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新工科背景下生物类学科交叉融合的AI赋能教学模式改革研究与实践
文章字数：4121
摘要针对新工科建设中生物类学科交叉融合面临的知识体系断裂、创新能力培养不足、产业对接不紧密等问题，本文以皖西学院生物工程、中药学专业为例，提出构建“学科交叉为体、AI赋能为用”的“新翻转课堂”教学模式。研究从理论层面阐述了生物工程与中药学以生物信息学为基础、AI赋能智慧教学为枢纽的交叉融合框架，设计了“地、产、政、学、研”五位一体协同育人平台，并以生物信息学课程为载体实践了三环联动教学机制。实践表明，该模式显著提升了学生科研思维能力与创新创业水平，为地方高校新工科生物类教学改革提供了可借鉴范式。
关键词：新工科；学科交叉融合；AI 赋能；新翻转课堂；生物信息学；五位一体
一、引言
“十四五”以来，教育部持续深化“四新”人才培养模式创新与改革，高校“新工科”建设明确提出了“面向产业需求、强化交叉融合、创新培养模式”的教育理念[1]。当前，新一代高通量测序与合成生物学技术的普及，AI深度赋能教育模式与方法，正在加速推进生物工程专业人才培养模式的系统性变革[2]。学科交叉融合是新工科建设的核心路径。多学科交叉融合不是简单的课程叠加，而是知识体系、师资队伍、实践平台的深度重构[3]。皖西学院生命与健康学院为中药学安徽省高峰学科建设单位，拥有中药学硕士学位点，开设中药学、药物制剂、生物工程、食品卫生与营养、制药工程、食品质量与安全、动物医学、动物科学等8个本科专业，其中生物工程为国家级综合改革试点专业、省级特色专业和省级一流专业，制药工程为省级一流专业，中药学、生物工程、食品质量与安全、制药工程、动物科学均为省级“四新”项目建设专业，专业布局紧密对接生命健康与绿色食品产业发展需求。其中，生物工程专业为国家级综合改革试点专业、安徽省省级一流专业，中药学专业属于“安徽省一流学科”“安徽省高峰学科”支撑专业。但是两个王牌专业仍面临三个主要结构性矛盾：一是学科知识体系分散与交叉融合需求的矛盾，专业课程类型的设置过于单一，交叉课程深度不足；二是发散性教学与创新能力型需求的矛盾，学生被动接受知识，缺乏主动建构与批判性思维训练；三是虚拟仿真实训上机课程与产业真实场景的矛盾，学生缺乏在真实环境中解决复杂工程问题的能力。高等教育领域，学科交叉已成为新工科人才培养的共识方向。学科交叉需从课程体系、实践平台、师资队伍三维度系统推进，许多跨学科案例教学验证了学科交叉对课程质量的提升作用[4]。然而，针对生物工程、中药学两个专业的系统性交叉融合课程改革相对匮乏，尤其缺乏AI赋能的具体路径与效果验证。基于上述问题，本文提出“新翻转课堂”教学进阶范式，将内容生产主体从教师单一主体转向“师+生+AI”多元主体，将学习活动从被动接受转向主动创造，将评价方式从经验判断转向数据驱动智能诊断。教学研究遵循“理论建构－模式设计－实践验证”的技术路线，构建五位一体教学平台与课程体系，设计AI赋能新翻转课堂模式并以生物类课程开展实践活动。
二、生物类学科交叉融合的理论框架
学科交叉融合是不同学科通过知识渗透、方法借鉴与问题导向协同，形成新知识生长点的过程。从知识论视角，学科交叉的本质是知识边界重构与认知范式融合，核心动力来自复杂现实问题对单一学科的挑战[9]。生物工程与中药学的交叉融合具有坚实的学科逻辑。现代中药学已从传统中药鉴定转向分子生物学、基因组学研究，迫切需要生物工程相关技术支撑；生物工程在药用植物开发、天然产物合成领域的拓展，也需要中药学理论指导与资源基础。两者交叉融合可概括为“一个枢纽、双向赋能、三层渗透”框架。一个枢纽是指生物信息学，它是连接两个专业的核心枢纽，为中药学提供组学技术手段实现分子鉴定范式跃迁，为生物工程提供药用基因资源支撑合成生物学应用。本研究将生物信息学作为交叉核心载体，两专业混班授课，促进知识跨学科流动。双向赋能是指技术与资源互补。生物工程向中药学赋能基因编辑、发酵工程等现代技术，提升中药研究科学化水平；中药学向生物工程赋能道地药材资源与传统理论智慧，提供独特应用场景与创新源泉。三层渗透是指课程、实践、科研逐级深化。课程层通过混班教学实现知识交叉，实践层通过共建基地实现能力交叉，科研层通过联合项目实现创新交叉，三层递进形成完整育人链条。
人工智能为上述学科交叉提供了技术可能性，主要体现在三个方面：一是知识表征的跨域翻译。大语言模型可实现不同学科术语体系的“转译”，如将中药学“性味归经”与药理学“靶点－通路”进行关联阐释，帮助学生建立跨学科知识映射。通过将知识图谱与AI融合，为结构化跨学科知识组织提供了方法参考[5]。二是学习路径的个性化适配。学科交叉背景下学生基础差异显著，AI自适应系统可动态调整学习内容与难度。研究表明，智能诊断与个性化反馈可使实验完成率提升30%以上[6]。三是创新思维的协同激发。AI工具能拓展认知边界、激发跨界联想。零代码AI工具可帮助非专业人员快速实现创意原型，降低创新技术门槛。依托质量工程等教研教改项目，学院旨在构建“地、产、政、学、研”五位一体模式：地域资源层依托大别山特色中药材资源，产业对接层联动生态酿造与现代中药产业，政策引领层响应安徽省十大新兴产业战略，教学整合层共建共享两专业教学资源，科研支撑层依托基因组学研究平台反哺教学。该模式与OBE理念深度融合，形成“2+1+1”运行机制：前两年夯实学科基础与交叉通识，第三年强化专业实践与交叉能力，第四年聚焦创新创业与企业顶岗。
三、课程体系与实践平台构建
基于交叉融合逻辑框架，形成“通识基础－学科交叉－专业方向－实践创新”四级课程架构。交叉核心课程模块是重构重点：生物信息学（32学时，2学分）：作为枢纽课程混班授课，涵盖序列比对、进化分析、转录组分析等技能。中药学侧重药用植物分子鉴定，生物工程侧重代谢网络建模与合成生物学验证。采用 KIMI辅助解释算法、调试代码、生成案例。人工智能导论（24学时，1.5学分）：强化AI在生物医药领域应用，包括医学影像识别、中医药文献挖掘、药物分子设计等场景。Python程序设计与生物数据分析（48学时，3学分）：虽然面向生物工程专业，中药学可选修。构建生物数据处理知识图谱涵盖NumPy、Pandas、Biopython等工具实战。合成生物学导论（32学时，2 学分）：结合零代码AI开发理念，学生利用AI工具设计基因线路，培养工程化思维。原有专业课程同步交叉化改造：中药鉴定学引入DNA条形码技术，发酵工程增加药用真菌发酵案例。生物工程专业“三阶递进”企业实践，大二认知实习观察生产流程+AI现场问答；大三专业实训参与真实项目，独立完成采样、测序、数据分析全流程；大四顶岗创新，全职参与研发并备考生物信息分析师证书。中药学专业“四基地轮转”实践，药厂基地侧重GMP规范与虚拟飞检模拟，医院基地侧重临床药学与AI辅助用药分析，科研院所基地参与中药基因组解析，产业基地开展霍山石斛仿野生栽培项目。跨专业联合实践项目是交叉融合的重要载体，每学年设立10项跨专业大创项目，要求两专业学生混合组队。如“霍山石斛品质AI分级系统”项目，中药学学生制定分级标准，生物工程学生开发算法，真正实现知识交叉与能力互补。
四、AI赋能“新翻转课堂”教学实践
以生物信息学课程为试点，构建“三体两翼一核”架构：以KIMI大模型为智能核心，课前预学体、课中共学体、课后延学体构成学习闭环，人类思维培育与科研思维训练贯穿全过程。课前教学方面，率先开展学生微课生成与AI备课。学生微课（SGC）生产机制：4人小组录制3-5分钟知识点讲解视频，分工涵盖原理、操作、中药学案例、生物工程案例四部分。采用“同伴互评 + KIMI语义分析”双轨评估，从知识准确性、逻辑清晰度、表达感染力、创新视角四维度评分。不同专业学生组队的过程本身就是学科交叉融合的过程。教师 AI 辅助备课：KIMI完成学情预诊断（生成知识掌握热力图）、资源智能整合（生成学术前沿简报）、交叉案例生成（分别提供两专业应用场景）三项核心任务。课中教学方面，嵌入视频与深度研讨。“15+5+5”微节拍结构：15分钟教师精讲并嵌入2～3个学生微课，视频后由“小讲师”现场答疑；5分钟KIMI推送课堂练习即时反馈；5分钟根据正确率调整策略，正确率大于80%推进新内容，正确率在50%—80%间学生互讲，正确率小于50%启动AI错题精讲。“双师课堂”模式：KIMI作为AI助教，实现概念即时澄清（生成对比表格）、代码现场调试（实时检查错误）和跨学科视角拓展（同步展示两专业应用场景）。课后辅导方面，自主命题互答与AI诊断。SAQ五步循环机制是培养科研思维的核心抓手。首先，每人设计2道题，分别侧重人类思维（伦理社会维度）与科研思维（假设验证维度），要求体现跨学科视角。跨专业随机配对，生物工程与中药学学生互答。然后，要在48小时内完成答复，AI求助≤3次且需明确标注。然后，从准确性、深度、创新性、表达四维度互相评分。最后，系统持续追踪SAQ数据，生成“人类思维—科研思维”双维发展曲线，实现从“学习行为画像”到“思维结构画像”的深化。
五、结语
本研究构建了 AI 赋能的“新翻转课堂”教学模式，验证了生物类学科交叉融合的育人成效。研究表明：以生物信息学为枢纽的交叉融合框架能有效打破学科壁垒，AI 技术在知识转译、个性化学习、智能诊断方面显著降低交叉学习门槛，新翻转课堂的生成性学习设计有效激发学生科研思维与创新能力。该模式为地方应用型高校新工科生物类专业教学改革提供了可复制范式。未来将进一步扩大学科交叉范围，深化产教融合，持续优化 AI教学场景化应用。
参考文献
[1]教育部高等教育司.新工科建设行动指南[M].北京：高等教育出版社，2024.
[2]王艳.基于AI辅助与教师主导协同教学的高职“数据结构”课程智能管理系统研究[J].信息系统工程,2026(4):173-176.
[3]张志红,张世宏,郑啸.地方工科高校多学科交叉融合的工程人才培养模式探索与实践——以安徽工业大学为例[J].安徽工业大学学报社会科学版,2022,39(5):111-113.
[4]王志洪，赵冬.新工科视域下食品专业“双创”教育特色化路径探索与实践[J].现代食品,2025(13):158-160.
[5]张曙光，等。基于多学科交叉融合视角的道德行为发生与演化探赜[J].思想教育研究，2026,28(3):112-118.
[6]张聪,范雪威.数智背景下基于OBE教育模式的师范生实训教学改革研究[J].创新教育研究,2026,14(1):513-523.
基金项目：安徽省教育厅卓越人才培养创新项目（2024zybj032）；皖西学院“四新”研究与改革实践项目（wxxy2024011）。
作者简介：宋程（1989.11），男，汉族，讲师，博士研究生，研究方向：功能基因组学。
关键词：新工科；学科交叉融合；AI 赋能；新翻转课堂；生物信息学；五位一体
一、引言
“十四五”以来，教育部持续深化“四新”人才培养模式创新与改革，高校“新工科”建设明确提出了“面向产业需求、强化交叉融合、创新培养模式”的教育理念[1]。当前，新一代高通量测序与合成生物学技术的普及，AI深度赋能教育模式与方法，正在加速推进生物工程专业人才培养模式的系统性变革[2]。学科交叉融合是新工科建设的核心路径。多学科交叉融合不是简单的课程叠加，而是知识体系、师资队伍、实践平台的深度重构[3]。皖西学院生命与健康学院为中药学安徽省高峰学科建设单位，拥有中药学硕士学位点，开设中药学、药物制剂、生物工程、食品卫生与营养、制药工程、食品质量与安全、动物医学、动物科学等8个本科专业，其中生物工程为国家级综合改革试点专业、省级特色专业和省级一流专业，制药工程为省级一流专业，中药学、生物工程、食品质量与安全、制药工程、动物科学均为省级“四新”项目建设专业，专业布局紧密对接生命健康与绿色食品产业发展需求。其中，生物工程专业为国家级综合改革试点专业、安徽省省级一流专业，中药学专业属于“安徽省一流学科”“安徽省高峰学科”支撑专业。但是两个王牌专业仍面临三个主要结构性矛盾：一是学科知识体系分散与交叉融合需求的矛盾，专业课程类型的设置过于单一，交叉课程深度不足；二是发散性教学与创新能力型需求的矛盾，学生被动接受知识，缺乏主动建构与批判性思维训练；三是虚拟仿真实训上机课程与产业真实场景的矛盾，学生缺乏在真实环境中解决复杂工程问题的能力。高等教育领域，学科交叉已成为新工科人才培养的共识方向。学科交叉需从课程体系、实践平台、师资队伍三维度系统推进，许多跨学科案例教学验证了学科交叉对课程质量的提升作用[4]。然而，针对生物工程、中药学两个专业的系统性交叉融合课程改革相对匮乏，尤其缺乏AI赋能的具体路径与效果验证。基于上述问题，本文提出“新翻转课堂”教学进阶范式，将内容生产主体从教师单一主体转向“师+生+AI”多元主体，将学习活动从被动接受转向主动创造，将评价方式从经验判断转向数据驱动智能诊断。教学研究遵循“理论建构－模式设计－实践验证”的技术路线，构建五位一体教学平台与课程体系，设计AI赋能新翻转课堂模式并以生物类课程开展实践活动。
二、生物类学科交叉融合的理论框架
学科交叉融合是不同学科通过知识渗透、方法借鉴与问题导向协同，形成新知识生长点的过程。从知识论视角，学科交叉的本质是知识边界重构与认知范式融合，核心动力来自复杂现实问题对单一学科的挑战[9]。生物工程与中药学的交叉融合具有坚实的学科逻辑。现代中药学已从传统中药鉴定转向分子生物学、基因组学研究，迫切需要生物工程相关技术支撑；生物工程在药用植物开发、天然产物合成领域的拓展，也需要中药学理论指导与资源基础。两者交叉融合可概括为“一个枢纽、双向赋能、三层渗透”框架。一个枢纽是指生物信息学，它是连接两个专业的核心枢纽，为中药学提供组学技术手段实现分子鉴定范式跃迁，为生物工程提供药用基因资源支撑合成生物学应用。本研究将生物信息学作为交叉核心载体，两专业混班授课，促进知识跨学科流动。双向赋能是指技术与资源互补。生物工程向中药学赋能基因编辑、发酵工程等现代技术，提升中药研究科学化水平；中药学向生物工程赋能道地药材资源与传统理论智慧，提供独特应用场景与创新源泉。三层渗透是指课程、实践、科研逐级深化。课程层通过混班教学实现知识交叉，实践层通过共建基地实现能力交叉，科研层通过联合项目实现创新交叉，三层递进形成完整育人链条。
人工智能为上述学科交叉提供了技术可能性，主要体现在三个方面：一是知识表征的跨域翻译。大语言模型可实现不同学科术语体系的“转译”，如将中药学“性味归经”与药理学“靶点－通路”进行关联阐释，帮助学生建立跨学科知识映射。通过将知识图谱与AI融合，为结构化跨学科知识组织提供了方法参考[5]。二是学习路径的个性化适配。学科交叉背景下学生基础差异显著，AI自适应系统可动态调整学习内容与难度。研究表明，智能诊断与个性化反馈可使实验完成率提升30%以上[6]。三是创新思维的协同激发。AI工具能拓展认知边界、激发跨界联想。零代码AI工具可帮助非专业人员快速实现创意原型，降低创新技术门槛。依托质量工程等教研教改项目，学院旨在构建“地、产、政、学、研”五位一体模式：地域资源层依托大别山特色中药材资源，产业对接层联动生态酿造与现代中药产业，政策引领层响应安徽省十大新兴产业战略，教学整合层共建共享两专业教学资源，科研支撑层依托基因组学研究平台反哺教学。该模式与OBE理念深度融合，形成“2+1+1”运行机制：前两年夯实学科基础与交叉通识，第三年强化专业实践与交叉能力，第四年聚焦创新创业与企业顶岗。
三、课程体系与实践平台构建
基于交叉融合逻辑框架，形成“通识基础－学科交叉－专业方向－实践创新”四级课程架构。交叉核心课程模块是重构重点：生物信息学（32学时，2学分）：作为枢纽课程混班授课，涵盖序列比对、进化分析、转录组分析等技能。中药学侧重药用植物分子鉴定，生物工程侧重代谢网络建模与合成生物学验证。采用 KIMI辅助解释算法、调试代码、生成案例。人工智能导论（24学时，1.5学分）：强化AI在生物医药领域应用，包括医学影像识别、中医药文献挖掘、药物分子设计等场景。Python程序设计与生物数据分析（48学时，3学分）：虽然面向生物工程专业，中药学可选修。构建生物数据处理知识图谱涵盖NumPy、Pandas、Biopython等工具实战。合成生物学导论（32学时，2 学分）：结合零代码AI开发理念，学生利用AI工具设计基因线路，培养工程化思维。原有专业课程同步交叉化改造：中药鉴定学引入DNA条形码技术，发酵工程增加药用真菌发酵案例。生物工程专业“三阶递进”企业实践，大二认知实习观察生产流程+AI现场问答；大三专业实训参与真实项目，独立完成采样、测序、数据分析全流程；大四顶岗创新，全职参与研发并备考生物信息分析师证书。中药学专业“四基地轮转”实践，药厂基地侧重GMP规范与虚拟飞检模拟，医院基地侧重临床药学与AI辅助用药分析，科研院所基地参与中药基因组解析，产业基地开展霍山石斛仿野生栽培项目。跨专业联合实践项目是交叉融合的重要载体，每学年设立10项跨专业大创项目，要求两专业学生混合组队。如“霍山石斛品质AI分级系统”项目，中药学学生制定分级标准，生物工程学生开发算法，真正实现知识交叉与能力互补。
四、AI赋能“新翻转课堂”教学实践
以生物信息学课程为试点，构建“三体两翼一核”架构：以KIMI大模型为智能核心，课前预学体、课中共学体、课后延学体构成学习闭环，人类思维培育与科研思维训练贯穿全过程。课前教学方面，率先开展学生微课生成与AI备课。学生微课（SGC）生产机制：4人小组录制3-5分钟知识点讲解视频，分工涵盖原理、操作、中药学案例、生物工程案例四部分。采用“同伴互评 + KIMI语义分析”双轨评估，从知识准确性、逻辑清晰度、表达感染力、创新视角四维度评分。不同专业学生组队的过程本身就是学科交叉融合的过程。教师 AI 辅助备课：KIMI完成学情预诊断（生成知识掌握热力图）、资源智能整合（生成学术前沿简报）、交叉案例生成（分别提供两专业应用场景）三项核心任务。课中教学方面，嵌入视频与深度研讨。“15+5+5”微节拍结构：15分钟教师精讲并嵌入2～3个学生微课，视频后由“小讲师”现场答疑；5分钟KIMI推送课堂练习即时反馈；5分钟根据正确率调整策略，正确率大于80%推进新内容，正确率在50%—80%间学生互讲，正确率小于50%启动AI错题精讲。“双师课堂”模式：KIMI作为AI助教，实现概念即时澄清（生成对比表格）、代码现场调试（实时检查错误）和跨学科视角拓展（同步展示两专业应用场景）。课后辅导方面，自主命题互答与AI诊断。SAQ五步循环机制是培养科研思维的核心抓手。首先，每人设计2道题，分别侧重人类思维（伦理社会维度）与科研思维（假设验证维度），要求体现跨学科视角。跨专业随机配对，生物工程与中药学学生互答。然后，要在48小时内完成答复，AI求助≤3次且需明确标注。然后，从准确性、深度、创新性、表达四维度互相评分。最后，系统持续追踪SAQ数据，生成“人类思维—科研思维”双维发展曲线，实现从“学习行为画像”到“思维结构画像”的深化。
五、结语
本研究构建了 AI 赋能的“新翻转课堂”教学模式，验证了生物类学科交叉融合的育人成效。研究表明：以生物信息学为枢纽的交叉融合框架能有效打破学科壁垒，AI 技术在知识转译、个性化学习、智能诊断方面显著降低交叉学习门槛，新翻转课堂的生成性学习设计有效激发学生科研思维与创新能力。该模式为地方应用型高校新工科生物类专业教学改革提供了可复制范式。未来将进一步扩大学科交叉范围，深化产教融合，持续优化 AI教学场景化应用。
参考文献
[1]教育部高等教育司.新工科建设行动指南[M].北京：高等教育出版社，2024.
[2]王艳.基于AI辅助与教师主导协同教学的高职“数据结构”课程智能管理系统研究[J].信息系统工程,2026(4):173-176.
[3]张志红,张世宏,郑啸.地方工科高校多学科交叉融合的工程人才培养模式探索与实践——以安徽工业大学为例[J].安徽工业大学学报社会科学版,2022,39(5):111-113.
[4]王志洪，赵冬.新工科视域下食品专业“双创”教育特色化路径探索与实践[J].现代食品,2025(13):158-160.
[5]张曙光，等。基于多学科交叉融合视角的道德行为发生与演化探赜[J].思想教育研究，2026,28(3):112-118.
[6]张聪,范雪威.数智背景下基于OBE教育模式的师范生实训教学改革研究[J].创新教育研究,2026,14(1):513-523.
基金项目：安徽省教育厅卓越人才培养创新项目（2024zybj032）；皖西学院“四新”研究与改革实践项目（wxxy2024011）。
作者简介：宋程（1989.11），男，汉族，讲师，博士研究生，研究方向：功能基因组学。