發(fā)酵與酶工程實驗教學模式的改革與實踐*

張少平，梁盛年

(1 肇慶學院食品與制藥工程學院，廣東 肇慶 526061；2 肇慶學院生命科學學院，廣東 肇慶 526061)

發(fā)酵與酶工程做為生物工程、生物技術和食品等專業(yè)的基礎必修課，是一門實踐性極強的專業(yè)課程，發(fā)酵與酶工程與生產實際聯(lián)系緊密。發(fā)酵與酶工程實驗選用科學的實驗內容，合理的實驗教學模式對于理論的學習非常重要，肇慶學院做為地方性本科院校，主要目的是培養(yǎng)應用性人才，服務地方經濟。發(fā)酵與酶工程實驗教學不僅要有助于增強理論課程的教學效果，突出實踐性與應用性強的特點，而且有利于提高學生的動手能力及解決生產實際問題的創(chuàng)新思維能力。而目前的現(xiàn)狀是傳統(tǒng)的發(fā)酵與酶工程實驗教材中的每個實驗都是相對獨立，實驗內容內容關聯(lián)度不高，相對孤立的實驗，彼此缺乏相關性，不利于培養(yǎng)學生綜合思維及養(yǎng)成獨立思考、解決問題的能力。而且由于實驗內容陳舊，實驗內容中驗證性實驗多，設計性，綜合性實驗少，無法充分調動學生的積極性，最終導致實驗效果較差，達不到預期的教學效果[1-2]。實驗型課程傳統(tǒng)的評價方式是依據(jù)考勤，實驗報告來確定實驗成績，但在教學實踐中經常發(fā)現(xiàn)實驗過程中動手能力較差，甚至應付實驗的同學通過抄襲實驗報告從而獲得好成績，這樣導致實驗成績缺乏區(qū)分度，導致優(yōu)秀學生與較差的學生成績相差不大，不利于調動學生的積極性。針對教學中出現(xiàn)的這種情況，我們改革實驗內容，通過綜合性實驗并結合設計性實驗在發(fā)酵與酶工程實驗課程教學上進行了探索和實踐，并針對綜合性設計性實驗的特點設計了相應的實驗考核機制。提高了學生的興趣，提高了學生的學習效果，以下我們就以淀粉酶實驗模塊為例來探討如何應用綜合性和設計性實驗進行發(fā)酵與酶工程課程實驗教學的改革與實踐。

1 綜合性及設計性實驗教學項目的設計

綜合性實驗是指實驗的內容涉及綜合利用發(fā)酵與酶課程的知識，或與其相關課程的知識，學生需利用多種實驗技術來完成實驗目的，是學生在掌握一定知識和技能基礎上進行綜合訓練的一種復合型實驗[3-4]。設計性實驗是指在給定實驗目的、實驗要求和實驗條件的情況下，由學生獨立設計出實驗方案、選擇實驗條件方法并加以實施，最后自主對實驗數(shù)據(jù)進行處理[4-5]。綜合、設計性實驗具有實驗內容綜合性、實驗方法和手段多元化的特征，可以培養(yǎng)學生的綜合分析能力，更好地滿足對創(chuàng)新型應用人才培養(yǎng)的要求。本研究嘗試在發(fā)酵與酶工程實驗教學中開設綜合、設計性實驗教學項目，探討其在實驗教學中的效果。

1.1 實驗設計思路

發(fā)酵與酶工程實驗是我院為促進發(fā)酵工程及酶工程兩大生物技術基礎課進行課程整合的一項教學改革，發(fā)酵與酶工程實驗教學的目的使學生掌握微生物發(fā)酵技術，酶制劑生產與制備技術，以及酶的改造及應用知識。同時培養(yǎng)學生的分析及解決問題的能力，進而培養(yǎng)應用型、創(chuàng)造性人才。與理論課程整合相對應的必須更改傳統(tǒng)的實驗項目，開展綜合性實驗，將發(fā)酵工程和酶工程實驗內容進行有機融合是我們進行實驗教學設計的主要考慮。在實踐操作中我們選擇了淀粉酶做為發(fā)酵及酶工程綜合性實驗的主題，淀粉酶是廣泛應用于食品，藥品，化工行業(yè)的一種常用酶制劑，在工業(yè)上應用極為廣泛，基于這種考慮，我們選定了以α-淀粉酶為主題的綜合性大實驗，設計了從淀粉酶高產菌株的篩選，復篩，發(fā)酵生產，純化以及利用淀粉酶生產葡萄糖等系列實驗，α-淀粉酶高產菌株的篩選，α-淀粉酶發(fā)酵生產，純化等實驗內容屬于微生物發(fā)酵的實驗項目，也是酶工程里酶的生產方面的內容。這樣學生既掌握了發(fā)酵中菌株篩選，發(fā)酵，純化等內容，發(fā)酵出的淀粉酶用來生產葡萄糖。又屬于酶的應用。這樣就實現(xiàn)了發(fā)酵工程與酶工程內容的有機融合，避免兩門課程中實驗項目重復的情況。

1.2 實驗項目設計及實施方案

淀粉酶是能夠催化水解淀粉分子內糖苷鍵的能力的一類酶的總稱，其中α-淀粉酶是一種重要的淀粉水解酶，廣泛應用于食品、釀造等多個工業(yè)領域。淀粉酶類是世界上銷量最大的酶類，商業(yè)上α-淀粉酶主要靠微生物發(fā)酵生產，其中使用最廣泛的發(fā)酵菌株是芽孢桿菌[6]，因此我們選擇淀粉酶為項目主題進行實驗設計。

1.2.1 設計性實驗部分

設計性實驗主題為高產α-淀粉酶菌株的篩選，包括初篩和復篩兩個實驗。實驗的目的是讓學生學習和掌握菌株選育的基本原理和篩選方法。土壤是微生物的大本營，從土壤中篩選各種高產菌株是發(fā)酵工程及微生物工程的必須掌握的基本實驗技能，因此，我們以設計性實驗主題為高產淀粉酶菌株的篩選為實驗主題，要求學生設計實驗項目并進行實驗操作。具體的教學實施過程如下：

(1)實驗前準備工作

教師通過展示高產淀粉酶菌株的初篩和復篩實驗流程及實驗設計要點表(表1)，從實驗目的，方法，過程等對這兩個設計性實驗進行基本的介紹并對實驗設計的關鍵點進行講解，說明這兩個實驗總的要求并對兩個實驗側重點進行比較，這樣有利于避免學生盲目查閱查閱文獻，并能夠提高實驗設計的準確性。

表1 高產淀粉酶菌株的初篩和復篩實驗流程及實驗設計要點表Table 1 Experimental flow and key points of experimental design for primary and secondary screening of high amylase producing strains

(2)實驗分組及組織實施

教師明確實驗內容和設計要點后，對學生進行實驗分組。學生可自由結合，每組選出一名組長，每個實驗小組成員圍繞高產淀粉酶菌株這個主題，進行實驗設計，查閱相關文獻，學生根據(jù)所學的知識、原理以及結合已具備的實驗技能，經討論后制定每組的實驗方案，由學委提前兩周統(tǒng)一提交給教師，實驗教師對實驗方案進行審閱，并在課堂上大家一起參與討論，評價實驗方案的合理性及可行性，在此基礎上提出修改建議，各實驗小組根據(jù)教師審閱意見及討論建議對實驗方案進行修改，經教師審閱通過后方可進入下一步實驗。實驗方案確定后，教師按照學生實驗設計準備藥品及實驗器材，不同小組按照各自的實驗設計在隨后的實驗課中進行實驗。在學生實施設計性實驗出現(xiàn)問題時，組員先進行組內討論，再去咨詢教師。在解決學生問題的時候，教師不急于說出答案，而是啟發(fā)學生思考，然后把教師的解決方案和學生自身討論出的方案作對比，找出兩者之間的差距。由于學生設計的實驗方案不同，篩選到的菌株也不同，比如由于選用不同的培養(yǎng)基，有些組篩選出的菌株以真菌為主，有些則是以細菌為主，不同的實驗設計得到不同的實驗結果，在實驗中遇到的問題也各不相同，這樣就避免了實驗結果千篇一律，實驗遇到的問題幾乎相同的現(xiàn)象，也有利于提高學生的參與意識和學習興趣，提高學生的創(chuàng)新能力。

1.2.3 綜合性實驗部分

綜合性實驗部分包括高產淀粉酶發(fā)酵生產(4學時)，淀粉酶的初步純化(4學時)酶法生產葡萄糖(2學時)三個實驗項目，三個實驗均在教師的指導下由小組成員協(xié)作完成。

(1)高產淀粉酶發(fā)酵生產實驗內容

種子培養(yǎng)基及發(fā)酵培養(yǎng)基的配制，斜面菌種的擴大培養(yǎng)，產淀粉酶菌株的發(fā)酵，生長曲線的測定，并繪制生長曲線與淀粉酶活性之間的關系，本實驗的目的是通過對篩選到的高產菌株，了解淀粉酶生產菌的生長規(guī)律和產淀粉酶的之間的關系。本實驗涵蓋了發(fā)酵工程里的培養(yǎng)基配置，種子擴大培養(yǎng)，搖瓶發(fā)酵，及微生物生長動力學及產物合成動力學的內容，由于以酶為發(fā)酵對象，也加深了學生對酶的合成及生產的相關內容的認識。通過本實驗一方面學生掌握微生物發(fā)酵的基本知識，同時也使學生加深酶合成模式的認識。

(2)淀粉酶的初步純化實驗內容

將發(fā)酵液用不同濃度的硫酸銨鹽析以找到最合適的硫酸銨濃度；沉淀透析脫鹽，酶活測定，發(fā)酵產物的純化是發(fā)酵工程的主要內容，而酶的純化也是酶工程的主要內容，嚴格說酶蛋白的純化屬于發(fā)酵產物純化中重要的一種，我們設計這個實驗目的使學生通過酶蛋白的純化了解發(fā)酵產物純化的基本過程，同時也使學生掌握像酶這種具有生物活性物質純化要注意的要點。

(3)雙酶法生產葡萄糖

利用酶法生產葡萄糖是目前通用的葡萄糖生產方法，該部分內容屬于酶的應用方面的實驗內容，在進行教學設計時，我們利用市售的α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶水解淀粉生產葡萄糖做為對照組，而學生初步純化的淀粉酶作為實驗組進行實驗，由于學生從土壤中篩選到菌株大多為產α-淀粉酶的菌株，教師應提醒學生α-淀粉酶處理淀粉后，再加入市售的葡萄糖淀粉酶繼續(xù)進行酶解，該實驗設計要求學生利用自己篩選的菌株生產出的淀粉酶水解淀粉生成葡萄糖，這樣既提高了學生的興趣，也促進了學生動手能力的提高。實驗完成后教師闡明大多數(shù)學生自制淀粉酶為何與市售淀粉酶分解淀粉效果有一定差距。提示學生商業(yè)用的菌株是在自然界篩選到的菌株的基礎上進行多次改造而產生的，從而與理論課中菌種的誘變等內容結合。加深了學生對菌種選育的理論知識的認識。

2 實驗考核

良好的考核機制能夠合理反映學生的實驗設計能力，實驗操作技能，實驗學習的態(tài)度，能夠激勵實驗態(tài)度認真的，實驗技能良好的學生，從而給教學效果以正反饋效應，然而傳傳統(tǒng)的實驗考核是以實驗報告論成績，這種考核方式存在非常大的片面性，不能真實有效的反映學生的實驗能力及實驗態(tài)度，經常可能出現(xiàn)部分學生基本技能掌握不好，操作不認真，但抄襲他人實驗報告出現(xiàn)高分，這種考核方式沒有區(qū)分度，容易挫傷學生的積極性，因此我們重新改革了實驗考核標準，具體如下：對于《發(fā)酵與酶工程實驗》一般的驗證性實驗項目按預習占20%、實驗操作占60%，實驗報告占20%進行成績評定。而設計性實驗項目主要考察重點考察學生綜合設計能力：按實驗方案40%、實驗操作占40%，實驗報告占20%進行成績評定。綜合性實驗是三個連續(xù)的實驗項目，前一個實驗的效果影響到下一個實驗結果，綜合性實驗考核如果只是把三個實驗單獨考核的結果簡單的相加往往會失去綜合性實驗的意義，而如果是把三個實驗當作一個整體去給一個考核成績的話，會導致在三個實驗項目中有一個實驗項目完成不好就會使最終成績很低，這也不利于提高學生的積極性。因此我們對于這三個實驗的考核則采用“總體考核+單獨考核”相結合的模式，總體考核按照高產淀粉酶菌株發(fā)酵，純化，應用三個連貫實驗整體實驗的結果來考核，該部分占實驗成績的40%，考核的具體要求包括：實驗報告中學生須對三個實驗每個項目實驗的數(shù)據(jù)進行處理，查找實驗存在的問題及改進的關鍵點及提出改進的措施。單獨考核則是按照綜合實驗中三個實驗項目各占20%計入考核成績。這也既可以避免學生因為三個實驗項目中有一個失誤而導致實驗成績極低從而喪失信心，又可以給予三個實驗項目都完成較好，實驗技能較高的學生以較高的成績從而提高其積極性。通過對三種不同類型的實驗進行了改革，新的課程考核方法有效調動學生參與實驗的積極性，使一人做實驗，其他人圍觀的現(xiàn)象大大減少，學生參與熱情得到激發(fā)，學生實驗操作技能及實踐應用能力得到提高。

3 教學應用效果評價

為檢驗綜合性及設計性實驗的教學效果，我們設計了“生物技術專業(yè)發(fā)酵與酶工程實驗問卷調查評價表”，連續(xù)兩年分別在學生中進行調查，在各小組完成自己本綜合實驗項目及設計性實驗后，請學生進行填寫調查問卷，調查學生對本實驗項目的接受程度，92%學生對此類綜合性實驗加設計性實驗表示認同，認為這種實驗模式更能夠調動實驗學習的積極性，激發(fā)學習興趣，提高自身的解決問題的能力，對培養(yǎng)良好的習慣和提高創(chuàng)新思維有幫助，90%同學認為新的實驗考核模式能解決實驗報告抄襲，實驗成績與實驗操作及實驗技能不符的現(xiàn)象。通過對學生進行的跟蹤調查發(fā)現(xiàn)，利用綜合性、設計性實驗的模式進行教學，學生加深對理論課程的理解，實驗操作技能得到提高，學生獨立解決問題的能力有所提高，在積極性和主動性、解決問題、綜合分析問題和創(chuàng)新思維方面普遍較未參加項目型實驗的班級有所提升。

4 結 語

通過在發(fā)酵與酶工程實驗教學中引入綜合性設計性實驗，同時改變單靠課程成績評定成績的課程考核方法，實現(xiàn)了發(fā)酵工程與酶工程實驗的有機融合，綜合設計性實驗教學項目的開設，充分調動了學生學習積極性和主動性。不僅能加強學生的實際操作能力，引導學生利用已有的理論知識去主動分析和解決問題，同時使學生更直觀深入地理解發(fā)酵與酶工程的理論。通過課程的改革與實踐，發(fā)現(xiàn)新的教學模式有利于學生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，從而滿足普通本科院校培養(yǎng)應用型人才的要求。