碩士研究生發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

楊雪霞 洪楓 曹張軍 楊光

摘 要 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。研究生發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)有具必要性，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)生能力培養(yǎng)、考評(píng)體系等方面對(duì)課程開設(shè)情況進(jìn)行分析總結(jié)，為進(jìn)一步提高該課程教學(xué)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究生培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)技能

中圖分類號(hào)：G622 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2012）23-0006-02

發(fā)酵工藝學(xué)是生物工程、生物化工和生物技術(shù)等專業(yè)學(xué)生的核心課程。它是在化學(xué)、生物學(xué)和化工基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的專業(yè)技術(shù)課，是將微生物學(xué)、生物化學(xué)、化工原理、生物反應(yīng)工程、生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中的橋梁課程。該課程既要闡明發(fā)酵工藝的基本知識(shí)和基本原理，又要重點(diǎn)突出生產(chǎn)工藝操作及過程控制等方面的實(shí)際問題，是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)是發(fā)酵工藝學(xué)課程的重要組成部分，通過發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)過程中所涉及的原理、技術(shù)、工藝等發(fā)酵理論基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，最終達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

一、研究生開設(shè)發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的必要性

近年來，隨著高等教育體制的改革，本科生和研究生招生規(guī)模不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，大量擴(kuò)招造成部分院校師資力量不足，教學(xué)設(shè)施缺乏，教學(xué)質(zhì)量參差不齊。以發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為例，普遍存在如下問題：一是不同院校實(shí)驗(yàn)課開設(shè)質(zhì)量差異較大。有些學(xué)校專業(yè)師資力量強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)施好，能開出綜合性、創(chuàng)新性強(qiáng)的發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生所受的訓(xùn)練專業(yè)而系統(tǒng)；而有些學(xué)校師資力量不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)施缺乏，實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)有困難。二是專業(yè)人數(shù)多，學(xué)生獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)少。有些院校專業(yè)招生人數(shù)偏多，盡管開設(shè)了發(fā)酵工藝學(xué)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，但大多是演示性實(shí)驗(yàn)，或小組有多名組員，學(xué)生獨(dú)立訓(xùn)練機(jī)會(huì)少，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)只是走過場(chǎng)。根據(jù)近年我院研究生的招生情況來看，大多數(shù)學(xué)生在本科階段缺乏實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。研究生階段的學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，包括動(dòng)手能力、實(shí)踐中運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力、相互合作能力和總結(jié)表達(dá)能力等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高研究生綜合能力有效途徑之一。為減少研究生在本科階段所學(xué)知識(shí)和專業(yè)訓(xùn)練上的差異，彌補(bǔ)本科階段訓(xùn)練的不足，提高研究生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力，使其盡快適應(yīng)研究生階段的學(xué)習(xí)研究，我院為生物相關(guān)專業(yè)的研究生開設(shè)發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)在碩士研究生一年級(jí)開設(shè)，設(shè)為選修課程，教學(xué)時(shí)數(shù)32。學(xué)生來自多個(gè)不同的專業(yè)，有生物化工、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、生物工程等專業(yè)，學(xué)生專業(yè)背景不同，知識(shí)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)也差別較大。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置既要考慮基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)他們的實(shí)際動(dòng)手能力，又要考慮科研思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高他們的科研素養(yǎng)。結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和我院科研特色，目前課程安排了兩個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一為全自動(dòng)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的使用及中性蛋白酶的發(fā)酵生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)二為氣升式發(fā)酵罐的學(xué)習(xí)使用及細(xì)菌纖維素的發(fā)酵制備。所安排的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以從以下幾個(gè)方面訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生。（1）學(xué)習(xí)使用不同類型的發(fā)酵罐。實(shí)驗(yàn)特意設(shè)計(jì)選擇了機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐這兩種不同類型的發(fā)酵罐，以加深學(xué)生對(duì)發(fā)酵罐構(gòu)造的認(rèn)識(shí)。機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐是最常用的生物反應(yīng)器，學(xué)生對(duì)這種類型的發(fā)酵罐了解較多，但氣升式發(fā)酵罐一般實(shí)驗(yàn)室用的較少，學(xué)生對(duì)這種類型的發(fā)酵罐了解不多。兩種類型的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)傳氧不同，剪切力不同，適用的培養(yǎng)對(duì)象也不同。學(xué)生通過比較了解到不同反應(yīng)器的特征及認(rèn)識(shí)到根據(jù)培養(yǎng)對(duì)象選擇反應(yīng)器的重要性；（2）學(xué)習(xí)不同的發(fā)酵罐滅菌方式。一種發(fā)酵罐采用離位滅菌，適合實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究用，一種發(fā)酵罐采用原位滅菌，更接近實(shí)際的工廠生產(chǎn)方式。通過發(fā)酵罐兩種滅菌方式的比較，學(xué)生更多了解實(shí)驗(yàn)室操作和工廠生產(chǎn)的不同。另外，實(shí)驗(yàn)所用原位滅菌發(fā)酵罐是需要全手動(dòng)操作的發(fā)酵罐，這種發(fā)酵罐更適合教學(xué)，學(xué)生必須熟悉所有管路和閥門的連接、工藝流程的操作才能很好的完成實(shí)驗(yàn)。而目前科研上用的全自動(dòng)發(fā)酵罐只需要簡(jiǎn)單設(shè)置參數(shù)就完成操作，整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、管路連接、控制等對(duì)學(xué)生來說是一個(gè)黑匣子，不適合教學(xué)。（3）學(xué)習(xí)生產(chǎn)不同的發(fā)酵產(chǎn)品。一種產(chǎn)品是蛋白酶，屬于蛋白質(zhì)類產(chǎn)品；一種是細(xì)菌纖維素，屬于多糖類產(chǎn)品。發(fā)酵產(chǎn)品不同，采用的反應(yīng)器不同，微生物培養(yǎng)特征和生產(chǎn)工藝不同，對(duì)產(chǎn)品的分析檢測(cè)方法也不同。通過學(xué)習(xí)對(duì)不同產(chǎn)品的發(fā)酵，一方面強(qiáng)化基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，如培養(yǎng)基配制、發(fā)酵罐系統(tǒng)的滅菌、接種、取樣等操作均要求規(guī)范熟練，另一方面通過發(fā)酵產(chǎn)品的巨大差異訓(xùn)練學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力。如細(xì)菌纖維素是一種新型的生物材料，但其工業(yè)化動(dòng)態(tài)發(fā)酵罐生產(chǎn)目前仍不成熟，其最佳培養(yǎng)方式和工藝仍在探索中。

三、研究生綜合研究能力的培養(yǎng)

（一）實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中注重基本實(shí)驗(yàn)技能的規(guī)范、熟練和綜合實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練提高。研究生經(jīng)歷了本科階段基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程、專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練，他們已掌握了一些基本實(shí)驗(yàn)技能，如稱量、培養(yǎng)基和溶液配制、滅菌、接種技術(shù)等。實(shí)驗(yàn)中，從培養(yǎng)基的制備、滅菌、種子的擴(kuò)大培養(yǎng)、接種、發(fā)酵過程的管理，到生物量、產(chǎn)品、底物濃度等參數(shù)的分析測(cè)試都由研究生獨(dú)立完成。教師如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生在基本操作上有問題，及時(shí)更正。對(duì)于綜合實(shí)驗(yàn)技能或需要強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)技能，則由老師重點(diǎn)講解，實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)指導(dǎo)，如原位滅菌發(fā)酵罐管路連接，pH電極和溶氧電極的校正、酶活力測(cè)定等。這樣既能給學(xué)生獨(dú)立操作和訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，又能提高其綜合實(shí)驗(yàn)技能。

（二）注重培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力

研究生不僅需要扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要求具有清晰嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生必須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師組織學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)方案和安排，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，提出存在的問題。這樣學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的思路、實(shí)驗(yàn)方案和流程、實(shí)驗(yàn)的目的與要求、操作和注意事項(xiàng)等在實(shí)驗(yàn)前就有清晰系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，避免糊里糊涂做實(shí)驗(yàn)。教師也通過設(shè)疑、質(zhì)疑等方式了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作的理解，促使學(xué)生獨(dú)立思考。如發(fā)酵罐原位滅菌時(shí)為什么要先進(jìn)行夾套滅菌而不是直接通蒸汽進(jìn)行滅菌？細(xì)菌纖維素的發(fā)酵制備時(shí)，細(xì)菌菌體被包裹在纖維素網(wǎng)絡(luò)中，采用哪種方法測(cè)定菌體生物量更合適等。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后強(qiáng)調(diào)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，指出需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。實(shí)驗(yàn)報(bào)告重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論能力，結(jié)果分析有理有據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論不是試驗(yàn)結(jié)果的重述，而是以結(jié)果為基礎(chǔ)的邏輯推論。這樣以學(xué)生為主，老師為輔的教學(xué)方式，不僅提高了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了他們對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，也提高了他們分析和解決問題的能力，為后續(xù)加入導(dǎo)師課題組開展科研工作和學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力是研究生階段需要培養(yǎng)和訓(xùn)練的重要能力之一，因此實(shí)驗(yàn)過程特別注重學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如在使用機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐時(shí)，實(shí)驗(yàn)不追求所有小組結(jié)果的一致性，而是鼓勵(lì)不同小組采用不同類型的攪拌漿，考察其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并分析為什么會(huì)有不同的影響。研究生入學(xué)后最迫切的愿望是盡快地掌握與以后科研工作相關(guān)的理論知識(shí)和各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，為將來的工作打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過程中我們盡可能加入新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。如細(xì)菌纖維素發(fā)酵中，采用傳統(tǒng)的方法分析細(xì)菌生長(zhǎng)規(guī)律有一定的難度，實(shí)驗(yàn)采用熒光標(biāo)記法對(duì)菌體進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后在熒光顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù)得出菌體的生長(zhǎng)規(guī)律。讓學(xué)生學(xué)習(xí)熒光標(biāo)記的方法和熒光顯微鏡的使用，為學(xué)生以后的工作和科研打下一定基礎(chǔ)。

（四）課程考核

發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門對(duì)研究生進(jìn)行綜合能力培養(yǎng)和訓(xùn)練的課程。該課程采用平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考試成績(jī)相結(jié)合的多元化考評(píng)方式。平時(shí)成績(jī)占40分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30分，考試成績(jī)占30分。平時(shí)成績(jī)主要包括預(yù)習(xí)報(bào)告、課堂提問、實(shí)驗(yàn)操作、安全衛(wèi)生等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)并寫出預(yù)習(xí)報(bào)告，教師根據(jù)報(bào)告和課堂提問進(jìn)行評(píng)定，實(shí)驗(yàn)過程中主要考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要考察學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄情況、寫作的規(guī)范性、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)的能力。考試內(nèi)容主要涉及實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)、現(xiàn)象分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，以學(xué)生是否掌握基本知識(shí)和基本技能為原則，重點(diǎn)考核學(xué)生分析問題、解決問題的能力和動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)考試不僅可以讓學(xué)生系統(tǒng)地分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)，還可以考察學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)掌握情況以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力。當(dāng)然考試只采用單一的筆試來評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)本門課程的掌握程度是不夠的，今后的教學(xué)中要增加實(shí)際操作能力的考試。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過為碩士研究生開設(shè)發(fā)酵工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，使研究生在較短的時(shí)間內(nèi)迅速掌握發(fā)酵工藝學(xué)的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)，減少了研究生間知識(shí)結(jié)構(gòu)的差異，做到了理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)了研究生對(duì)所學(xué)專業(yè)的濃厚興趣，強(qiáng)化了學(xué)生動(dòng)手能力和思維創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，為研究生的課題研究創(chuàng)造了良好的條件與基礎(chǔ)，深受學(xué)生們的喜愛。由于我們開設(shè)這門課程的時(shí)間較短，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)還比較缺乏，在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們將進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，強(qiáng)化學(xué)生的綜合實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新精神，逐步提高教學(xué)質(zhì)量。