發酵工程本科實驗教學改革與實踐初探

江南屏 任瑤瑤 廖海

[摘 要]發酵工程實驗內容豐富、涉及面廣、操作性強，在生物工程專業教學中舉足輕重。該研究結合西南交通大學生命科學與工程學院的實際情況，從優化實驗內容、教學手段及考核方式這三個方面有針對性地對發酵工程實驗進行改革探索，實驗內容更加系統化，從培養基的配制滅菌、菌種的篩選分離、紫外誘變育種、搖瓶發酵生產直到產物提取和鑒定的一系列過程，環環相扣。重視提高學生在整個實驗過程的參與性、主動性，把實驗教學從傳統的單向傳授變為雙向互動，激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率。要求學生課前預習，對學生在實驗操作過程中的表現進行評價打分。

[關鍵詞]發酵工程實驗；實驗教學；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0090-03

作為生物工程專業領域中非常重要的核心課程，發酵工程具有很強的應用性和實踐性，發酵工程實驗是理論課不可或缺的組成部分，其實驗教學對生物技術和生物工程專業人才培養至關重要，是培養和訓練學生實驗操作技能和應用技術的重要手段，是現代生物技術產業的重要組成部分，是其他生物技術實現產業化的關鍵和必經之路。發酵工程實驗內容豐富、涉及面廣、操作性強，在生物工程專業教學中舉足輕重[1]。如何在有限的課時內使學生掌握發酵工程最基本的內容，提高他們在實踐中分析問題、解決問題的能力，并為他們今后的發展打下堅實的基礎，是教師需要認真思考的問題。

本學院發酵工程實驗現行的教學模式是教師為主、學生為輔，教師課前準備實驗、課上講解，而學生被動聽、參照實驗指導按部就班地操作。這種程序化的教學方法，造成了學生缺乏學習主動性，部分學生只是被動完成實驗步驟而不思考實驗現象背后的原理，參與性不強或根本不動手操作，只知其一不知其二，這種教學模式限制了學生發現問題、解決問題的能力。另外，實驗教學內容類型單一，大部分以驗證性實驗為主，綜合性不強，缺少創新型實驗，沒有體現專業特色，不能將理論知識應用于實踐操作中[2]，實驗成績考核標準不明確，致使學生對實驗課不夠重視。針對上述多方面問題，在完善現有實驗教學體系內容的基礎上，培養學生分析問題、解決問題的能力，我們對發酵工程實驗教學進行了以下改革探索，提高教學質量。

一、改革實驗內容，提高實驗效果

根據本學院生物工程專業本科教學培養計劃，發酵工程實驗安排在大三下學期進行。此時的學生已修完微生物學實驗、生物化學實驗和細胞生物學等基礎實驗，具備了相關的實驗操作和動手能力。

（一）加強教材建設，選定合適的實驗教材

生物科學的發展日新月異，實驗教學必須與時俱進。更新實驗教材，淘汰一些舊的實驗方法，選擇知識體系結構合理、經典實驗和前沿新技術結合得好的參考教材，是保證實驗教學質量的關鍵一步。作為實驗教與學之間的主要橋梁，好的教材不僅可以提高教學效率，還可以激發學生的學習興趣。目前我們采用的實驗教材是參考本院教師2005年自編的教材講義，部分內容較陳舊，沒有涉及最新研究結果和技術[3]。已出版的發酵工程實驗參考書很多，可謂琳瑯滿目，每一種都有各自的特點和內容的側重，我們結合發酵工程教學的自身特點和本院現有的設備和實際情況，選擇以原有講義為基礎，以教材《發酵工程實驗指導》（吳根福著，2006年版）為參考，讓學生充分了解發酵工程實驗內容體系，學有余力的學生還可結合實驗教材拓展學習，這就促進了學生知識結構的整體優化。

（二）優化實驗內容

21世紀是生物世紀，如何緊密聯系實際，培養出符合社會需求的人才一直是各高校生物類課程教學改革中的難點。根據應用型人才培養的要求，結合當前生物技術的發展趨勢和前沿要求，教師在發酵工程的實驗教學中，必須對所選教材內容進行適當的修改和補充，以應對社會發展對人才的需求。發酵工程實驗是通過微生物發酵生產所需產品，需要連續進行實驗。學生在以往的氧化葡萄酸桿菌產二羥丙酮的實驗中，存在發酵周期長、二羥丙酮產量低、實驗學時有限、實驗效果不理想等局限性。在新的改革中我們將這種實驗替換成枯草芽孢桿菌的育種及α-淀粉酶活性檢測。枯草芽孢桿菌是重要的工業生產益生菌，能合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等酶類。其中淀粉酶是一種能將淀粉質水解為多糖、糊精等小分子的生物催化劑，其在發酵工業、食品工業及制藥業等工業中被廣泛應用，也是最早實現工業化生產的酶制劑之一[4]。

新實驗能讓學生了解工業微生物育種方法且獲得更好的實驗反饋和效果（見表1），大大提高了學生參與實驗的積極性和熱情。同時為了體現發酵工程實驗的專業特色和連續性，在水解糖制備的實驗之后新增酒精發酵實驗，自行設計酒精發酵裝置并應用到學生實驗中（見圖1）。該裝置設計簡單，制作成本低，學生易上手，實驗效果明顯。發酵罐是微生物實現工業化生產的必備設備之一，了解發酵罐的結構及使用方法，是生物工程專業學生必須掌握的一項基本技能。鑒于現有發酵設備及課時有限，利用搖瓶發酵替代發酵罐實驗，讓學生掌握微生物發酵過程。部分在實驗室未能完成的任務，如了解發酵罐的構造原理，則通過理論教學來補充。經過實踐，改革后的發酵工程實驗內容總體以枯草芽孢桿菌功能菌株為主線，從培養基的配制滅菌、菌種的篩選分離、紫外誘變育種、搖瓶發酵生產直到產物提取和鑒定的一系列過程，環環相扣，學生不但掌握了發酵實驗的基本操作技能和方法，同時能夠靈活運用所學的專業知識和理論，進行簡單的發酵工業設計和制作并做到舉一反三[5]。通過開展這些實驗，學生的實驗操作及動手能力、綜合運用理論知識解決實際問題的能力都得到了進一步加強和提高，其實驗創新能力也得到了鍛煉。

改革后的實驗內容包括發酵用培養基配制及滅菌、發酵種子液的制備、發酵原料的生產、發酵產物的分離純化及檢測、工業誘變育種等六個實驗，這些實驗涵蓋了一個微生物產品實現工業化生產的步驟和原理[6]。這些實驗的有機組合有利于學生系統掌握發酵工程的內涵，將抽象的發酵理論應用到工業生產中，有利于學生掌握發酵工程實驗操作的精髓。

二、改進實驗教學組織形式，調動學生參與實驗的積極性

有了合理的實驗教學內容和安排，還要有相應的教學方法作保障，才有可能達到培養綜合型人才的目的。實驗教學方法的改革要重點培養學生的動手能力和獨立思考能力，突出學生在教學中的主體地位。

（一）改進教學方法，提高教學效率

傳統的教學模式是教師講、學生聽的填鴨式教學，學生學習和掌握到的知識有限。因此，有必要調動學生參與實驗的積極性、主觀能動性，努力把實驗教學從傳統的單向傳授變為雙向互動，激發學生的學習興趣，提高學習效率。例如，在講授“糯米甜酒的釀制”時可向學生拋出問題“酒曲發酵的原理是什么”，引導學生去思考和分析，使學生能夠將所學習的知識應用到實際中，切實做到理論知識和實驗相結合。每次實驗結束后，教師針對實驗過程中出現的問題和現象，提出疑問讓學生課后去思考并將思考結果寫在實驗報告上，下次上課對這些問題進行提問和討論，做到課上實驗、課下拓展學習，改變了以往一離開實驗室即是實驗結束的教學方法[7]。這樣能進一步加深學生對實驗的認識和了解，有利于學生鞏固已學過的知識，掌握實驗技巧。

（二）改革教學組織形式，培養學生的自學能力

實驗教學的組織形式不能按照以教師為主體的傳統模式來進行，必須要留給學生一定的自由度和獨立的空間，有效啟發學生思考，充分發揮其主現能動性。過去開設發酵工程實驗，學生到上課時間來做實驗，而對實驗前期繁雜的準備工作并不清楚，這就影響了學生對實驗整體性、系統性的認識。后來我們采取自愿報名為主的形式，每個班原則上有四名學生在課余時間參與實驗老師的準備工作。讓學生了解實驗樣品的來龍去脈，增加學生的動手機會，加深學生對實驗整體性和連貫性的認識和了解。我們在教學過程中可著重從以下幾個方面做好工作。

其一，實驗開始前，強調整個實驗體系是連貫的，前一個實驗的結果是后一個實驗的材料，讓學生從思想上加以重視。督促學生在實驗操作過程中必須做到認真嚴謹，不得馬虎。

其二，上課形式靈活多變，介紹實驗原理部分時采取由教師講解和學生講解相結合的方式，穿插提問環節，調節課堂氣氛，另外促使學生主動預習，深刻領會每個實驗的原理和注意事項，實驗效果顯著提高。

其三，教師針對每個實驗補充實驗理論背景，加深學生對每個實驗的理解。如誘變育種的實驗，是在教師多次預實驗的前期基礎上，選擇一個合適的誘變時間和誘變范圍，因此需要結合實驗向學生講解誘變育種的原理、誘變劑種類及劑量選擇的理論依據。

其四，實驗過程中安全第一，杜絕安全隱患。教師做好監督工作，及時發現問題并提醒糾正。保證學生認真做好每次實驗，培養他們嚴謹認真的科研態度。由于實驗臺套數的限制，我們的實驗以兩人為一組，學生相互協作完成實驗[8]。

（三）開展開放式的實驗教學，培養學生的創新能力

實驗教學是在教師的引導下給學生以盡可能多的獨立操作機會乃至獨立設計實驗的機會。教師發揮其主導作用，點撥學生思維，啟發學生思考。考慮到學生個體的學習基礎和動手能力存在差異，以及實驗課程學時數有限，在規定的實驗教學時間內，要達到全面提高學生動手能力和創新能力的目的顯然是不現實的，因此，靈活多樣的開放式教學將是對現有實驗教學形式的有效的補充和延伸[7]。比如綜合設計實驗，可讓學生自行組成課題小組，根據指導教師提供的實驗課題或學生自己提出的科學小問題，運用所學理論知識與基本實驗技能，自主設計實驗內容、實驗思路，充分發揮學生在實驗中的主體地位，提高學生的組織能力和自主設計實驗能力[9]，從而培養學生良好的科學素養和較強的專業實踐技能。

與此同時，教師還要重視對學有余力、動手能力強、善于思考的學生進行適當的引導，鼓勵他們去開展一些探究性、創新性的課題，與科研相結合，引入科研的思路和方法，并將其與學校開展的“大學生創新項目”、“本科生科研訓練計劃（SRTP）”、“個性化實驗”、畢業設計以及科技論文等結合起來，進一步提升其自身的專業實踐能力和科技創新素質，增強學生的科研意識和創新能力。

三、完善實驗考核評價體系

一方面，發酵工程實驗考核方式主要是學生提交實驗報告，教師依據報告的內容判定成績。在批改實驗報告時我們發現學生對實驗目的、原理及步驟的回答大都照搬實驗講義，對實驗結果、分析及思考題的回答存在同一班級很多學生雷同的現象。另一方面，受實驗設備和課時所限，實驗主要以小組為單位進行[10]。這導致部分學生在實驗過程中存在依賴心理，并沒有主動掌握實驗操作方法，達不到應有的實驗教學效果，不能全面反映學生真實的實驗情況。

針對這一情況，結合本實驗的特殊性，我們積極完善并細化實驗考核辦法，要求學生課前預習并對學生在實驗操作過程中的表現進行評價打分，改變了以往只通過實驗報告來判定學生實驗成績的做法，強調確保實際操作質量及能力培養的重要性。改革完善后的考核體系中實驗總成績由對預習報告、出勤率、實驗操作及最終實驗報告共四個部分的評價組成，評價結果占總評成績的百分比分別是10%、10%、20%、60%。最終實驗報告的評價側重點在實驗思考和討論題部分，弱化對實驗原理和實驗操作的打分。通過這種考核評價方式，不僅加強了學生的實際操作能力，而且有利于培養學生勤奮、嚴謹的治學態度[11]，保證了實驗教學環節的科學性與有效性。

四、結語

通過實施發酵工程實驗教學改革，學生在獲取知識和動手操作能力、培養團隊協作精神方面取得了很好的效果。實驗課教師要積極主動跟上科學發展的步伐，注重理論和實驗相結合，不斷探索和完善實驗教學方法，提高實驗教學質量，充分發揮實驗教學在生物工程專業人才培養中的作用。實驗教學改革過程中也面臨著一些問題，如實驗室硬性條件不足，部分學生態度不認真，對實驗數據處理與分析能力較差，少數學生甚至沒能成功完成實驗等等，這些都需要在師生的共同努力下，通過改革促發展，以達到培養綜合型人才的最終目的。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：龐丹丹]