以大學生創新能力培養為導向的“發酵工程”課程教學改革

摘 要 創新能力是當代大學生勝任國家發展和民族復興重任的重要素質，高校應高度重視大學生創新能力的培養。“發酵工程”是面向生物工程專業本科生開設的綜合性專業課程，其教學效果將直接影響學生的綜合素質。基于此，將教學過程與大學生創新訓練融合，依據課程知識體系和特征設計相應的教學方法，探索增強學生學習主動性和專業自信、提升學生專業素質和創新能力的“發酵工程”課程教學改革措施，以期為培養具有強基礎、厚實踐素質的創新人才提供參考。

關鍵詞 發酵工程；創新素質；教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.25.036

Teaching Reform of "Fermentation Engineering" Course Based on

College Students' Innovation Training Guidance

CUI Peiwu， TAN Zhaoyang， LIU Xiangqian

（College of Pharmacy， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha， Hunan 410208）

Abstract Innovation ability is an important quality for contemporary college students to shoulder the responsibility of national development and national rejuvenation， and universities should attach great importance to the cultivation of college students' innovation ability. Fermentation Engineering "is a comprehensive professional course designed for undergraduate students majoring in biotechnology， and its teaching effectiveness will directly affect students' overall quality. Based on this， the teaching process will be integrated with innovation training for college students， and corresponding teaching methods will be designed according to the course knowledge system and characteristics. The "Fermentation Engineering" course teaching reform measures will be explored to enhance students' learning initiative and professional confidence， improve their professional quality and innovation ability， in order to provide reference for cultivating innovative talents with strong foundation and practical qualities.

Keywords fermentation engineering; innovation quality; teaching reform

面對新形勢下的機遇與挑戰，創新型人才培養的重要性和迫切性更加突出，因此，肩負人才培養重任的高校應更加重視創新型人才培養。我國早在2007年便啟動了大學生研究性學習和創新性實驗計劃，并將其作為國家實施“高等教育質量工程”的重要內容和教育部推動創新型人才培養工作的重要改革措施[1]。啟動大學生創新創業訓練項目的主要目的在于加強大學生實踐能力與創新精神的培養，促進學生創新思維和創新素質的提升[2-3]。創新訓練的前提在于掌握扎實的專業知識，進而實現運用專業理論和實踐技能的升華。生物工程技術已廣泛滲透到醫藥、食品、環保、能源、化工、材料等多個學科領域，并逐步成為推動發展綠色經濟的重要動力，因此，生物工程專業人才的培養將對于社會和諧發展和國家綜合競爭力提升發揮重要作用。“發酵工程”是生物工程專業的特色專業課程，課程以運用生物學和工程學技術充分挖掘和利用生物細胞代謝潛力實現目標產物高效、綠色合成的相關知識為特色，為升華學生生物工程專業思想、提升學生專業技能的關鍵課程[4-5]，因此，本課程教學過程中學生創新素質的訓練對于學生專業技能和綜合素質的提升非常重要。

1 “發酵工程”課程的性質及教學要求

“發酵工程”是面向生物工程等相關專業本科生開設的必修專業課，也是一門實踐特征很強的應用型課程。本課程是傳授生物工程技術由實驗室水平放大至生產規模所需相關知識和技能的核心課程，以發酵工藝流程為主線，要求學生系統掌握發酵工業菌種的選育、培養與保藏和好氧、厭氧發酵工藝的設計、調控與管理等相關知識和實踐技能，同時具備從分子、細胞、個體、群體角度去分析發酵原理及機制的相關技能，并能跟蹤生物工程行業前沿動態、主動發現科學問題并思考和設計解決方案，最終實現學生專業知識、實踐素質、職業素養、創新能力的協同培養。基于上述課程性質和教學要求，在教學環節務必時刻重視學生工程素質和思維的訓練，通過教學過程的科學設計實現學生專業興趣的提升和專業思維的發散訓練，進而實現教學效果的提升，尤其要注重抽象知識的形象化以及知識載體的設計[6-8]。

2 基于大學生創新訓練引導的“發酵工程”課程教學改革策略

2.1 課程改革思路、教學設計及教學效果評價方法

“發酵工程”課程的主要特征在于課程知識的基礎性、系統性、實踐性和創新性，故本課程的教學改革思路以提升學生的專業素質和創新能力為目標，教學設計著重思考將相關素質訓練的目標融入課程教學過程。大學生創新訓練是升華學生所學專業知識、強化創新能力訓練的重要途徑，也是本課程教學效果的重要體現，故應在課程教學過程中主動思考、融入大學生創新訓練意識，實現創新訓練助推學習效果提升，專業素質與創新能力同步培養的效果。

本課程教學過程采用知識背景導入、教學內容設計、學習要求和效果反饋的四環節設計模式，以實現理論與實踐融入、技術與工程結合的科教融合式教學。知識背景導入旨在引導學生了解、熟悉本課程相關知識在實際生產過程中的應用價值，進而實現對課程知識的立體化認識和理解，培養主動關注、發現專業問題并思考解決方案的學習習慣。“發酵工程”課程知識源于青霉素的規模化生產，現已擴展到各種生物制品、天然藥物、生物醫學材料等各種大分子、小分子及細胞產品的合成和制備領域，通過對此類產品生產工藝的介紹可引導學生快速理解學習本課程的目的、要求和課程內容，同時提升學生的學習興趣和動力。教學內容設計體現在對知識背景導入環節相關產品生產工藝流程的總結、梳理和分析，進而呈現各章節知識之間的聯系，幫助學生實現對本課程知識內容“菌→培養→放大→過程調控→過程管理→下游工藝”知識主線的深刻認識，對課程學習的意義及課程知識內容設計等方面理解也進一步加強。學生了解課程知識內容后，要進一步明確對相關知識的學習要求，同時教師在教學環節應引導學生主動聯系課程知識相關的行業難題，啟發學生主動思考、發現自己的興趣和特長，量身定制學習方法，同時在實施過程中及時與任課教師、同學溝通交流，實現學習效果和效率的協同提升。

本課程教學目標重在實現學生專業知識、實踐素質、創新能力的協同訓練和提升，故針對課程的考核評價方法也應在上述各方面有所體現，基于此，本課程的教學效果評價結合了課程考試成績（50%）、與課程知識相關的創新實驗設計、項目實施、訓練成果及創新思維評價（30%）、個人職業發展規劃的再設計（10%）、對本課程的認識與反思（10%）等內容，這樣可實現學生學習參與度、主動性的顯著提升，學生會主動、理性思考自己的職業發展規劃，并對課程學習過程中仍未解決的問題提出新的見解。

2.2 本課程教學過程中大學生創新訓練的融入策略

結合本教學設計和課程知識鏈條，可將“發酵工程”課程教學目標細化為學習、掌握具有工業應用價值的微生物菌種挖掘及選育，微生物培養及發酵方案的設計、實施方法及調控，發酵工藝過程的控制、放大和產品的下游處理工藝設計相關的原理、知識及實踐技能和創新素質。教師基于此教學目標，引導學生在了解課程相關知識背景和發酵工程技術在生物醫藥領域應用背景的基礎上聯系行業發展難題主動思考，啟發科研選題思維，進而實現課程知識在學生創新訓練選題方面的內化。如以抗菌藥研發為例，可由Alexander Fleming發現青霉素的科研故事導入，引導學生發現微生物次級代謝產物對于抗菌藥研發的重要性，進而啟發學生圍繞高活性抗菌化合物生產菌株的分離和選育、目標菌株合成抗菌化合物的培養基優化及發酵工藝設計、發酵過程調控及放大、目標產物的分離提取工藝設計為思路進行創新訓練課題的設計，尤其在面對突發流行性疾病、超級細菌等新威脅的挑戰時要有敢于勇擔重任、以過硬的專業知識和創新素質戰勝各種困難的決心和毅力。經過多個知識章節的訓練，學生很容易實現對課程知識鏈條的系統化理解，同時相關內容對于實現課程目標的重要性也深入腦海。此外，大學生創新訓練也可為教學內容設計提供更豐富的素材，賦予課程知識點新的活力和載體。如在培養基設計相關內容的教學過程中，教師可充分對比微生物發酵產生氨基酸和微生物發酵合成茯苓三萜兩種發酵工藝過程中目標產物合成途徑的差異，以及對營養需求的異同，使學生深刻理解培養基設計思路，同時引導學生聯系生物化學課程的“氨基酸代謝”和“次級代謝”相關章節知識，達到了專業思維發散同步訓練的效果。基于上述課程教學設計，本團隊執教的“發酵工程”課程逐步成為生物工程專業學生學習熱度快速上升的課程，也成為學生在就業、升學等環節關注熱度最高的學科領域。筆者認為與學生成長關聯度最高的教學設計重在寓學于樂、學以致用、教學相長和情懷育人，故課程背景知識的導入和大學生創新訓練與課程教學內容的密切結合非常必要。

3 “發酵工程”課程衍生的大學生創新訓練設計及育人效果分析

3.1 “發酵工程”課程衍生的大學生創新訓練設計

“發酵工程”課程的實踐性、應用性特征非常適合進行大學生訓練設計，結合大學生創新訓練又可加深學生對該課程知識鏈條的理解，故將本課程教學過程與大學生創新設計訓練有機結合，可望成為強化學生專業素質提升和創新能力培養的新嘗試。培養基設計和發酵調控是“發酵工程”課程知識鏈條中的重要內容，為由出發菌株合成目標產物的必要環節，如單獨從微生物的營養需求、培養基中營養成分的合理組合、發酵過程對發酵參數的調控等角度介紹相關知識，很容易讓學生感到枯燥，也難以理解本部分知識的重要性。基于此，本團隊在教學過程中結合藥用真菌茯苓活性物質茯苓三萜的合成途徑及規律分析等知識載體，引導學生分析采用發酵工程技術合成藥用真菌活性物質的必要性及難點，繼而進行大學生創新項目的實驗設計，并進一步通過專業文獻的梳理、解決專業問題所需的思維發散訓練等實現了學生學習興趣和效率的同步提升，且同步實現了學生對生物工程專業所學課程的有機整合，尤其在有關微生物菌株分離、選育、培養、生化代謝調控、目標基因挖掘及重組表達等方面形成了較完整的知識體系。

3.2 以大學生創新訓練引導的“發酵工程”課程教學效果分析

“發酵工程”課程的實踐性、應用性特征決定了其教學效果將直接影響學生的專業素質和創新能力訓練，因此本課程的教學效果評價必須兼顧到學生的課程成績、專業素質與創新思維、對本課程知識及其專業技能的延伸與分散等方面。從兩輪教學實施效果反饋可知，融入大學生創新訓練元素的“發酵工程”課程教學可顯著增強學生對生物工程、生物醫藥等專業的認同，學習積極性顯著提升，且在不同年級的學生中發揮了較好的傳幫帶效應。依托本課程知識筆者成功指導4個小組獲湖南省大學生創新訓練項目立項，2個小組獲校大學生創新訓練項目立項，指導本科生在讀期間發表論文3篇、申請專利1項、獲省級“挑戰杯”獎勵2項，學生的專業素質和科研潛質得到了很好的鍛煉，學生對于工科課程內容枯燥、難以理解、學習壓力大的印象得到大幅扭轉。

4 教學改革反思

大學生創新訓練是培養學生專業思維和創新素質的良好載體，與專業課程教學過程有機融合、相輔相成。在具體實施過程中，要充分挖掘課程知識背景和應用實例，引導學生主動參與、主動思考、主動探索來完成創新訓練。本教學改革緊扣生物醫藥產業需求，引導學生圍繞微生物源藥物發現及生物制造工藝需求進行大學生創新訓練設計，進而賦予“發酵工程”課程知識豐富的立體化、形象化元素，激發學生的學習熱情，進而達到高效學習、主動學習的效果，為生物醫藥相關工科課程的教學改革探索提供了參考。

*通信作者：劉向前

基金項目：湖南省教育廳教改項目（湘教通[2023]352號- HNJG-20230531）；湖南中醫藥大學教改項目（2020-JG23）；湖南中醫藥大學本科教學質量工程建設項目（校行教字[2023]4號）；湖南中醫藥大學學位與研究生教育課題（校行研字[2024]3號）。

參考文獻

[1] 陳樹蓮，趙勤勇，賈歷程，等.地方高校國家大學生創新性實驗計劃的建設與研究[J].實驗技術與管理，2010，27（3）：145-148.

[2] 陳新.大學生創新訓練項目的實踐與思考[J].實驗技術與管理，2017，34（6）：29-31.

[3] 湯昕，周輝.在文化自信中提升大學生的創新思維能力[J].創新與創業教育，2020，11（1）：62-65.

[4] 崔培梧，徐德宏，譚朝陽，等.以工程素質培養為導向的《發酵工程》課程教學改革與實踐[J].廣東化工，2017，44（11）：295-296.

[5] 楊翠鳳，騰崢，方利娟，等.基于OBE理念的“發酵工程實驗”教學改革探索與實踐[J].農產品加工，2020（8）：96-97，100.

[6] 李波，張曉雪，付學鵬，等.生物類專業實踐教學改革與大學生創新能力培養[J].實驗技術與管理，2019，36（8）：216-217，229.

[7] 陳婉，付威威.大學生創新創業實踐平臺教學改革[J].科技資訊，2021（4）：142-144.

[8] 童程霞，屈學儉，閆瑾，等.大學生化學競賽對實驗教學改革與創新人才培養的促進作用[J].化學教育（中英文），2022，43（14）：134-138.