發(fā)酵工程本科實驗教學(xué)改革與實踐初探

江南屏 任瑤瑤 廖海

[摘 要]發(fā)酵工程實驗內(nèi)容豐富、涉及面廣、操作性強，在生物工程專業(yè)教學(xué)中舉足輕重。該研究結(jié)合西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院的實際情況，從優(yōu)化實驗內(nèi)容、教學(xué)手段及考核方式這三個方面有針對性地對發(fā)酵工程實驗進(jìn)行改革探索，實驗內(nèi)容更加系統(tǒng)化，從培養(yǎng)基的配制滅菌、菌種的篩選分離、紫外誘變育種、搖瓶發(fā)酵生產(chǎn)直到產(chǎn)物提取和鑒定的一系列過程，環(huán)環(huán)相扣。重視提高學(xué)生在整個實驗過程的參與性、主動性，把實驗教學(xué)從傳統(tǒng)的單向傳授變?yōu)殡p向互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)，對學(xué)生在實驗操作過程中的表現(xiàn)進(jìn)行評價打分。

[關(guān)鍵詞]發(fā)酵工程實驗；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

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

作為生物工程專業(yè)領(lǐng)域中非常重要的核心課程，發(fā)酵工程具有很強的應(yīng)用性和實踐性，發(fā)酵工程實驗是理論課不可或缺的組成部分，其實驗教學(xué)對生物技術(shù)和生物工程專業(yè)人才培養(yǎng)至關(guān)重要，是培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生實驗操作技能和應(yīng)用技術(shù)的重要手段，是現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是其他生物技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵和必經(jīng)之路。發(fā)酵工程實驗內(nèi)容豐富、涉及面廣、操作性強，在生物工程專業(yè)教學(xué)中舉足輕重[1]。如何在有限的課時內(nèi)使學(xué)生掌握發(fā)酵工程最基本的內(nèi)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(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)，是教師需要認(rèn)真思考的問題。

本學(xué)院發(fā)酵工程實驗現(xiàn)行的教學(xué)模式是教師為主、學(xué)生為輔，教師課前準(zhǔn)備實驗、課上講解，而學(xué)生被動聽、參照實驗指導(dǎo)按部就班地操作。這種程序化的教學(xué)方法，造成了學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動性，部分學(xué)生只是被動完成實驗步驟而不思考實驗現(xiàn)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(xué)模式限制了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。另外，實驗教學(xué)內(nèi)容類型單一，大部分以驗證性實驗為主，綜合性不強，缺少創(chuàng)新型實驗，沒有體現(xiàn)專業(yè)特色，不能將理論知識應(yīng)用于實踐操作中[2]，實驗成績考核標(biāo)準(zhǔn)不明確，致使學(xué)生對實驗課不夠重視。針對上述多方面問題，在完善現(xiàn)有實驗教學(xué)體系內(nèi)容的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，我們對發(fā)酵工程實驗教學(xué)進(jìn)行了以下改革探索，提高教學(xué)質(zhì)量。

一、改革實驗內(nèi)容，提高實驗效果

根據(jù)本學(xué)院生物工程專業(yè)本科教學(xué)培養(yǎng)計劃，發(fā)酵工程實驗安排在大三下學(xué)期進(jìn)行。此時的學(xué)生已修完微生物學(xué)實驗、生物化學(xué)實驗和細(xì)胞生物學(xué)等基礎(chǔ)實驗，具備了相關(guān)的實驗操作和動手能力。

（一）加強教材建設(shè)，選定合適的實驗教材

生物科學(xué)的發(fā)展日新月異，實驗教學(xué)必須與時俱進(jìn)。更新實驗教材，淘汰一些舊的實驗方法，選擇知識體系結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)典實驗和前沿新技術(shù)結(jié)合得好的參考教材，是保證實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵一步。作為實驗教與學(xué)之間的主要橋梁，好的教材不僅可以提高教學(xué)效率，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(nèi)容較陳舊，沒有涉及最新研究結(jié)果和技術(shù)[3]。已出版的發(fā)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(nèi)容的側(cè)重，我們結(jié)合發(fā)酵工程教學(xué)的自身特點和本院現(xiàn)有的設(shè)備和實際情況，選擇以原有講義為基礎(chǔ)，以教材《發(fā)酵工程實驗指導(dǎo)》（吳根福著，2006年版）為參考，讓學(xué)生充分了解發(fā)酵工程實驗內(nèi)容體系，學(xué)有余力的學(xué)生還可結(jié)合實驗教材拓展學(xué)習(xí)，這就促進(jìn)了學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化。

（二）優(yōu)化實驗內(nèi)容

21世紀(jì)是生物世紀(jì)，如何緊密聯(lián)系實際，培養(yǎng)出符合社會需求的人才一直是各高校生物類課程教學(xué)改革中的難點。根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合當(dāng)前生物技術(shù)的發(fā)展趨勢和前沿要求，教師在發(fā)酵工程的實驗教學(xué)中，必須對所選教材內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮脱a充，以應(yīng)對社會發(fā)展對人才的需求。發(fā)酵工程實驗是通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品，需要連續(xù)進(jìn)行實驗。學(xué)生在以往的氧化葡萄酸桿菌產(chǎn)二羥丙酮的實驗中，存在發(fā)酵周期長、二羥丙酮產(chǎn)量低、實驗學(xué)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?？莶菅挎邨U菌是重要的工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)水解為多糖、糊精等小分子的生物催化劑，其在發(fā)酵工業(yè)、食品工業(yè)及制藥業(yè)等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，也是最早實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的酶制劑之一[4]。

新實驗?zāi)茏寣W(xué)生了解工業(yè)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(xué)生參與實驗的積極性和熱情。同時為了體現(xiàn)發(fā)酵工程實驗的專業(yè)特色和連續(xù)性，在水解糖制備的實驗之后新增酒精發(fā)酵實驗，自行設(shè)計酒精發(fā)酵裝置并應(yīng)用到學(xué)生實驗中（見圖1）。該裝置設(shè)計簡單，制作成本低，學(xué)生易上手，實驗效果明顯。發(fā)酵罐是微生物實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的必備設(shè)備之一，了解發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及使用方法，是生物工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項基本技能。鑒于現(xiàn)有發(fā)酵設(shè)備及課時有限，利用搖瓶發(fā)酵替代發(fā)酵罐實驗，讓學(xué)生掌握微生物發(fā)酵過程。部分在實驗室未能完成的任務(wù)，如了解發(fā)酵罐的構(gòu)造原理，則通過理論教學(xué)來補充。經(jīng)過實踐，改革后的發(fā)酵工程實驗內(nèi)容總體以枯草芽孢桿菌功能菌株為主線，從培養(yǎng)基的配制滅菌、菌種的篩選分離、紫外誘變育種、搖瓶發(fā)酵生產(chǎn)直到產(chǎn)物提取和鑒定的一系列過程，環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生不但掌握了發(fā)酵實驗的基本操作技能和方法，同時能夠靈活運用所學(xué)的專業(yè)知識和理論，進(jìn)行簡單的發(fā)酵工業(yè)設(shè)計和制作并做到舉一反三[5]。通過開展這些實驗，學(xué)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(jìn)一步加強和提高，其實驗創(chuàng)新能力也得到了鍛煉。

改革后的實驗內(nèi)容包括發(fā)酵用培養(yǎng)基配制及滅菌、發(fā)酵種子液的制備、發(fā)酵原料的生產(chǎn)、發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化及檢測、工業(yè)誘變育種等六個實驗，這些實驗涵蓋了一個微生物產(chǎn)品實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的步驟和原理[6]。這些實驗的有機組合有利于學(xué)生系統(tǒng)掌握發(fā)酵工程的內(nèi)涵，將抽象的發(fā)酵理論應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，有利于學(xué)生掌握發(fā)酵工程實驗操作的精髓。

二、改進(jìn)實驗教學(xué)組織形式，調(diào)動學(xué)生參與實驗的積極性

有了合理的實驗教學(xué)內(nèi)容和安排，還要有相應(yīng)的教學(xué)方法作保障，才有可能達(dá)到培養(yǎng)綜合型人才的目的。實驗教學(xué)方法的改革要重點培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和獨立思考能力，突出學(xué)生在教學(xué)中的主體地位。

（一）改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效率

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師講、學(xué)生聽的填鴨式教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握到的知識有限。因此，有必要調(diào)動學(xué)生參與實驗的積極性、主觀能動性，努力把實驗教學(xué)從傳統(tǒng)的單向傳授變?yōu)殡p向互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。例如，在講授“糯米甜酒的釀制”時可向?qū)W生拋出問題“酒曲發(fā)酵的原理是什么”，引導(dǎo)學(xué)生去思考和分析，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)習(xí)的知識應(yīng)用到實際中，切實做到理論知識和實驗相結(jié)合。每次實驗結(jié)束后，教師針對實驗過程中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象，提出疑問讓學(xué)生課后去思考并將思考結(jié)果寫在實驗報告上，下次上課對這些問題進(jìn)行提問和討論，做到課上實驗、課下拓展學(xué)習(xí)，改變了以往一離開實驗室即是實驗結(jié)束的教學(xué)方法[7]。這樣能進(jìn)一步加深學(xué)生對實驗的認(rèn)識和了解，有利于學(xué)生鞏固已學(xué)過的知識，掌握實驗技巧。

（二）改革教學(xué)組織形式，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力

實驗教學(xué)的組織形式不能按照以教師為主體的傳統(tǒng)模式來進(jìn)行，必須要留給學(xué)生一定的自由度和獨立的空間，有效啟發(fā)學(xué)生思考，充分發(fā)揮其主現(xiàn)能動性。過去開設(shè)發(fā)酵工程實驗，學(xué)生到上課時間來做實驗，而對實驗前期繁雜的準(zhǔn)備工作并不清楚，這就影響了學(xué)生對實驗整體性、系統(tǒng)性的認(rèn)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(xué)生在課余時間參與實驗老師的準(zhǔn)備工作。讓學(xué)生了解實驗樣品的來龍去脈，增加學(xué)生的動手機會，加深學(xué)生對實驗整體性和連貫性的認(rèn)識和了解。我們在教學(xué)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(diào)整個實驗體系是連貫的，前一個實驗的結(jié)果是后一個實驗的材料，讓學(xué)生從思想上加以重視。督促學(xué)生在實驗操作過程中必須做到認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，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(xué)生講解相結(jié)合的方式，穿插提問環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)課堂氣氛，另外促使學(xué)生主動預(yù)習(xí)，深刻領(lǐng)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(xué)生對每個實驗的理解。如誘變育種的實驗，是在教師多次預(yù)實驗的前期基礎(chǔ)上，選擇一個合適的誘變時間和誘變范圍，因此需要結(jié)合實驗向?qū)W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(jù)。

其四，實驗過程中安全第一，杜絕安全隱患。教師做好監(jiān)督工作，及時發(fā)現(xiàn)問題并提醒糾正。保證學(xué)生認(rèn)真做好每次實驗，培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研態(tài)度。由于實驗臺套數(shù)的限制，我們的實驗以兩人為一組，學(xué)生相互協(xié)作完成實驗[8]。

（三）開展開放式的實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

實驗教學(xué)是在教師的引導(dǎo)下給學(xué)生以盡可能多的獨立操作機會乃至獨立設(shè)計實驗的機會。教師發(fā)揮其主導(dǎo)作用，點撥學(xué)生思維，啟發(fā)學(xué)生思考?？紤]到學(xué)生個體的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和動手能力存在差異，以及實驗課程學(xué)時數(shù)有限，在規(guī)定的實驗教學(xué)時間內(nèi)，要達(dá)到全面提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的目的顯然是不現(xiàn)實的，因此，靈活多樣的開放式教學(xué)將是對現(xiàn)有實驗教學(xué)形式的有效的補充和延伸[7]。比如綜合設(shè)計實驗，可讓學(xué)生自行組成課題小組，根據(jù)指導(dǎo)教師提供的實驗課題或?qū)W生自己提出的科學(xué)小問題，運用所學(xué)理論知識與基本實驗技能，自主設(shè)計實驗內(nèi)容、實驗思路，充分發(fā)揮學(xué)生在實驗中的主體地位，提高學(xué)生的組織能力和自主設(shè)計實驗?zāi)芰9]，從而培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)和較強的專業(yè)實踐技能。

與此同時，教師還要重視對學(xué)有余力、動手能力強、善于思考的學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，鼓勵他們?nèi)ラ_展一些探究性、創(chuàng)新性的課題，與科研相結(jié)合，引入科研的思路和方法，并將其與學(xué)校開展的“大學(xué)生創(chuàng)新項目”、“本科生科研訓(xùn)練計劃（SRTP）”、“個性化實驗”、畢業(yè)設(shè)計以及科技論文等結(jié)合起來，進(jìn)一步提升其自身的專業(yè)實踐能力和科技創(chuàng)新素質(zhì)，增強學(xué)生的科研意識和創(chuàng)新能力。

三、完善實驗考核評價體系

一方面，發(fā)酵工程實驗考核方式主要是學(xué)生提交實驗報告，教師依據(jù)報告的內(nèi)容判定成績。在批改實驗報告時我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對實驗?zāi)康?、原理及步驟的回答大都照搬實驗講義，對實驗結(jié)果、分析及思考題的回答存在同一班級很多學(xué)生雷同的現(xiàn)象。另一方面，受實驗設(shè)備和課時所限，實驗主要以小組為單位進(jìn)行[10]。這導(dǎo)致部分學(xué)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(dá)不到應(yīng)有的實驗教學(xué)效果，不能全面反映學(xué)生真實的實驗情況。

針對這一情況，結(jié)合本實驗的特殊性，我們積極完善并細(xì)化實驗考核辦法，要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)并對學(xué)生在實驗操作過程中的表現(xiàn)進(jìn)行評價打分，改變了以往只通過實驗報告來判定學(xué)生實驗成績的做法，強調(diào)確保實際操作質(zhì)量及能力培養(yǎng)的重要性。改革完善后的考核體系中實驗總成績由對預(yù)習(xí)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(jié)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(cè)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(xué)生的實際操作能力，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度[11]，保證了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的科學(xué)性與有效性。

四、結(jié)語

通過實施發(fā)酵工程實驗教學(xué)改革，學(xué)生在獲取知識和動手操作能力、培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)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(xué)發(fā)展的步伐，注重理論和實驗相結(jié)合，不斷探索和完善實驗教學(xué)方法，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮實驗教學(xué)在生物工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用。實驗教學(xué)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(xué)生態(tài)度不認(rèn)真，對實驗數(shù)據(jù)處理與分析能力較差，少數(shù)學(xué)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(fā)展，以達(dá)到培養(yǎng)綜合型人才的最終目的。

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