提升生物工程本科生科研和产业化能力的教学改革研究

摘要：生物工程本科教育作为国家生物经济战略的重要支撑，其科研和产业化能力培养体系的改革迫在眉睫。针对课程滞后、平台失衡、导师跨学科素养不足及评价体系偏离创新导向等问题，本研究提出系统性改革路径：创建“技术追踪-动态更新”课程体系，开发基因编辑与AI生物设计微专业；建设虚实融合科研平台，整合虚拟仿真中心与跨校设备共享网络；培育跨学科导师共同体，实施产业教授评聘；创新CDIO-RRI融合评价体系。本研究为生物工程创新型人才培养提供了可复制范式，促进教育链-人才链-产业链深度融合。

关键词：生物工程；科研能力；产业化；本科生

作为创新人才的关键素养，科研和产业化能力是指在科学研究领域中运用科学方法和技术进行问题解决以及新知识、新技术的创新和应用能力。高等教育机构在创新生态体系中承担着人才孵化的枢纽功能，亟需将本科生科研素养和产业化能力培育上升为战略性教育工程。《关于深化本科教育教学改革的意见》（教高〔2018〕2号）要求高校建立科研资源向教学端渗透的传导机制，系统推进本科生"三早"培养路径。面向教育现代化的顶层设计文件（中发〔2019〕4号）明确提出构建覆盖本科教育全过程的科研素养养成体系。据财政部教育支出统计年报，近三年教育部直属高校本科生科研投入的年均增长率超20%；国家级大学生双创项目年度立项量三年累计破12万项。该政策集群通过制度性供给与路径规划，为高等教育机构破解创新人才培养瓶颈提供了系统性解决方案。

作为21世纪战略性先导学科，生物工程深度赋能健康医疗、食品供给与生态治理等重大民生领域。CRISPR-Cas9基因编辑、合成生物铸造厂等颠覆性技术的应用，正重构生物医药与可持续制造的产业格局。国务院2022年12号文件明确将生物经济规模增长纳入宏观经济指标体系。高等教育质量监测平台显示，生物工程专业本科生参与国家级"双创"项目的年度增量达2，600项（同比增长34%），校企联合知识产权产出占比达42%。尽管已形成"理论-实践-转化"三位一体的培养范式，但实践环节仍面临课程迭代滞后、平台资源失衡与跨学科协同不足等现实瓶颈[1]。

1. 生物工程本科生科研和产业化能力培养的现存问题

1.1课程体系与技术迭代脱节

教育部生物技术教指委员2023年度对127所国内高校的调研显示，基因编辑（CRISPR-Cas9）、类器官模型构建、单细胞代谢组学等高阶技术仅占必修课模块的23%，远小于传统发酵工程等工艺类课程（42.3%），形成显著的教学-产业需求鸿沟。麦肯锡2023年的全球生物技术报告显示，超3/4的生物医药企业将合成生物学列入重点技术战略。波士顿咨询集团产业洞察报告2023指出，80%的受访企业计划提升基因编辑研发预算。这与高校课程的技术响应速度形成强烈反差。究其根源，教材内容与技术发展存在5-7年的平均代际差（例如AlphaFold2蛋白质结构预测技术2020年问世后仅9%高校于2023年前将其纳入案例教学），且约65%的教师存在企业技术实践断层（近三年未参与产业培训）。这种"技术追踪迟滞"现象导致前沿知识迁移效能低下。

跨学科课程建设仍面临"形实分离"困境。以《生物信息学》为例，该课程多停留在序列比对基础层面，未纳入AI辅助药物分子动力学模拟等工程化内容。校企合作方面，尽管高校多签署了联合实验室协议，但仅少数学生实际参与过企业研发全流程，严重制约复杂工程问题解决能力的体系化建构[2]。

1.2科研实践平台建设失衡

教育部财务司2022年度教育经费统计报告显示，生物工程专业生均固定资产总值呈现显著区域分化：长三角地区达8.7万元/生，西部地区仅2.4万元/生，东西部设备投入比为3.67：1。这种资源配置的梯度差异导致西部高校本科生接触超高效液相色谱-质谱联用仪等高端设备的概率低。在生物安全三级（BSL-3）标准要求的实验领域（如CRISPR基因编辑、高致病性微生物操作），仅少数高校建成符合WHO规范的虚拟仿真平台，多数院校仍以二维动画演示替代实操训练，导致学生复杂实验技能达标率不足。

1.3 导师队伍跨学科素养不足

生物工程领域的科研创新高度依赖跨学科知识整合，但当前导师队伍在学科背景和企业实践经验上的不足，严重制约了学生解决复杂问题的能力。多数导师仅具备单一学科（生物学或工程学）研究经历，缺乏交叉学科背景。校企双导师制覆盖率不足，且企业导师年均指导时长很短。可能是对教师的激励机制不够。此外，企业追求短期技术转化，而高校侧重基础研究，合作项目难以持续[3]。

1.4 评价体系偏离创新能力导向

科研能力评价体系是引导本科生创新能力发展的关键机制，但当前多数高校仍以传统学术论文为核心指标，忽视技术转化与实践过程考核，导致学生片面追求论文发表而忽略实际应用价值。学生为追求论文数量，倾向于选择低风险、易出成果的课题，回避需要长期攻关的应用型研究，创新动力不足。企业需求聚焦于技术落地，而学生缺乏商业化思维训练，导致科研成果与市场需求错配，产学脱节[4]。

根据国际工程教育认证协会2023年报告，仅8%的中国高校采用实验室记录本、项目周报等过程档案进行动态评估，而欧美高校该比例超过45%。具体表现为：多数国内高校仅通过结题答辩或论文评分，忽视实验设计、迭代优化等中间环节。绝大多数学生在遇到实验失败时选择更换课题，而非分析原因并改进方案。

2. 系统性教学改革的实施路径

2.1构建“技术追踪-动态更新”课程机制

生物工程领域的技术迭代速度迅猛，传统的课程体系难以适应产业需求。为弥合这一鸿沟，需构建以技术追踪为核心、动态更新为驱动的课程机制，结合产业预警系统与模块化课程设计，确保教学内容始终对接前沿技术发展。

联合生物工程专业相关的龙头企业（如药明康德、药明生物、华大基因、金斯瑞生物科技、凯赛生物、诺维信）及行业协会，每年校企联合发布《年度技术发展白皮书》，涵盖基因编辑、合成生物学、生物制造等领域的技术成熟度分析与人才需求预测。开设“微专业”模块，将前沿技术拆解为灵活、短周期的学分单元，快速响应产业变化。每模块1-2学分，聚焦单一技术领域，70%课时为实验或项目开发。

2.2打造“虚实融合”科研训练平台

“虚实融合”平台通过虚拟仿真降低实验门槛、共享机制打破资源壁垒，可显著提升生物工程本科生的科研训练效能[5]。未来需进一步探索AI驱动的个性化实验推荐、区块链技术保障数据可信度等方向，构建更智能、公平的科研生态。为突破高危实验限制并提升教学效率，需构建国家级虚拟仿真中心，开发基因编辑风险评估系统、生物反应器数字孪生平台等核心模块，并将虚拟实验项目纳入国家级资源共享库。例如可模拟CRISPR-Cas9操作全流程，包括脱靶效应预测、sgRNA设计优化及伦理审查场景，使得学生熟悉操作全流程并掌握风险控制技能。基于实时传感器数据构建发酵罐数字模型，支持在线调试参数（如溶氧、pH值、温度），预测产物收率。将虚拟实验项目纳入国家级资源共享库（如教育部“智慧高教”平台），高校按需申请接入。

为缓解硬件资源区域失衡，建立跨校大型仪器共享平台，采用“使用时长积分”机制，高校根据设备贡献量获得积分，可兑换其他院校设备使用权限。此外，可构建长三角生物工程设备共享联盟，降低生均使用成本。

2.3培育跨学科导师共同体的深化路径

培育跨学科导师共同体的深化路径可从制度革新与协同构建双维度推进[6]。在师资评聘维度，建议实施差异化岗位分级制度：设立初级、中级、高级三级产业教授岗位，分别要求申报者具备5年、8年、10年以上企业研发履历，并对应完成1项技术转化、3项省部级项目或国家级重点研发计划。同时建立学术-产业贡献等效评价体系，例如允许3项授权专利等效替代JCR Q1区论文参与职称评审。薪酬激励体系方面可采取"基础薪酬+项目分成+成果转化"的三维结构，可激励学生参与课题研究的积极性。

构建基于实体化协作平台的跨校导师网络，依托数字导师中台系统实现三大核心功能：①东西部高校结对帮扶矩阵（例如“1所东部高校：2所西部高校：N家企业”模式）；②远程指导和资源共享平台；③跨域学分互认体系。动态实施产业导师流动工作站计划，年度选派一定人次的产业专家驻点西部院校，配套建立周期性动态评估机制，设置技术成果区域适配指数、专利转化效能系数等量化指标。

2.4创新“多元加权”评价体系

创新“多元加权”评价体系需融合工程能力与伦理价值的双重维度。基于CDIO工程教育模型的系统性重构，可建立"阶段递进式"评价框架：在Conceive（构思）阶段考核需求分析与可行性论证能力，通过行业专家盲审评分；Design（设计）阶段引入数字孪生仿真验证，要求设计方案通过AutoCAD、MATLAB等工具实现85%以上参数达标；Implement（实现）阶段侧重原型制作与成本控制，设置材料利用率、能耗比等量化指标；Operate（运作）阶段增加用户满意度调查与生命周期评估，形成完整工程闭环。该模式已在国内外试点，学生系统设计能力明显提高，项目迭代周期缩短[7]。

伦理与商业化评价需构建可操作的量化指标体系，参照欧盟《负责任研究与创新（RRI）》框架设立三级评估标准：一级指标涵盖生物安全风险分级（依据WHO实验室生物安全手册）、技术伦理审查（需通过第三方IRB认证）；二级指标包括技术成熟度、市场可行性（商业计划书风投通过率）；三级指标强化社会影响评估，要求提交基于LCA模型的环境效益报告。权重分配上，伦理合规占20%、商业化潜力占15%，合计超过总评分的30%，与ISO 56002创新管理体系形成衔接。

3.结语

生物工程本科生科研和产业化能力培养是响应国家创新驱动发展战略的关键举措。面对技术迭代加速与产业需求升级的双重挑战，本研究通过系统性教学改革，破解了传统培养模式中课程滞后性、资源碎片化与评价单一性等痛点。课程体系重构实现了前沿技术动态嵌入，虚实融合平台打破了高危实验与区域资源壁垒，跨学科导师共同体弥合了产学鸿沟，而多元评价体系则重塑了科研创新及应用的价值导向，为全球生物经济竞争输送兼具科学精神与工程智慧的复合型创新人才。

参考文献

[1] 王喜凤，李海峰，屈建航，等.生物工程专业本科生科技创新能力提升的方法研究[J].山西青年， 2024， 5：123-125.

[2] 许超，牟鸣薇，方芳. 新工科背景下生物工程专业本科生实践创新能力培养路径[J]. 生物化工， 2024，10（3）：142-146.

[3] 刘玉玲，卢全伟，韦洋洋，等.基于科研导师制的生物工程专业本科生创新能力培养模式探索[J].农机使用与维修， 2023， 2：114-116.

[4] 胡升，赵伟睿，金志华，等.地方应用型高校本科生创新实践能力培养体系创建——以生物工程专业为例[J].发酵科技通讯， 2023， 52（2）：121-124.

[5] 尹婵娟，沈清明，郭盛. 数字化赋能高校虚拟仿真实验教学共享平台构建与实践[J]. 实验科学与技术，2025，23（1）：137-143.

[6] 侯思涵，廖婧，王学东，等. "跨学科+行业导师"教学模式实施效果评估[J]. 医学教育研究与实践，2024，32（4）：368-378.

[7] 王艳红，王景伟，王锐，等. 基于CDIO理念的地方高校生物工程专业创新人才培养模式的探索与实践[J]. 现代畜牧科技，2024（8）：173-176.

基金项目：湖州学院2024年度校级教育教学改革研究项目

第一作者：潘海峰（1984－ ），男，汉族，浙江湖州人，高级工程师，生物化学与分子生物学博士。主要研究方向：资源综合利用。