酶工程“黑曲霉固定化”綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

韓毅強(qiáng)，高亞梅，王偉東

摘 要：綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要作用。文章以酶工程綜合性實(shí)驗(yàn)“黑曲霉的固定化實(shí)驗(yàn)”為例，從“黑曲霉固定化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，詳述了酶工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施策略，以期為其他課程的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有益經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：酶工程;實(shí)驗(yàn)教學(xué);策略;黑曲霉固定化

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2015）03-0027-02

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是高等教育的重要方面。高校除理論教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義[1-2]。生物課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，伴隨實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入，綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)比例增加以及一些難度較高的涉及前沿技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的增設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理、實(shí)驗(yàn)人員的素質(zhì)提出了更高要求。酶工程課程是生物技術(shù)專業(yè)的主干課，也是一門技術(shù)應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，在酶工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)性、綜合性為主的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目逐漸增加。要求開放實(shí)驗(yàn)室，采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的總體趨勢(shì)[3-5]。設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)能夠提高學(xué)生的實(shí)踐技能和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣與自信心，獲得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[6-7]。下面對(duì)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命學(xué)院酶工程課程黑曲霉固定化實(shí)驗(yàn)的改革作簡單介紹。

一、“黑曲霉固定化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

對(duì)原有的黑曲霉固定化實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，原有實(shí)驗(yàn)課程是對(duì)黑曲霉進(jìn)行固定化，通過固定化黑曲霉產(chǎn)生的淀粉酶水解淀粉生產(chǎn)糖。原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡單，只要求學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握包埋法固定化細(xì)胞技術(shù)的基本過程，學(xué)生對(duì)細(xì)胞固定化方法的影響因素、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法以及優(yōu)越性和重要性等認(rèn)識(shí)不足，對(duì)其應(yīng)用的意義不能深刻理解。

二、“黑曲霉固定化”綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

依據(jù)前期的分析結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)中增加了影響固定化細(xì)胞發(fā)酵的四種因素。經(jīng)過改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生提出了更多的要求：（1）認(rèn)識(shí)固定化細(xì)胞與游離細(xì)胞發(fā)酵能力的差別;（2）掌握固定化細(xì)胞發(fā)酵的溫度、pH值、發(fā)酵的時(shí)間、底物濃度對(duì)發(fā)酵的影響;（3）掌握評(píng)價(jià)固定化細(xì)胞應(yīng)用效果的方法;（4）學(xué)會(huì)正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。改進(jìn)后的黑曲霉固定化實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在對(duì)比中發(fā)現(xiàn)固定化細(xì)胞的重要用途，切實(shí)體會(huì)細(xì)胞固定化的優(yōu)越性，并且在實(shí)驗(yàn)中掌握影響固定化黑曲霉活性的主要因素。讓學(xué)生學(xué)會(huì)在多種因素存在時(shí)通過簡單快速的方法（正交實(shí)驗(yàn)）獲得理想的結(jié)果。

（一）探討發(fā)酵反應(yīng)的影響因素

發(fā)酵反應(yīng)受到多種因素的影響，首先，要保證正常的發(fā)酵過程，就需確定最適溫度，維持最適溫度。其次，pH值也是影響發(fā)酵的重要因素之一，在黑曲霉發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中淀粉酶最適合的pH值與其他生物體不盡相同，需要精確測(cè)定其最適合pH值。再次，溶解氧和發(fā)酵液中各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，特別是碳氮比、無機(jī)鹽和維生素的濃度，會(huì)直接影響菌體的生長和代謝產(chǎn)物的積累。因此，我們將發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH值、發(fā)酵時(shí)間和底物淀粉濃度，均改為三個(gè)梯度，便于研究各種因素對(duì)發(fā)酵反應(yīng)的影響，提高學(xué)生對(duì)發(fā)酵反應(yīng)的理解、認(rèn)識(shí)各種因素對(duì)發(fā)酵的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究思維方式（見表1）。

表1 ?改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)主要區(qū)別

（二）運(yùn)用正交法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響發(fā)酵過程的因素眾多，如對(duì)上面四個(gè)因素三個(gè)水平的各種搭配都要考慮，按一般方法共需做3×3×3×3=81次實(shí)驗(yàn)（見表2），實(shí)驗(yàn)次數(shù)過多，實(shí)驗(yàn)難以實(shí)施。

因此，可以應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法中的正交法來安排實(shí)驗(yàn)，計(jì)算和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如對(duì)四個(gè)因素三個(gè)水平分析用正交表（見表2）只需做9次實(shí)驗(yàn)，選用L9（34）表（L是正交表的代號(hào)，L右下角的數(shù)字表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)）。L9（34）表有兩個(gè)特性：（1）在每一列中各個(gè)不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相同，每一列中“1”“2”“3”這三個(gè)數(shù)字都出現(xiàn)三次;（2）每兩列的橫行組成的各種不同的“數(shù)對(duì)”出現(xiàn)的次數(shù)也都相同，每兩列的橫行組成的“數(shù)對(duì)”共有九個(gè)，九種不同的數(shù)對(duì)（1，1）、（1，2）、（1，3）、（2，1）、（2，2）、（2，3）、（3，1）、（3，2）、（3，3）均出現(xiàn)一次。這兩個(gè)特點(diǎn)保證了用正交表安排的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的均衡搭配性[8]。因此，分析數(shù)據(jù)比較方便，結(jié)果比較可靠。這樣就能通過少量實(shí)驗(yàn)取得較好的效果。讓學(xué)生應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法解決生物學(xué)問題可以深刻體會(huì)到在生物學(xué)研究時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)的重要性，系統(tǒng)掌握這種方法，對(duì)學(xué)生的科學(xué)養(yǎng)成大有裨益。

表2 ?正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)L9（34）表

（三）注重綜合性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

原實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為單一，僅有糖含量的數(shù)據(jù)，沒有具體的對(duì)照，不能判斷固定化的優(yōu)缺點(diǎn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)通過結(jié)果能夠獲得產(chǎn)品的生產(chǎn)強(qiáng)度：即每小時(shí)每升反應(yīng)體積所生產(chǎn)的產(chǎn)品的克數(shù)。通過固定化細(xì)胞和游離細(xì)胞對(duì)照，可以比較出固定化細(xì)胞在發(fā)酵中的優(yōu)勢(shì)，通過正交實(shí)驗(yàn)掌握發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH值、發(fā)酵時(shí)間和底物濃度四種因素對(duì)固定化細(xì)胞的影響，并通過數(shù)學(xué)計(jì)算獲得最佳的發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH值、發(fā)酵時(shí)間和底物濃度。在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)時(shí)學(xué)生需要理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。這必將提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，提高同學(xué)間協(xié)作能力，訓(xùn)練學(xué)生的溝通能力，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際工作的適應(yīng)性，使學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)改革的直接受益者。

三、綜合性試驗(yàn)實(shí)施的關(guān)鍵

（一）保障實(shí)驗(yàn)室的開放時(shí)間

為了使實(shí)驗(yàn)開設(shè)順利完成，我們通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將實(shí)驗(yàn)時(shí)間盡量控制在正常工作時(shí)間，減少中午、夜間和節(jié)假日實(shí)驗(yàn)安排。建立教師值班制度，保證在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間段內(nèi)有教師在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)和管理?，F(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè)越發(fā)齊全，電話人手一機(jī)，實(shí)驗(yàn)室建立了網(wǎng)絡(luò)通訊組并設(shè)立實(shí)驗(yàn)預(yù)約電話。學(xué)生通過網(wǎng)上預(yù)約、電話預(yù)約等方式保證實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

（二）合理使用藥品和儀器

為保證學(xué)生更好地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)開設(shè)有藥品和儀器使用的“儀器使用”理論課程。教師在實(shí)驗(yàn)課程前對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)教育，講授2—4學(xué)時(shí)，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度。同時(shí)對(duì)進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生進(jìn)行短期的培訓(xùn)，要求每名學(xué)生學(xué)會(huì)必要的實(shí)驗(yàn)室常識(shí)和禮節(jié)，熟知實(shí)驗(yàn)室中各種有害藥品和防護(hù)方法，熟練掌握各種儀器的使用方法。要求精密儀器必須在教師的指導(dǎo)下使用。

（三）健全開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理機(jī)制

綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理工作更加復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理提出了更進(jìn)一步的要求[9-11]。實(shí)驗(yàn)室管理細(xì)化，記錄進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室學(xué)生的人數(shù)、姓名和時(shí)間，通過加裝攝像頭、門禁卡等方式進(jìn)行嚴(yán)格管理，實(shí)驗(yàn)教師精確掌握學(xué)生進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的情況，輔導(dǎo)和解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和問題，糾正學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的不規(guī)范動(dòng)作和習(xí)慣，維護(hù)實(shí)驗(yàn)室的安全、有序和穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，為提升酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，針對(duì)其實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)室開放管理等開展了一系列改革嘗試，酶工程綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)益處非常明顯。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中獨(dú)立動(dòng)手能力加強(qiáng)，對(duì)學(xué)習(xí)的理論內(nèi)容理解更透徹，激發(fā)了學(xué)生的興趣，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

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