試驗設(shè)計方法在生物反應工程實驗課程教學中的應用

吳志軍，陶玲玲，徐淑艷，李麗陽，劉昕旸，張 華，曹宏偉

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學學術(shù)理論研究部，黑龍江大慶 163319；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學理學院，黑龍江 大慶 163319）

生物工程是實踐性要求很強的專業(yè)， 培養(yǎng)高素質(zhì)、適應現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的復合型人才，不僅需要加強學生的理論知識儲備和實驗動手能力，也需要樹立工程思維、 具備掌握科學設(shè)計和分析試驗的能力［1］。 但目前生物類專業(yè)的學生普遍工科基礎(chǔ)較差，尤其是試驗設(shè)計能力缺乏，成為阻礙創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的瓶頸［2-3］。

試驗設(shè)計是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗要求，通過經(jīng)濟、科學合理地設(shè)計，利用少量試驗快速建立數(shù)學模型并找到最佳試驗條件的方法［4］。 試驗設(shè)計是高等農(nóng)業(yè)院校農(nóng)學、植物保護、生命科學、畜牧、獸醫(yī)和食品等專業(yè)的基礎(chǔ)課程。 在教學過程中，由于沒有課程實驗進行支撐，試驗設(shè)計課程講授內(nèi)容與實踐脫節(jié)。 生物工程專業(yè)的學生對單純的試驗設(shè)計課程興趣低， 且數(shù)學基礎(chǔ)普遍較差［5］，很多學生只是被動地學習。 試驗設(shè)計課程邏輯性強、理論抽象、推導較多、計算復雜，加之課程的實踐性強，如果沒有配套的實驗操作進行訓練， 學生很難掌握試驗設(shè)計的精髓和相關(guān)軟件的使用［6-7］。

生物反應工程實驗課程的教學目標是使學生掌握生物反應過程的基本實驗技能， 包括培養(yǎng)基配制與滅菌、菌種的擴大培養(yǎng)、反應器內(nèi)的傳遞、過程設(shè)計和反應器設(shè)計與控制等［8］。 生物反應是受多個因素影響的復雜過程， 在此過程中如何提高目標產(chǎn)物的得率、實現(xiàn)過程的最優(yōu)化，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［9-10］。在多變量影響的體系中， 快速有效地找到對目標響應值有顯著影響的變量并進行優(yōu)化非常重要。 將試驗設(shè)計與生物反應工程實驗中的微生物發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化部分相結(jié)合，通過生物反應工程實驗課程的學習，讓學生系統(tǒng)掌握試驗設(shè)計的理論與常用的優(yōu)化方法，同時掌握設(shè)計和分析軟件。通過該實驗課的訓練，增強學生的工程試驗設(shè)計和實踐動手能力。

1 試驗設(shè)計理論講授

1.1 常規(guī)試驗設(shè)計方法

常規(guī)試驗設(shè)計方法包括單因素試驗設(shè)計和正交試驗設(shè)計法，通常存在一定的局限性。不能考查各因素交互作用，得不到最佳條件［11］。單因素試驗在考查多個試驗因素時，所需的試驗次數(shù)較多、周期較長，且無法獲得各因素交互情況。完成每個因素的試驗后，通常得不到預期的試驗效果。正交試驗是常用試驗設(shè)計方法， 能更加科學合理地安排試驗，可同時考查多個因素的水平組合，但不能確定響應值和各因素之間明確的數(shù)學模型， 無法在整個區(qū)域上獲得因素的最優(yōu)組合［12］。

1.2 Plackett-Burman 試驗設(shè)計與響應面方法

Plackett-Burman 試驗設(shè)計是由Plackett 和Burman 于1946 年提出的二水平析因設(shè)計，Plackett-Burman 設(shè)計能通過n 次試驗最多分析n-1 個因素對響應值的效應， 可以設(shè)置虛構(gòu)變量以估算誤差［13］。 根據(jù)Plackett-Burman 設(shè)計的結(jié)果，通過比較各因素的顯著性水平， 得到關(guān)于響應值和各因子間的一次回歸模型，并篩選出重要因子，通過試驗對這些因子進一步優(yōu)化［14-15］。Plackett-Burman設(shè)計雖然不能考查各因素交互作用， 但能通過少數(shù)試驗， 快速從諸多因子中篩選到對響應值有顯著效應的主要因子， 比較適合應用于一些受多種因素影響的生物反應過程， 如發(fā)酵參數(shù)設(shè)置和培養(yǎng)基成分的確定等。

通過Plackett-Burman 試驗設(shè)計從眾多因素中確定重要因素后， 利用中心組合試驗設(shè)計和響應面分析的方法進行過程建模與優(yōu)化［15］。 響應面法的目的是試圖用二次多元回歸模型描述各影響因素與目標響應值定量關(guān)系，并通過計算，確定最佳條件和目標響應值。 中心組合試驗設(shè)計能通過旋轉(zhuǎn)正交試驗，考查各因子對生物過程的影響，通過響應面回歸模型的建立， 評價各因素的效應和交互作用的程度，獲得最優(yōu)化條件。

2 教學改革實施內(nèi)容

2.1 試驗設(shè)計的理論教學

實驗課進行前，讓學生查閱文獻，達到對統(tǒng)計學試驗設(shè)計方法有較清晰認識和理解的效果。 理論課程的講授通過對單因子試驗設(shè)計、 正交試驗設(shè)計、析因試驗設(shè)計、響應面試驗設(shè)計等基礎(chǔ)知識和統(tǒng)計學方法講授， 使學生了解各試驗設(shè)計方法的基本原理和優(yōu)缺點，調(diào)動其積極性和創(chuàng)造性，系統(tǒng)地掌握最新的試驗設(shè)計理論與方法。同時，進行微生物反應的過程和動力學知識的講解， 增加實驗的目的性，使學生提前掌握理論知識，更加深刻地理解試驗過程。 傳統(tǒng)實驗課程教學過程中常有學生上課只為應付考試的情況，思維不活躍，對實驗過程缺乏整體認識， 難以將理論知識通過做實驗融會貫通。

2.2 試驗設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容

將試驗設(shè)計方法應用于生物反應工程實驗的實踐教學部分，選取“利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑實驗” 為例， 讓學生查閱文獻，找出影響枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑過程中的影響因素，初步確定各因素的高低水平。

首先通過Plackett-Burman 設(shè)計，對影響芽孢桿菌生長的因素如裝液量、pH 值、接種量、培養(yǎng)溫度、碳源、氮源等進行評價，篩選對發(fā)酵過程有顯著影響的重要因子。根據(jù)試驗結(jié)果，通過比較各因素的效應系數(shù)和顯著性， 篩選出有主要影響的因子；確定各因素的步長，沿與等高線垂直的梯度方向，進行最陡爬坡試驗，確定各因素逼近最大響應區(qū)域的水平，在最大響應區(qū)域進行中心組合試驗，對各因子的水平進行分析， 建立二次模型和響應曲面圖。 響應面法即利用多元二次回歸模型描述試驗因素與目標值的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)化理論求出模型的極大值， 確定枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)表面活性劑的最優(yōu)培養(yǎng)條件， 并通過試驗進行驗證。

2.3 統(tǒng)計學軟件的使用

在實驗開始前， 將SPSS、Minitab、Design-Experts 和Origin 等軟件的參數(shù)設(shè)置和使用方法講解和演示， 使學生掌握以上試驗設(shè)計軟件的基本操作，便于后期自行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理，提升數(shù)理統(tǒng)計和建模的能力。

2.4 課程效果的評價與考核

學生按小組完成試驗設(shè)計和操作，詳細記錄，對結(jié)果加以總結(jié)。 成績考核分為理論和實驗兩部分， 理論部分考查學生對試驗設(shè)計和統(tǒng)計學方法基本知識的理解情況，占50 分；試驗設(shè)計過程和結(jié)果分析部分占50 分，考查具體試驗設(shè)計的掌握情況。微生物生長曲線的繪制、生長動力學過程的擬合等方面也作為考查內(nèi)容。

2.5 總結(jié)教學效果

對教學改革的經(jīng)驗和效果及時總結(jié)， 了解學生對試驗設(shè)計的掌握程度，分析難點，找出存在的問題，對存在的問題立即糾正，將經(jīng)驗教訓寫成教學研究論文供大家探討。 教學過程和試驗設(shè)計路線以“利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)表面活性劑實驗”為例（見圖1）。

3 總結(jié)

根據(jù)試驗設(shè)計方法和生物反應工程實驗課程存在的問題提出解決方案，拓展學生的知識范疇，通過設(shè)計試驗， 建立與生物反應工程實驗課程適應的完善的試驗設(shè)計體系。 從以下幾個方面對課程的教學內(nèi)容進行總結(jié)。

3.1 增強了學生對實驗課程的興趣和課堂參與的積極性

經(jīng)過生物工程專業(yè)2016—2018 級共3 屆學生的實踐探索， 大部分學生較好地理解了試驗設(shè)計的精髓，掌握了理論知識和軟件的使用。多數(shù)學生的實驗課成績在80 分以上，學生反映通過試驗設(shè)計過程提高了實驗課程參與的興趣和積極性。

3.2 提高學生試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的能力

課程結(jié)束后， 針對教學效果和學生對試驗設(shè)計的掌握情況， 進行問卷調(diào)查。 共完成問卷調(diào)查150 份，包括40 名已畢業(yè)學生。 94%的學生反饋，通過生物反應工程實驗課程的學習， 對試驗設(shè)計有了更加深刻的認識。 該課程不僅增強了試驗設(shè)計的能力，也提高了分析問題和解決問題的能力。64.7%（97/150）已畢業(yè)的學生反饋，在讀研和工作階段仍然用到了試驗設(shè)計的方法， 且部分學生曾與老師有相關(guān)問題的探討。 96%（144/150）的學生反饋，贊同采用類似的方法進行課程教學。 42.7%（64/150）的學生反饋，在表面活性劑的分析檢測過程中使用高效液相色譜儀等設(shè)備的經(jīng)歷， 對畢業(yè)后從事的工作有較大幫助，增強了就業(yè)競爭力。

3.3 教學過程中存在的問題

少數(shù)學生數(shù)學和統(tǒng)計學基礎(chǔ)較差， 無法很好地理解試驗設(shè)計的原理和計算過程運用； 對軟件操作系統(tǒng)掌握不熟練， 不能完全掌握設(shè)計方法和應用軟件。今后將加強數(shù)學和計算機方面的教學，提高學生的設(shè)計能力。

圖1 教學過程和試驗設(shè)計路線

4 結(jié)論

微生物反應是非常復雜的生物過程， 受多個因素的影響。 科學、合理的試驗設(shè)計，能夠事半功倍。 生物反應工程實驗課程針對生物工程專業(yè)學生工程基礎(chǔ)較為薄弱的特點， 將試驗設(shè)計的方法融入課程教學， 通過該課程的試驗設(shè)計與分析訓練、理論與實踐結(jié)合，提高了學生試驗設(shè)計、統(tǒng)計學分析以及計算機軟件使用等方面的能力。 同時掌握完整、系統(tǒng)、科學的試驗設(shè)計方法，具備從紛繁復雜的影響因素中快速找出關(guān)鍵因子的能力，提高了學生的工程建模能力和創(chuàng)新能力， 達到應有的教學效果。