發(fā)酵工程實驗課教學體系及內(nèi)容的改革與探索

張 強，稽 冶

（長春理工大學生命科學技術(shù)學院，吉林長春 130022）

作為生物工程專業(yè)領(lǐng)域中重要的核心課程，發(fā)酵工程是現(xiàn)代生物工程和生物技術(shù)的重要組成部分，是實現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)的必要手段，因此發(fā)酵工程實驗在發(fā)酵工程教學中占有極其重要的地位[1]。近年來隨著工程教育專業(yè)認證理念的不斷深入，對工科專業(yè)的實驗教學提出了新要求，要求實驗教學重視培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)和工程實踐能力。然而我們在實踐教學中發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵工程實驗課內(nèi)容和方法已不能適應新形勢下對人才培養(yǎng)的需要。實驗課程不系統(tǒng)、不連貫，內(nèi)容孤立、并多為驗證性實驗,學生在實驗教學中較為被動，沒有發(fā)揮應有的主體作用。根據(jù)工程教育專業(yè)認證的要求，為了在發(fā)酵工程實驗教學中培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，訓練學生科學的思維方法，學院對發(fā)酵工程實驗課教學體系及內(nèi)容進行改革，即強化學生基礎性實驗技能，提高學生綜合性實驗技能，培養(yǎng)學生創(chuàng)新性設計實驗技能。

1 發(fā)酵工程實驗課存在的問題

發(fā)酵工程實驗課程通常安排在生物工程專業(yè)大三下學期，教學過程主要以教師為主，學生為輔。首先教師課前準備實驗及相關(guān)藥品器械，然后以“教師講、學生聽、學生做”為主。實驗課堂上教師會逐一講解實驗目的原理、實驗內(nèi)容、實驗操作步驟以及實驗注意事項等，甚至會給出具體相關(guān)試劑的配制方法，比如所需緩沖液及培養(yǎng)基配比等，學生則是參照老師給定的實驗步驟完成實驗。這種程序化的實驗教學方法缺少了師生互動，造成學生缺乏學習主動性和創(chuàng)新性，實驗熱情和積極性不高。大部分學生按照實驗步驟機械性地完成實驗，而不思考實驗現(xiàn)象背后的原因，甚至對實驗原理等也含糊不清，往往造成實驗過后稀里糊涂，對實驗中出現(xiàn)的問題只知其一，不知其二。這種單一機械的實驗教學方式限制了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的能力，影響了學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的發(fā)揮[2]。另外，在發(fā)酵工程實驗課程開設之前，學生已經(jīng)修完微生物學實驗和生物化學實驗等專業(yè)實驗課程，受到了比較系統(tǒng)的實驗操作技能訓練。但由于受到實驗設備、實驗條件以及實驗課時等多種因素的影響，使得有些學生無法親自進行實驗操作或懶于動手，造成了部分學生實驗基本操作以及儀器設備使用不規(guī)范的現(xiàn)象。針對上述出現(xiàn)的各種實際問題，我們重點對發(fā)酵工程實驗課教學體系及內(nèi)容進行了改革，即強化學生基礎性實驗技能，提高學生綜合性實驗技能，培養(yǎng)學生創(chuàng)新性設計實驗技能，通過這些改革，旨在提高學生整體應用及創(chuàng)新能力。

2 實驗教學體系及內(nèi)容的改革

2.1 強化學生基礎性實驗技能

發(fā)酵工程是一門實踐性和應用性很強的課程,是在學生學完微生物學、微生物學實驗、發(fā)酵工程等課程后開設的實驗課[3-4]。強化基礎性實驗技能的目標主要是使學生掌握常規(guī)發(fā)酵實驗儀器使用以及基本實驗操作技能。發(fā)酵工程實驗室常見的儀器設備包括滅菌鍋、超凈臺、離心機、培養(yǎng)箱、搖床、發(fā)酵罐等。通過實驗課上老師講解及演示，學生們的親手操作，使學生們了解熟悉常規(guī)儀器的原理及操作步驟。目前發(fā)酵工業(yè)中使用最多的就是發(fā)酵罐,因此正確使用發(fā)酵罐是進行發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)及研究的基本技能。在實驗教學中,我們通過現(xiàn)場講解實驗室的5 L 小型發(fā)酵罐,使學生熟悉發(fā)酵罐的基本構(gòu)造和操作方法，并通過“酵母菌玉米酒精發(fā)酵”實驗，使學生熟悉和掌握實驗室小型發(fā)酵罐的基本操作流程，了解發(fā)酵罐滅菌、接種以及取樣等基本操作流程，并通過對pH 值、溶氧以及溫度的控制，了解發(fā)酵罐工藝參數(shù)的調(diào)控過程。通過基本實驗儀器的培訓，使學生熟悉儀器設備的工作原理和規(guī)范操作是非常必要的，不僅可以有效降低儀器設備的損壞率，而且有利于提高學生科研能力及科研效率。

發(fā)酵工程主要是利用微生物生長代謝活動生產(chǎn)各種產(chǎn)品,因此篩選發(fā)酵微生物以及優(yōu)化菌體培養(yǎng)條件也是發(fā)酵工程研究的一項基本技能。菌體培養(yǎng)條件主要包括培養(yǎng)基的組成、溫度、pH 值等。在實驗教學中我們通過“糖化酶生產(chǎn)菌的篩選”實驗，使學生們掌握從自然界中篩選所需發(fā)酵微生物基本方法，同時能用合理的正交設計或響應面設計等方法進行菌體培養(yǎng)條件的優(yōu)化。另外還鞏固了發(fā)酵工程相關(guān)的基本操作，如酒精棉球的制作、培養(yǎng)皿的包扎、培養(yǎng)基配制、滅菌、菌種活化、保藏及接種等，把這些基本操作技能有序地貫穿于發(fā)酵工程實驗課中。進一步強化和規(guī)范實驗儀器使用以及基本實驗操作是學生能順利完成后續(xù)2 項實驗技能的前提和保障。

2.2 提高學生綜合性實驗技能

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程或相關(guān)課程綜合知識的實驗，目的是使學生能夠靈活運用所學基本理論和專業(yè)知識，結(jié)合基本實驗技能進行簡單的設計和操作，并能綜合運用各方面的知識來實現(xiàn)自己的設計[5-6]。綜合性實驗連貫性比較強，環(huán)環(huán)相扣，因此對學生要求也比較高，要求學生能夠綜合利用所學相關(guān)專業(yè)知識和實驗技能去完成一系列的綜合性實驗。

為滿足學生對不同知識的掌握，并根據(jù)目前生物工程行業(yè)發(fā)展的趨勢和特點，我們列出了3 個綜合性實驗：（1）黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)糖化酶及其活力測定，主要實驗內(nèi)容包括黑曲霉菌種活化、擴大培養(yǎng)、發(fā)酵培養(yǎng)基制備、滅菌，發(fā)酵過程工藝調(diào)控、糖化酶提取及酶活力測定等；（2）玉米酒精發(fā)酵實驗，主要實驗內(nèi)容包括活性干酵母菌種活化、玉米原料液化糖化預處理，發(fā)酵工藝調(diào)控、酒精蒸餾及酒精濃度測定等。以上兩個實驗,前者是好氧發(fā)酵，后者是厭氧發(fā)酵。通過這兩個實驗，使學生對好氧及厭氧發(fā)酵操作有了直觀全面的認識，并且掌握了在實驗室條件下從培養(yǎng)基配制到發(fā)酵調(diào)控以及產(chǎn)物提純的整個過程；（3）面包發(fā)酵，主要實驗內(nèi)容包括面包酵母菌種活化、面團發(fā)酵、烤制，面包感官、口感評定等。本實驗增加了學生的興趣，學會了傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品的制作，對于酸奶、蛋糕等其他發(fā)酵食品也有很好的借鑒作用，希望未來能夠?qū)鹘y(tǒng)工藝進行改造,增加傳統(tǒng)發(fā)酵食品的魅力。

通過上述綜合性實驗的操作鍛煉，使學生鞏固了發(fā)酵工程一般常規(guī)實驗操作技術(shù)，如發(fā)酵原料預處理、培養(yǎng)基配制、高壓滅菌操作、菌種分離純化、顯微鏡使用、發(fā)酵過程中的參數(shù)檢測及工藝控制等實驗技能。通過以上3 個綜合實驗操作,將整個發(fā)酵工程的知識系列化，學生對整個發(fā)酵工程課程的知識及實驗技能有了更全面的認識和掌握，進而鍛煉了學生綜合運用知識的能力，提高了學生綜合性實驗水平。

2.3 培養(yǎng)學生創(chuàng)新性設計實驗技能

傳統(tǒng)的實驗教學大多是學生按照老師講解，按照實驗講義做實驗,學生很少去認真理解實驗原理以及實驗方法。在學生們掌握了以上兩項實驗技能的基礎上，我們開設了設計性實驗。設計性實驗教學開設后，學生們不再是機械地做實驗，在動手之前,必須先動腦，這大大提高了學生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新能力[7-8]。

設計性實驗包括“選定研究方向—查閱相關(guān)文獻資料—制定實驗方案—實驗數(shù)據(jù)分析處理—實驗總結(jié)報告”五個步驟，也就是要求學生根據(jù)已定方向進行文獻查閱、擬定實驗方案、選擇所需試劑及儀器設備、完成實驗并寫出實驗報告,最后再由老師進行評論總結(jié)。在設計實驗教學中,結(jié)合我們專業(yè)特點及特色，我們開設了“產(chǎn)α-淀粉酶菌株的篩選”實驗。首先，讓學生查閱相關(guān)文獻，了解α-淀粉酶的相關(guān)知識及研究現(xiàn)狀；其次，選擇合適的菌株初篩和復篩方法，制定詳細的實驗方案；然后進行方案具體實施。通常菌株篩選是從土壤中進行，如何從自然界土壤中分離產(chǎn)α-淀粉酶微生物，學生通過自主設計菌種分離篩選實驗，在查找相關(guān)資料的基礎上，進行完整的實驗操作，最終培育篩選獲得在發(fā)酵中可以利用的產(chǎn)α-淀粉酶純菌種。然后對所分離的α-淀粉酶菌種進行選育、保藏以及復壯處理等。在此基礎上，還可進行產(chǎn)α-淀粉酶菌株培養(yǎng)條件的研究、α-淀粉酶提取工藝的研究以及α-淀粉酶活力測定等后續(xù)設計性實驗項目。在整個設計實驗過程中，學生不再像以往被動地按照老師給出的固定實驗步驟進行實驗，而是主動查閱資料，提出問題，并主動地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。從實驗材料準備、培養(yǎng)基配制、菌種的篩選、檢測等全部由學生自主設計完成。實驗過程中，如果出現(xiàn)問題,首先大家互相討論，通過查找文獻資料，尋找解決辦法。如果解決不了，老師再耐心的給予提示或解答。

通過上述的設計實驗，充分發(fā)揮了學生的主動性與創(chuàng)造性。學生在查閱資料、設計實驗方案的過程中，也進一步加深了對專業(yè)知識的理解，并通過實際操作訓練，培養(yǎng)了學生設計性實驗技能，開發(fā)了學生的創(chuàng)造性思維，提高了學生綜合實驗素質(zhì)。同時實驗過程中，同學們互相配合，互相幫助,共同探討，樹立了學生間良好的協(xié)作精神和團隊意識。

3 發(fā)酵工程實驗課改革實踐效果及建議

為了檢查和評估發(fā)酵工程實驗課改革實施效果，對我院2017 級生物工程專業(yè)部分學生進行了調(diào)研。從調(diào)研結(jié)果來看,學生們對發(fā)酵工程實驗課教學體系和內(nèi)容改革是認可的和滿意的，正如1 名同學在實驗報告中所寫：“通過本次發(fā)酵工程基礎實驗、綜合性實驗以及設計實驗的培訓，我不僅掌握了發(fā)酵工程實驗課程所要求的內(nèi)容,更學會了如何進行科學研究和探索。雖然實驗過程中遇到了很多困難，但通過大家共同努力，最終解決了問題，完成了實驗，這次實驗我們收獲滿滿。”

當然,從調(diào)查中我們也收到了學生們提出的建議，經(jīng)過我們歸納總結(jié)，主要體現(xiàn)在以下3 點。第一，實驗課時應適當延長。我們發(fā)酵工程實驗課為32 學時，尤其設計性實驗是一個耗時長、連貫性較強的實驗,需要學生有比較充裕的時間進行資料查詢及實驗設計，因此除了正常的實驗教學時間外,學生只能利用課余時間來完成，一定程度上也影響了實驗的正常進度，所以大多數(shù)學生明顯感到實驗時間不夠。第二，應增加相應的發(fā)酵實驗設備儀器。由于實驗人數(shù)較多，相應的實驗設備明顯不夠用，比如滅菌鍋、超凈臺等。第三，老師應加強對設計實驗的講評。部分學生對所獲得的實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果進行分析時，明顯能力不足,尤其針對異常的實驗結(jié)果,部分學生只是機械地或籠統(tǒng)地進行分析,缺乏針對性，往往導致文不對題。針對以上這些問題，我們帶隊教師將認真研究和討論，在今后的發(fā)酵工程實驗教學中將逐步改進和提高。

4 結(jié)論

實驗課程教學是發(fā)酵工程課程教學工作中重要的環(huán)節(jié)，是理論知識運用到生產(chǎn)實踐的橋梁和紐帶。隨著工程教育專業(yè)認證不斷深入和對新型復合人才的需求,加強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將是發(fā)酵工程實驗教學的核心任務，實驗內(nèi)容向綜合型、設計型實驗發(fā)展勢在必行[9]。

發(fā)酵工程實驗課教學體系及內(nèi)容的改革得到了學生們的認可,避免了傳統(tǒng)實驗教學中學生“等”“靠”弊端，讓學生真正成為了實驗的主角。通過發(fā)酵工程實驗課程改革，學生們在主持及參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、生命之光項目以及各類相關(guān)生物競賽項目等方面，無論參與人數(shù),還是獲獎均較以往明顯提高。實驗過程中，雖然學生要投入較多的課余時間去準備實驗，付出辛苦,但學生卻毫無怨言,反而更加積極主動參與。學生普遍認為,發(fā)酵工程實驗培養(yǎng)了他們的科研興趣,提高了他們綜合運用知識的能力，對學生參與未來社會發(fā)展發(fā)揮了積極的促進作用。發(fā)酵工程實驗課教學體系及內(nèi)容的改革還只是開始，未來還有更多的路要走。