以学生为主体的教学方式改革
课程教学是整个人才培养的核心,授课方式应该以学生主动学习为主,教师引导答疑为辅,充分提高学生自主学习的积极性和有效性。ThomasR。Harris认为:让学生在课堂之外开展网络自主学习,然后带着问题到课堂中与老师进行交流探讨,这是生物工程教育中一种行之有效的做法。
2.3鼓励现代教育技术的应用与资源共享
加强影像、声音等多媒体技术手段在课程教学上的应用,让抽象的理论具体化,让呆板的文字生动起来。高校应该对自制多媒体课件、自制教学素材等教学行为进行嘉奖,从而提高广大教师探索的积极性。高校应该根据自身的学科、技术优势,开发独有的优势资源,通过一定的机制,在一定范围内进行交流共享,更好地提升教学资源的质量和利用率。
2.4努力实现产学研相结合的专业可持续发展模式
关键词:生物工程类;试验设计与数据处理;教学改革
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)49-0226-02
一、引言
《试验设计与数据处理》是高等院校生物工程类专业开设的一门专业必修课。本课程是以生物界的各种自然现象为研究对象,把数理统计学原理和方法引入到生物科学领域,经济而又高效地设计试验方案,并对试验数据进行处理,对其结果进行分析,最终达到用较少的试验次数和最短的试验周期而优化试验方案的目标。它是一门理论与实践相结合的科学,已成为现代生物科学领域必不可少的工具之一。开设本课程,为培养和巩固学生的专业素质,为生物工程类专业的毕业论文(设计)、今后科研及就业方向的选择奠定了理论基础[1]。为提高本课程的教学质量,笔者在亲身实践的基础上,结合河南工业大学生物工程类本科专业教学计划《试验设计与数据处理》课程的教学大纲,总结了当前教学中存在的主要问题,从课程的重要性、教学内容、教学模式、教学手段、考核方式等方面进行了探索。
二、当前教学中存在的问题
《试验设计与数据处理》课程具有“概念多、公式多和内容多”、“难教、难懂、难记和难用”的特点。在当前的教学过程中,为使学生充分理解统计分析的原理,教师要应用大量的数理统计学知识进行复杂公式的推导。虽然公式推导有助于学生理解统计方法的原理,能加深学生记忆公式,但对生物工程类专业的学生而言,其数理统计的基础知识较为薄弱,学生感到内容枯燥、难以理解和掌握,失去了学习兴趣,进而影响了教学质量和学习效果。由于学生上课的时间有限,为确保学生修完全部课程,只能将部分课程的学时进行精减。尤其是《试验设计与数据处理》课程由原来的54学时减少到36学时课堂教学后,学时、教学内容及实践操作之间的矛盾使得当前的教学方法的弊端日益突出:(1)学生对本课程的学习不够重视,兴趣度低。(2)教学内容过于强调理论知识和计算过程的解析,而数据处理的实践环节严重不足,忽略了应用环节的讲授。(3)课堂主要由教师讲授,学生只是被动地接受知识,形成一个单向的教学过程,忽略了学生的能动性。(4)当前教学中大部分教师的课件采用多媒体与板书相结合的教学手段,虽改变了传统板书的教学形式,但这种教学手段目前已在广泛应用,学生已司空见惯,无特色之处,不能调动学生的学习热情。(5)考核方式过于教条,当前的考核方式是以平时成绩(20%)和卷面成绩(80%)作为考核的最终成绩,不能全面评估学生的学习效果。
由于存在以上问题,学生在大四做毕业论文(设计)时,多数学生不能灵活运用本课程的统计方法去处理实验数据,能将本课程的知识灵活地运用到今后的科研及工作生活中更是凤毛麟角。大部分学生对本课程的学习目的只是为修满学分而能保证顺利毕业,完全背弃了开设本课程的教学目的。鉴于此,笔者在亲身实践的基础上,对本课程的教学方法进行了总结归纳,进行了以下几点思考。
三、教学改革之思考
1.强调课程的重要性,提升学生重视度。本课程理论性强,学生首次看到教材的内容,就有一种“知难而退”的心理,“只要能保证及格”是大多学生的学习目标。学生认为,本课程对考研、今后的就业及科研关系不大,学好与否对将来的前途无任何影响;而且,河南工业大学开设本课程是在大四的上半学期,正处于考研复习的关键阶段,对本课程学习态度更是“雪上加霜”,处处在应付,甚至部分学生无故旷课。由于这门课的连贯性、逻辑性比较强,若缺一节课,之后又不补习,下节课根本无法听懂,由此,递增了学生对本课程学习的抵触情绪。对本课程的学习,笔者认为首先要让学生认识到本课程的重要性,并在教学过程中,不断地创新教学思路,以激发学生学习的兴趣。因此,教师要特别注意在上第一节课就着重强调本课程的重要性,扭转学生对本课程学习的错误意识。
2.简化理论推导,重视应用环节。《试验设计与数据处理》课程中涉及较多的枯燥的统计学理论,学生对此并不感兴趣。为了节省教学课时,将对公式和定理的分析、推导过程仅作简单介绍,不做重点讲解,相关内容可让学生课后自学,把重点放在阐明关键统计量的含义、判断的标准、各统计量间的关系、常用分析方法的条件及其应用背景等知识点,最后要把精力放在统计方法的应用上。多引用一些与教学内容相关的实例,引导学生如何去解析不同条件、不同背景下的实际问题。只有简化理论的讲解,加强实例环节的应用,才能激发学生的兴趣,促进学生掌握关键内容。
3.启发与实践相结合的教学模式,增强学生的主观能动性。在重视教师讲授为主的同时,强调学生的主动性,采用启发与实践相结合的教学模式,联系或引用一些生物工程类专业的实际问题,调动学生参与教学的积极性,这样既能活跃课堂气氛,又能激发学生的求知欲望。在授课过程中,举出实例,教师与学生共同针对某一问题进行分析和讨论,引导学生积极地思考,培养学生的主观能动性[2]。例如:利用多个实验指标进行正交实验设计的讲授过程中,以生物工程专业的“优选酿酒酵母菌性能”的实验为例,用耐高压、高酒精、高糖、高温等多个性能指标进行正交实验设计,首先让学生自己去思考并提问。提问之后,教师可针对问题逐步地解析,指出学生分析的正确与否及其原因。通过启发与实践型相结合的教学模式,调动了学生学习的主观能动性,牢固地掌握了学习内容,并能将所学知识灵活地运用到实际问题的分析中,增强了教学的效果。
4.丰富教学手段,突出内容特色。《试验设计与数据处理》课程理论性强,学生听课的时间过长,单一的教学手段势必导致学生的视觉、听觉和思维疲劳。因此,针对本课程的特点,运用当前的多媒体、板书、网络等有机结合的多种教学手段,集中学生注意力,从而提高学生的听课效果。多媒体课件容量大、内容展示方便,为课堂教学营造了一个广阔的信息空间。所以在教学过程中,通过变换课件中的背景图案、字体颜色、线条粗细、图形和动画等内容,使学生时刻感觉每张幻灯片的制作都是简洁明了、条理清晰、美观大方而又别具一格,从而吸引学生的注意力。而且,在没有开设电脑实验课程的条件下,可借助多媒体课件进行实验演示。例如:在多重比较中的新复极差法(SSR)分析中,结合SPSS软件的应用介绍,可以让学生清晰、直观地掌握抽象的概念及数据处理的过程,提高学生解决实际问题的综合能力。板书与多媒体教学手段相比较,虽然比较费时,但对于一些重要的统计学原理及其公式的证明方面(如:正态分布、显著性检验、方差分析原理等),却突现出多媒体教学所不可比拟的优越性。在板书的过程中,可引导学生活跃思维、积极思考、及时理解和消化知识。同时,在教学过程中,要重视网络信息的应用。根据不同章节内容的需要,教师应有意识地引导学生关注和介绍一些主要的统计学网站和论坛,灵活地向学生展示相关的最新教学信息及其前沿知识;同时,以课后作业的形式,督促学生查阅最新的统计学前沿知识及应用软件,并定期检查学生网络学习的情况,可促使教师不断地更新教学内容,同时拓展了学生的知识面,培养了学生的自学能力,实现了教师与学生共同进步的“双赢”效果。
5.实行多元化的考核方式,促进学生全面巩固。考核是教学过程必不可少的环节,也是反馈教学效果的重要手段。为了加强学生专业能力的培养,力求避免学生平时学习不认真而为应付考试造成死记硬背的弊端,以激发学生学习的主观能动性为教学目的,笔者进行了多种考核方式的探索和总结,认为实行平时成绩(20%)、课后作业(10%)、技训报告(20%)和卷面成绩(50%)相结合的综合考核方式,可以全面考察学生对本课程知识的掌握情况。第一,要重视学生课堂表现的考核。课堂表现主要包括回答问题的积极性、正确性等,把课堂表现作为平时成绩,可以增进教师与学生之间的互动能力。第二,加强课后练习,每章讲完后要将本章节的知识点融入到习题中,以课后作业的形式,督促学生复习和巩固学习的内容。而且,要加强实践报告的考核,实践报告主要侧重于试验方案的设计、统计方法的运用、分析软件的操作及数据处理的结果分析等。运用以上三种形式相结合的考核方式可以使学生充分认识到本课程在实践中的重要性。最后,为避免学生对本课程的不重视而学习浮躁,导致学习效果不佳,应选择闭卷考试的方式进行卷面测试。总之,实行多元化的考核方式可以相互补充,从而能够全面、综合地考核学生的学习效果。
通过上述几点教学改革的思考与尝试,笔者在教学过程中发现,学生对本课程的重视程度及学习兴趣明显增加,课堂上学生和教师互动能力也显著增强。通过多元化的考核结果发现,学生能较为牢固地掌握学习内容,而且能灵活地将所学的方法运用到实际问题中,教学效果明显得到了提升。随着现代生物工程技术的飞速发展,本课程的知识体系也在不断改进,将会面临着更多的新问题值得去思考。因此,在今后的教学过程中,教师在博览群书和总结各家所长的基础上,更要深刻领会《试验设计与数据处理》教学内容,透彻把握各章节的逻辑联系,遵循数学逻辑编排教学内容,使学生容易接受并消化新知识,形成适合生物工程专业特色和学生实际需要的知识体系,不断总结经验、改革创新,提高自身专业素质,这样才能适应本课程发展的需要,才能更好地向学生传授知识,才能培养出合格的、高素质的生物工程类专业人才。
参考文献:
摘 要:普通生物学对生命科学的发展起着重要的作用,其研究具有复杂性和综合性,其任务是研究生物的各种生命现象及生命活动的规律,是生物工程专业的专业基础课之一。为了提高普通生物学课程教学效率,笔者强调要进行学生思想工作;结合知识点与实际生活和重大科学事件,精心设计绪论;结合诺贝尔奖成就激发学生的兴趣和积极性;结合多媒体教学工具,充分利用网络教学平台;注意知识点与专业兴趣和自信的结合。
关键词:普通生物学 生物工程专业 教学效率 教学平台
中图分类号:G4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)03(a)-0143-02
生物学是一门既古老又前沿的学科,其研究不仅具有复杂性和综合性,还极具生动性和诱惑力,其任务是研究生物的各种生命现象及生命活动的规律。普通生物学(General Biology)是站在生物学高度,基于对生物各层次多样性的了解,进而揭示生物作为整体的基本概念、原理和规律的一门课程[1],主要包括植物学和动物学,为大学低年级同学构建合理的生物学知识打下坚实的基础。普通生物学是生物工程专业重要的一门基础课之一,得到了教师和学生的普遍重视。但是普通生物学内容具有复杂性和综合性,许多知识点需要学生去理解和记忆,因此,刚步入大学的新生对这门课的主动学习意识比较薄弱,很难产生浓厚的学习积极性。笔者将就如何提高普通生物学课程教学效率的问题进行了探讨。
1 对学生进行思想工作
《普通生物学》是生物工程专业基础课,安排在大学一年级的第一学期。对刚步入大学的新生来说,大学生活是好奇的,还没有完全适应大学的自主学习。对于普通高校的大部分大学生来说,做好高中学习和大学学习的衔接是必要的。从中需要班主任、任课老师的引导作用是离不开的。跟学生反复强调大学自主学习的重要性,强调基础课对以后掌握专业知识中的重要性和必要性。
生物工程专业的大学一年级课程大多安排的是英语、化学、数学、物理等基础课,刚步入大学的新生来学,对专业不太了解,感到比较迷茫。《普通生物学》是大一第一学期安排唯一的专业基础课,所以普通生物学任课教师有必要通过课程的讲授,让学生有所了解该专业所要学的知识和专业前景等。另外,可以组织学生参观生物公司,通过对生产第一线的参观和企业工作人员交流,加深对生物工程专业的了解和对该专业的信心。还可以通过新生跟专业课老师对接的方式激发学生对该专业的兴趣和自信。
2 结合实际生活和重大科学事件,精心准备绪论
绪论部分直接影响学生对该门课程的学习兴趣。因此,在讲解绪论部分时,介绍普通生物学与人类生活的关系,比如讲授植物学部分的时候,介绍日常生活中学生比较熟悉的和感兴趣的植物与生活的关系来引起学生对该课程的兴趣。植物是和人类并存的一个庞大类群,渗透到生活的各个角落,尤其是衣食住行及医药方面。比如:介绍同学们感兴趣的吸毒植物、花卉植物、驱虫植物、有毒植物等。另外,重点介绍普通生物学发展过程中的重大科学事件。比如1665年,英国物理学家胡克(R. Hooke)用自制的复式显微镜观察软木片,发现它是由“细胞”组成;1838―1839年施莱登(M. J. Schleiden)和施旺(T. Schwann)提出细胞学说,认为细胞是一切动植物结构的基本单位。达尔文(C. H. Darwin)于1859年出版《物种起源》,提出了以自然选择为基础的进化学说,成为生物学史上一个转折点。通过对这些知识点的介绍,将激发学生对普通生物学课程的学习热情和兴趣,培养学生对生命科学的激情和信心。诺贝尔奖被认为是现代科学界的最高奖项,在教学实践中,若能将生物学相关诺贝尔奖的工作成就和课程建设有机结合起来,灵活运用启发式教学方法,就可以显著提高学生的创造性的思维能力和学习兴趣。比如,我国科学家屠呦呦因青蒿素的研发而获得了诺贝尔生理学或医学奖。
3 结合多媒体教学工具,充分利用网络教学平台
信息技术的发展极大地改变了以传授知识为主的教学方法和手段,多媒体网络教学的开展极大地调动学生学习的主动性,锻炼并培养学生自觉学习、勇于探索的精神,提高学生自主分析问题和解决问题的能力[2]。在充满诱惑的网络环境下,利用网络引领学生走进现代化的网络世界,提高学习效率,让学生自主学习。网络教学平台以“课程教学”为核心,支持按照知识单元长期滚动建设课程,支持教学资源积累与共享,支持教学过程跟踪统计,教学过程与评价展示结合。同时,为满足学校课程资源建设和混合教学改革,支持教师开展模式教学;支持自主学习、探究学习、合作学习等研究型教学等。为教师用户提供了强大的在线备课工具和施教环境,及充分的师生互动功能,极大地拓宽了课程教学空间。学生可以自主学习,合作学习,在线作业等。课程的主体是教师和学生之间交互性学习,多媒体网络教学为师生之间的教学互动提供一个良好的互动平台。通过网络教学平台教师可以随时进行教学检查,及时了解学生对知识的理解和掌握程度。
4 适当的应用探究式教学方法
课堂是学生进行学习活动的主要场所,以学生作为课堂教学的主体,注重培养学生的自主学习能力,从而为培养学生的自主创新能力奠定基础。要使学生更快地适应大学学习,在激发学生学习兴趣的同时鼓励学生进行独立自主的探究性学习活动,教师应改变以往强行灌输以教师为课堂中心的教学方式[3]。
随着教学改革的持续深化和创新教育的不断推进,探究式教学法作为一种新型的教学方法,被广泛地应用到国内高校各学科教学当中。学生的全面协调发展不单单是指学生知识层面上的提升,更重要的是学生通过学习所获得的技能、态度、情感等方面综合素质的提高。将适当的应用探究式教学法应用到普通生物学教学当中,教师可以通过强调学生自主探究学习的方式,让学生更好地发挥在整个学习过程中的主体作用,使学生在自主探究、自我体验、合作互助的教学框架下,获得普通生物学知识以及运用普通生物学知识的相关能力,同时,还有助于进一步提高学生的思考分析能力、解决问题能力、实践动手能力、合作能力等等,以及培养他们的创新意识与进取精神,提高学生的综合素质,促进大学生的全面协调发展[4]。
《普通生物学》是一门非常重要的基础课程,在教学过程中,要把激发和培养学生的学习兴趣和热情放在首位,充分调动学生的主动性和积极性,使学生更好地理解和掌握普通生物学的基本理论知识,为其他课程的学习打下坚实的基础。
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【关键词】生物工程专业 英语课程改革 互动式教学
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2015)22-0063-03
生物工程专业英语是大学英语的后续课程,是一门以专业知识为主要内容,以英语的形式进行呈现的课程。通过课程的学习,帮助学生培养阅读生物工程专业英语文献的能力,更好地了解学科发展的最新前沿,了解业内的发展动态,拓展专业知识的领域,为将来从事本专业工作搭建了一个语言的平台。
生物工程专业涉及面比较广,前期课程主要包括生物化学、微生物学、酶工程、生物工艺学、分离工程、发酵工程等。与基础英语的学习有所不同,专业英语的学习必须先具备一定的基础知识。为了让学生顺利地从基础英语的学习过渡到专业英语的学习,同时更好地将英语学习与专业知识结合在一起,更好地提高专业英语的听说读写能力。
一 教学方法的创新尝试
1.采取双向互动式教学
目前在生物工程专业英语的教学中,学时设置往往比较少。在有限的课堂时间内,任课教师往往只能将大多数时间用于讲解,并帮助学生阅读和翻译。另外,由于上课的内容涉及很强的专业相关知识,通常比较生涩难懂,学生学习积极性往往不高,参与度不够,课堂气氛容易显得沉闷枯燥。如何提高学生的课堂积极性,主动参与课堂教学是专业英语教学过程中的一个重要课题。
由于生物工程专业涉及面相对较广、发展迅速,很多学科发展前沿的成果都是以英文形式呈现。要了解学科发展的最前沿资讯必须通过查阅相关英文文献获得。因此,在教学过程中,除了对教材中的基本教学要求进行讲述外,还给学生布置课外阅读练习,通过提供几个研究领域的文献供学生选择自己感兴趣的方向进行课外阅读,并且归纳其中的知识点,总结文章中的主要词汇、语意,通过课堂微型报告或者读书报告的形式在课堂上呈现,其他同学可以提问。报告采取中文制作英文讲述,或者用英文制作ppt中文讲述两种不同的方式,培养学生的阅读能力、翻译能力和文献总结复述能力。同时,发挥专业英语小班授课的特点,让每个学生都有机会参与课堂报告,教师对报告进行适当点评,让学生在参与课堂教学的过程中慢慢提高英语的阅读能力和表达能力,既增强了学生的学习信心,也活跃了课堂教学气氛。当然,由于地方院校的学生英语水平普遍不高,为了让学生不产生英语学习的心理压力,可以适当地减少每次课外阅读的量,增加趣味性科普性较好的阅读,同时通过鼓励和耐心指导提高学生的学习兴趣。
通过教师抛出问题、发起话题,学生准备并参与报告或发言,教师总结的三段式课堂教学,借鉴了三明治式教学法。采取这样的课堂教学方式,可以充分调动学生学习的积极性,变被动的听课为主动参与课堂教学,既活跃了课堂气氛,提高了学生对课程学习的兴趣,同时也有利于提升教师的业务水平。这也促使教师备课时必须进行更多的准备工作,了解相关的研究背景,寻找合适的主题。另外,通过学生参与课堂教学,也有利于教师更清楚地了解每个学生的具体情况,更有利于因材施教。
2.延伸课堂教学环节
大数据时代的到来,可以通过互联网更快捷方便地获得各种资讯,各种网络沟通工具以及日新月异的专业网站或平台,都为现代的信息交流提供了极大的方便。专业英语的教学同样也不再受传统纸质资源的限制,应该利用快捷的网络沟通工具,将课堂教学延伸到课堂之外。比如,老师可以将一些有趣的与专业相关的科普文章转载到博客或微信,作为课后作业让学生直接通过网络就可以参与课程作业的交流。这样既增加了师生之间的交流途径,丰富了教学方式,也大大克服了通过传统有限的图书馆纸质资源检索的单一性。另外,可以通过慕课等现代化教学的方式,将一部分教学上难以在短时间内理解掌握的内容在网络上呈现。可以让学生发挥自主学习的能力,课后通过方便快捷的学习方式增加课程学习的机会。
传统课堂的延伸虽然极大地丰富了老师的教学内容,开阔了知识视野,但也提出了新的挑战。比如,老师给学生看的专业文献自己必须先了解,这样才能有的放矢地提出一些讨论问题,这样隐形压力的存在可以促使老师更加积极主动地更新自身的专业知识体系。
二 教学内容
1.强化专业词汇的学习
本科教育的主要目的是培养学生具备扎实的专业知识和独立获取知识的能力,为今后从事本专业工作奠定坚实的基础。因此,专业英语的课程应该区别于基础英语,不能仅仅局限于语法讲解、课文翻译、用中文讲解难点重点。专业英语的最大难处应该在于需要掌握大量的专业词汇,因而构词法是专业英语教学过程中的一个重要环节。学生只要掌握了生物工程专业英语中词根、前缀、后缀以及大量合成词等构词方法,就能对专业词汇有个大致的了解,并通过举一反三获得更多的词汇并掌握构词法的规则,从而为今后阅读专业英文文献资料、扩展更多词汇量、学习新词汇打下更好的基础。不主张学生在学习词汇的过程中采取简单机械的记忆方式,这样容易由于效率不高产生厌学情绪,鼓励学生熟悉专业词汇的构词法,通过阅读相对简单易懂的专业文章逐步熟悉相关词汇。
2.翻译技能的提升
翻译也是专业英语教学过程中的一个重要内容。与大学英语不同,专业英语通常结构比较复杂,长句较多,导致专业英语的翻译更应该注意使用翻译的技巧,使翻译过来的文字符合中英文的语言表达习惯以及语法规则。在教学过程中应该用直接的例句强化专业英语翻译过程中经常用的翻译技巧,比如语序的变换、词性的改变,长句的断句及用词的增加和省略等。并适当以课堂作业及课后作业的方式让学生实际应用这些技巧,逐步改变中英文不同的思维方式和语法习惯。在此基础上,将翻译技巧和能力用于论文摘要的写作,为后续的学术论文、学位论文的写作提高打下一定的基础。
3.教材的选择
专业英语由于涉及较强的专业背景,因此涉及的教学内容应该与时俱进,能够反映本专业的发展现状。生物工程专业是一个发展迅速的学科,知识和技术的更新都比较迅速。目前生物工程专业英语相关的出版教材都相对比较陈旧,另外,教材编写到出版的时间周期也导致了知识更新的滞后。因此,生物工程专业英语的教材可以节选一些国外相关专业学术期刊或报纸发表的文章或学术论文,尽量做到讲授的内容与本专业的最新技术、知识体系以及研究热点保持一致。文章的篇幅不宜太长,难度合适,尽量保证有代表性的专业词汇出现的频率相对较高。这需要任课教师必须有积极学习的态度,保持与专业最新知识同步,这样既可以提高教师的知识业务水平,也能够保证选取合适的教学内容用于课程教学。
不过,教学内容的选择也不能一味地注重最新的技术,也要兼顾传统的基础知识体系,通过前沿热点的学习,探讨其中与基础知识的联系。应该在课程教学开始的阶段以基础的专业词汇及专业相关的基本原理为主,逐步过渡到专业及学科发展的热点,培养学生扎实的专业功底。
另外,还可以根据人才培养方案,结合专业课的进度,在专业英语的教学课堂上适当增加一些与专业相关的多媒体英语科教视频。这些视频可以是科普性质的,但视频都是英文讲解和英文字幕的,要求学生在课前熟悉视频相关的单词及专业知识。由于学生课前自己查阅了单词,并且视频所涉及的专业知识都是刚刚学习过的,这样学生在观看视频的过程中就比较容易提升学习的兴趣,视频的科普性质也增加了学习的趣味性。通过在观看过程中的提示和观看后对学生的提问,加深了学生对视频内容的学习,听懂其中的英文同时还强化了所学的专业知识。通过多次看前先学、边看边学、看完总结并复述等教学环节,可以让学生留下比较深刻的印象,也让学生的英语听说能力得到一定的锻炼。
三 提高教师的业务素质
注重反馈,不断改进教学。教学是教与学两个过程,老师不能高高在上光靠自己主观的想法给学生灌输,还应该通过学生评教、同事的听课意见、与学生聊天交流等方式,了解学生对课程教学的意见以及在课程学习过程中存在的问题。听取意见的过程中尽量兼顾成绩好和成绩差同学的意见,对于意见较大的要客观对待并加以改进。同时,应该根据学生的反馈意见以及课堂教学活动过程中学生的反映,不断进行教学方法和方式的调整。另外,还可以通过加强与其他院校相关课程教师的交流和联系,借鉴他人的先进教学理念,不断探讨适于专业英语教学的方法和教学方式。
四 小结
仅仅通过一门课程有限的学时,生物工程专业英语的课程教学效果很难在短短的时间内迅速提高学生的英语水平,教学目的主要是培养学生一种了解国外专业发展方向及现状的能力。因此,在专业英语的教学过程中,教师一方面应该注意保持知识的更新,另一方面应该尽量做到因材施教,根据学生的实际情况不断地进行专业英语的教学改革探讨。
参考文献
【基金项目】本文系浙江工业大学2015年课堂教学改革项目(编号:KG201513)的研究成果。
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1671-0568(2017)26-0055-02
基因工程是现代生物技术的核心技术,在基因的分离克隆、表达调控机制的诠释,基因编码产物的产业化,生物遗传性状的改良乃至基因治疗等方面正日益显示出愈来愈高的实用价值。“基因工程”课程是针对生物专业的本科生开设的专业基础课程,主要介绍基因工程技术的基本流程与常用操作、大肠杆菌和酵母菌的基因工程、蛋白质工程,以及基因工程的前沿技术等。随着基因工程技术不断发展,在其基础上发展出的代谢途径工程、合成生物学等领域,已经成为目前生物工程和现代生物技术的热门领域。系统学习该课程可为众多相关专业课程的学习打下良好的基础。
目前本院生物工程专业的“基因工程”课程开设在第五学期,学生已系统学习了“微生物学”和“生物化学”等专业课程,对相关的生物学知识和学习方法已有所了解。但是本科生缺乏科研经历,没有相关分子生物学的操作经验,而基因工程课程内容繁多,原理复杂,涉及的高新技术也比较多,导致学生较难理解掌握。因此在基因工程课堂中,如何做到讲解清楚、深入浅出地引导学生理解课程的精髓,把复杂的教学内容简易化,把枯燥的教学内容趣味化,把高深的教学内容形象化,对主讲教师来说是一个挑战。我们在基因工程课程中,结合课程大纲,尝试使用了“任务驱动教学法”,对教学方法、教学手段和考核方式进行改革,以期取得良好的教学效果。
一、任务驱动教学法简介
任务驱动教学法,是指教师将教学内容设计成一个或多个具体的任务,力求以任务驱动,以某个实例为先导,进而提出问题引导学生思考,让学生通过学和做掌握教学内容,达到教学目标,培养学生分析问题和解决问题的能力。在教学过程中,它要求将所要学的新知识融入具体的任务中,让学生通过对任务进行分析、讨论,由简到繁,由易到难,从而循序渐进地完成一系列任务。它是一种以学生主动学习与教师加以引导相结合的教学方法,既符合探究式的学习模式,又符合教学的层次性和实用性。它可以让学生在完成“任务”的过程中,培养分析问题、解决问题的能力以及独立探索的学习精神和团队合作能力。
二、任务驱动教学法的实施过程
根据课程教学的主要内容,结合团队科研课题,设计适合本科生的“科研项目”,将基因工程的研究思路和技术方法融入其中,变“单项交流”的灌输式课堂教学,为“师生互动”的课堂学习。在“基因工程”的课堂上,学生不能仅按照书本内容进行学习,而是需要带着完成“科研任务”的目的,学习各个知识点,融会贯通,最终树立基本的研究思路,掌握重要的基因工程技术方法和理论知识。“任务驱动”教学方法的实施过程主要包括明确教学目标、设计任务、任务执行、任务反馈等部分。下面通过我们在“基因工程”的课堂上的应用情况,进行说明。
1. 明确课程目标
本课程将DNA重组技术归纳为切、接、转、增、检五大基本操作单元,进而按照受体细胞的生物学分类,逐一展开各系统基因工程的原理和应用。其中,大肠杆菌的基因工程是整个基因工程基础和重点。我们通过向学生布置关于进行大肠杆菌基因工程的实验设计的任务,将上述课程大部分教学内容有机地整合起来,使得学生在完成本任务的过程中,能够较全面和深入地理解基因工程原理,并了解生命科学研究的设计思路和基因操作技术平台的应用策略,以求为以后的学习和科研工作打下良好和扎实的理论基础。
2. 设计任务
我们把“基因工程”课程的培养目标分解为知识、技能项目、素质要求等。结合本专业特色,选取生物催化领域经常用到的脂肪酶作为要表达的酶,据此设计任务书,并在第一节课就布置给学生。该任务要求学生2~3人一组,结合本学院本专业的特色研究方向,在教师提供的一些不同来源的候选脂肪酶中,选择一种酶在大肠杆菌中高效表达,并进行生物催化反应。根据前些年及其他课程的经验,如果直接将该任务布置给学生,完成情况并不好,也难以取得预期效果。我们将该任务分解为若干小任务,包括酶蛋白的信息、基因序列的查找、实验试剂的准备、引物设计、载体构建与菌株转化、生物催化反应条件优化等。每个小任务均要求学生给出详细的实验设计方案和实验步骤。通过完成任务,调动学生自主学习的积极性,同时培养学生的团队协作能力。
3. 任务执行
学生2~3人一组,独立完成任务。因为本专业目前未开设生物信息学课程,因此在教学内容上,我们增加了一节生物信息的查找课。在讲授完该课程之后,要求学生查找想要表达的酶的蛋白和核酸序列等相关生物信息,了解酶学性质,在下次上课时以作业的形式交给教师评阅。同样,按照教学授课计划,在讲授完“切、接、转、增、检”五大基本操作后,要求学生写出实验所需的试剂和设备,完成引物设计。其他的小任务内容如表1所示。学生查阅相关文献资料,完成每个小任务,以作业的方式提交给教师,教师评阅后,在课堂上就作业中反映出的问题进行讲解,也可让学生当堂参与讨论。这样的教学方式既可以活跃课堂气氛,也可以锻炼学生的表达能力。
4. 任务反馈
学生按具体要求完成每一项任务后,教师对学生的表现进行评定,发现学生容易出错的问题,并及时进行分析、讲解和指导,保证后续任务的顺利完成。学生成绩的取得不再仅仅依据一张试卷。教师综合出勤、课堂参与程度、作业、PPT展示等因素给出成绩。按照教学大纲要求,该成绩占期末总成绩的50%。以考核为杠杆,促进学生科学思维方式的养成。
5. 归纳总结
任务驱动教学思想,是将新知识分解到任务中,但在一些学生的头脑中仍然是零散的知识点。因此,教师在学生任务完成后,有必要对酶蛋白的信息、基因序列的查找、实验试剂的准备、引物设计、载体构建与菌株转化、生物催化反应条件优化等各个小任务的完成过程及注意事项进行详细讲解,引导学生对知识进行归纳总结,并有效建立知识间的联系。
三、任务驱动教学法实施中的注意事项
在任务驱动教学法的实施过程中,我们认为应该注意以下几点:①要选择合适的可以贯穿大部分课程知识点的任务,学生可以在完成任务的过程中学习相对完整的本课程的理论知识。②任务驱动教学法的教学目标清楚明确,能更好地指导教学过程;任务难度要适中,能提高学生学习的主动参与意识,激发学生的学习兴趣。③尽可能将大的任务分解为一项项小任务,以作业和课堂讨论等方式不断督促学生分阶段完成,并且每完成一个小任务,进行成绩评定,最终完成整个任务。④教师要在学生完成每个小任务的过程中,以提问等方式进行引导,引发学生思考,提高学生分析问题和解决问题的能力。通过学生主体、教师主导的任务的完成,可以极大提高学生学习主动性、积极性,实现学生从“要我学”向“我要学”的转变,从而提升“基因工程”课程的教学效果。
四、结语
生物技术及基因工程技术飞速发展,教师必须紧跟基因工程学科发展方向,同时也结合自身研究方向,不断更新教学内容,改革教学方法,采用先进的教学手段,提高学生的学习效率,培养具有扎实理论知识和良好科研素养的高级专业人才。在“基因工程”的课程学习过程中,我们尝试引入任务驱动教学法,变被动听课为主动参与,有利于调动同学的积极性和主动性。经过理论课的学习,学生能够系统掌握基因工程重要技术原理,并认真思考、学以致用,设计出合理的任务解决方案,提高了学生“科学研究”的基本素养。
参考文献:
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