生物工藝實驗教學特點

楊東升　羅先群　王新廣

摘 要 生物工藝實驗的教學有其自身特點。從實驗過程看具有長時間連續性的特點；從實驗操作看要求較好的分工協作；從實驗具體環節看要求具有創新性；從實驗裝備看，器材大型化，控制方法智能化、機械化。這些獨有的特點使生物工藝實驗教學更趨向工程化，針對這些特點進行的教學改革和創新能夠使工程人才素質的培養得到加強。

關鍵詞 生物工藝實驗 教學特點 素質培養

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.09.059

Characteristics of Biological Technology Experiment Teaching

YANG Dongsheng， LUO Xianqun， WANG Xinguang

（Biological Engineering Laboratory， College of Materials and Chemical

Engineering， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract The teaching of biological technology experiment has its own characteristics. From the experimental process is continuously for a long time the characteristics of； better division of labor collaboration requirements from the experimental operation； innovation is required from the specific aspects of； from the experimental equipment， large-scale equipment， control method and mechanical intelligent. These unique characteristics make the biological process experiment teaching more tend to project， the teaching reform and innovation of these characteristics can make the quality of engineering personnel training to be strengthened.

Key words biological technology experiment； teaching characteristics； quality training

生物工藝實驗是生物工程專業的重要教學內容之一，直接關系到學生實踐能力的鍛煉和提高，是學生專業素質能力的重要體現。生物工藝實驗教學本著將書本知識通過實際操作得以應用為目的，幫助學生熟悉生物工藝流程及常規的實驗技術，鍛煉其專業技能同時熟悉工藝操作的主要環節。經多年教學，我們發現，生物工藝實驗教學環節更加接近工廠操作，與基礎實踐教學存在很大的不一致性。主要體現在生物工藝實驗具有長時間、連續的過程，具有分工協作的操作要求以及實驗具體環節的創新點，具有工廠化大設備的屬性。海南大學生物工程專業開辦十二年來，參與教學的教師針對生物工藝實驗的教學特點，對實驗教學環節進行不斷總結和改革，形成了一套適合本科實踐教學的體系，同時積累了大量寶貴經驗。

1 實驗過程的長時間連續性

生物工藝的實質就是微生物培養，其過程是漫長的。長時間連續的培養過程，短則十幾小時，多則十幾天。學生參與的實驗和實踐近乎于工業化要求，要在實驗室經歷長周期的發酵操作。此外，發酵實驗由于涉及實驗設備、原料、工藝及人員操作等諸多主觀及客觀因素，影響比基礎實驗更為明顯。實驗結果往往是不確定的，有時甚至可能失敗。這種不確定性與實驗的周期成正比。因此，在實踐環節要求嚴格控制發酵條件，要重視重復性實驗在長周期實驗中的合理設計，使實驗數據得以合理共享。

1.1 實驗過程的長時間連續性

從教學周期看，生物工藝實驗具有與其他實驗不同的特點。其一就是實驗時長較長，比如，在谷氨酸發酵過程中，除了前期準備工作如配制培養基、滅菌、接種等準備工作需要大概2小時外，學生還要迎來48小時的發酵周期實驗。其二就是實驗的連續性。由于涉及的實踐環節較多，各個環節有機結合，缺一不可，因此在教學實踐中多采取分批次、分組的方式， 學生在產品發酵期間采取分批值班的方式各自完成某一實驗環節的操作。學生實行連續分批次實驗保證了發酵過程的連續性，類似工業生產中的三班倒。

1.2 生物工藝的大實驗特征

生物工藝實驗包括了所有具備實驗教學條件的專業內容。目前可以在實驗室進行小試研究教學的發酵范圍涉及厭氧發酵和好氧發酵。涉及與工廠生產相關的行業有氨基酸發酵、乳酸發酵、檸檬酸發酵、啤酒發酵、白酒發酵等。幾乎所有發酵實驗具備大實驗特點，比如，啤酒發酵實驗包括簡單的酵母質量檢查、酵母計數、糖度酸度檢測、雙乙酰檢測、乙醇檢測、質量品評、主發酵控制、后發酵控制等實驗項目。要求學生根據每個實驗特點掌握各個實驗項目的操作方法步驟。

1.3 生物工藝實驗條件及結果的不確定性

微生物發酵過程十分復雜且周期長，本身充滿不確定性，過程控制可以高度一致，但結果卻可能相差很大甚至相反。學生要學習生物工藝實驗的分析研究方法，要找到這種不確定性，最終發現原因，比如閥門泄漏、濾膜穿孔、膠管松脫等造成結果誤差太大。由于增加了自主分析思考，這類大實驗更能培養學生綜合能力。

1.4 實踐環節要求嚴格控制條件

為了控制微生物生長，使其為我所用，在發酵的各個環節，要求各參數控制在一定范圍之內，以利于微生物的生長，利于代謝產物的生成或菌體的生長。嚴格控制各參數條件是發酵過程的重要操作環節，也是體現學生現場處理、分析和解決問題能力的重要依據，當然更強化學生在實操環節的工程素質。

1.5 重復性實驗在長周期實驗中的合理設計

學生在進行連續分批實驗時，各批次處在不同的發酵周期，重復實驗即可得到系列數據。由于實現數據共享，每個學生都可以如實了解整個實驗過程的具體數據，實驗報告可以重點分析自己工作時間段的發酵情況，包括參數控制分析、現象分析、數據分析等。針對大實驗的具體分工使學生在其負責環節能做到具體問題具體處理，使過程設計更為合理。

2 實踐過程的協作性

實踐教學過程不單體現老師與學生的配合，更體現了學生之間的配合與協作。教師按教學計劃制定實驗大綱與方案，要求學生認真實踐并圓滿完成。學生們要在大實驗的框架下預習、實踐、觀察、總結。其中要求最高的也是最能體現學生能力的就是其協作性。首先是排班問題，要求學生在按質按量完成實驗任務的前提下做好分批組員的編排。其次是公共試劑的配制，要求學生統一操作，使誤差減小到最低。第三是儀器使用，特別是涉及多人操作的儀器尤其要強調配合及協作，才能使數據準確，共享成為現實。①協作過程就是團隊精神的體現，為今后研究工作打下良好基礎。

2.1 分工協作是生物工藝實驗必需的工作素養

生物工藝過程在實際工廠中是包羅萬象的。在實驗室只能完成其中的小部分內容，包括發酵、提取、糖化、精制、菌種保障等環節缺一不可。所以分工協作是發酵實驗必須的工作素養，能關注實驗細節并在實驗環節做到積極配合的學生必將收獲良好的工作習慣。

2.2 合作過程要求操作方法的高度統一

不同批次的學生在不同時段進行重復實驗要求在操作方式上高度統一。比如閥門控制、取樣、檢測等都必須嚴格依照規程，否則，會使整個實驗數據增加不確定性。在數據記錄方式、小數點取位、數據單位等都要做到統一、合理。實驗報告也要求對批量數據、參數處理方式的一致性。

2.3 團隊精神的培養

生物工藝大實驗的實施有利于培養學生的團隊精神。分組可能存在競爭，每組學生都會以全力以赴做好本組的實驗。在每批實驗過程中，也要注意相互幫助，協同實驗。比如，某組實驗儀器出現問題，其它組同學不會袖手旁觀，主動出主意盡快解決問題。公共設備如電、氣環節出了問題，要有同學負責簡單處理同時報告實驗老師。②

3 實驗環節的創新性

生物工藝實驗存在實驗過程的不確定性，同時具有實驗創新的可能性。正是因為它的不確定性，體現了其產物的影響因素是多方面。影響因素包括原料、工藝、操作、檢測方法等內容。單就原料的變化來講，生物工藝實驗所反應的結果是多變的。比如原料來源不同，糖化方式不同，加入的酶不同等等，都會引起下游產品的連鎖反應。因此，考慮對眾多環節的變化因素，生物工藝實驗必然存在適合學生開發的創新點，并以此為基礎進行設計性實驗、綜合性實驗項目的開設。③

3.1 實驗的嚴謹性

生物工藝涉及到的微生物過程是復雜的，涉及相關的生物化學、微生物學、生化技術等相關實踐內容。在具體操作環節要嚴格按照實驗步驟進行，儀器使用、實驗手法嚴格按規程執行，數據記錄要求實事求是，參數控制實驗過程要求一絲不茍。

3.2 實驗操作環節的創新性

近年來，各地高校不斷提高實踐教學課時比例，以此提高學生實踐動手能力，提高綜合性實驗、設計性實驗項目比例以提高學生創新意識。實驗的操作環節要按規程嚴格操作，但在實驗設計環節要展開思路，充分創新。要求學生在實驗過程中要不斷發現問題并解決問題，要學會用會到的理論知識分析一般實踐問題。多用發散思維進行開創性的思考，不要局限于某一些實驗機械的步驟、原理和方法。找到可能的突破口，進行科研自由探索。④

4 實驗器材大型化，設備控制方法智能化、機械化

生物工藝實驗設備普遍大型化。比如日產100升啤酒釀造設備由4只100升的發酵罐、一只100升的糖化鍋、一只50升的糊化鍋、一只100升的過濾回旋槽、一臺制冷機、一臺粉碎機、一臺罐裝機、一臺過濾機組成。

設備控制方式智能化。發酵罐可以通過PID實現溫度的全自動控制，制冷機溫度可以實現對制冷液0至-20℃的自動控制。全自動控制電路對學生學習自控理論是很好的現場教材，可以直接與工業化設備對接，增加學生的直觀認知。

設備控制方式機械化。CIP系統可以通過循環清洗系統實現自動運轉，物料可以通過倒料泵實現方便運轉。機械化操作是現代工業的基本要求與屬性，學生在實驗室接觸到的機械化控制有助于培養其工程素質。

生物工藝設備可以做為工廠的小試裝備，在生物工藝實驗教學中可以起到加深學生對工程設備認識的作用。對了解工廠設備及運作打下良好基礎，有利于工程人才的培養。

5 教學方式的改革創新

高等教育改革的一個方向就是在實踐環節的創新。由于各高校的具體情況不一致，各專業的設置，人才培養方向的差異使實踐教學的改革創新不能按照一個模式開展。就本校生物工藝實驗來說，教學方式宜按照現有管理機制、設備規模、人才儲備等進行循序漸進式的改革。按照專業實驗的特點，開發訂單式的實驗項目內容。隨著改革創新的深入，再進一步培養高素質創新人才，以此實現教學改革的螺旋上升式發展。結合上述生物工藝實驗現有特點，我們認為采取采用自主式實驗教學和將科研成果引入實驗教學的方式是可行的。

5.1 采用主動式實驗教學

過去的實驗教學基本是在教師按課本制定教案進行的。學生在實驗過程中存在被動學習的情況，比如預習報告就是抄書。如果采用主動式實驗教學，學生通過各種方式查閱相關資料，制定相關實驗方案步驟，經老師批閱后再進行實驗研究。這種主動式的實驗教學能使學生對實驗進行更深入細致的分析思考，對理論與實踐的結合、專業知識的深入掌握是非常有益的。同時有老師的把關，實驗理論和實驗技術可以得到保證。對主動式的實驗，學生更有成就感，印象更深刻，更能開拓其創新能力。在實驗結束時，針對主動式實驗教學進行總結分析，深入了解每位學生對實驗的收獲和看法，（下轉第131頁）（上接第128頁）以利于下一步的改進；同時為學生進行答疑解惑，現場改正每位學生的每一個錯誤，包括知識點、操作方法等。教師要本著使學生在實驗教學中掌握并熟練應用專業知識的目的，針對一些實驗現象進行合理科學的解釋。綜上所述，我們要通過多樣的教學形式培養學生的創新思維，提高學生利用專業理論知識分析和解決實踐問題的能力。⑤

5.2 將科研成果引入實驗教學

將科研成果引入實驗教學，形成新型的實驗教學體系。⑥教學體系的針對性和完整性與學生的實踐能力、創新能力培養直接相關，同樣也決定著學生畢業后在社會上的競爭能力。在實驗教學中引入教師的研究成果，可以很好地將學與研有機地結合起來，使學生了解現代科技進展情況。同時促進教師更深入地進行本學科的研究，拿出最新的科研成果。

總之，生物工藝實驗是一個有機的整體，因為它涉及多門學科知識。除了工藝過程周期長且復雜化外，它的實驗器材中大型化，控制方法智能化、機械化。這種獨有的特點使實驗教學更趨向工程化，能夠使工程人才素質的培養得到加強，同時更有利于培養學生的創新思維。

*通訊作者：楊東升

注釋

①②蔣群，何麗明，張雪洪.在微生物發酵實驗教學中加強素質教育[J].微生物學通報，2008.35（4）：605-607.

③ 江珩，吳雪梅.關于深化高校實驗教學改革的幾點認識[J].中國大學教學，2005.6：42-43.

④⑥楊華，路福平，王洪玲.生物工程專業教學體系的探索與實踐[J].中國輕工教育，2006.1：56-57.

⑤ 任曉莉，佟春生，趙金安等.基于OBE的發酵工程實驗教學改革探索[J].化工高等教育，2014.31（2）：65-67，47.