何琳燕 盛下放 潘汝浩

［摘 要］ 基于一流本科和新農(nóng)科建設(shè)發(fā)展需求，適應(yīng)農(nóng)理結(jié)合生物類本科專業(yè)人才培養(yǎng)要求，結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)和超星學(xué)習(xí)通平臺優(yōu)點，對“微生物發(fā)酵工程”課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)考核等進(jìn)行了一系列改革探索，并嘗試線上線下混合式教學(xué)模式，課程思政融入課堂，農(nóng)業(yè)和環(huán)境生物學(xué)特色融入理論與實踐教學(xué)，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提升了學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力，為更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型和復(fù)合應(yīng)用型人才起到了引領(lǐng)示范作用。

［關(guān)鍵詞］ 微生物發(fā)酵工程；教學(xué)改革；混合式教學(xué)

［基金項目］ 2020年度南京農(nóng)業(yè)大學(xué)“卓越教學(xué)”課堂教學(xué)創(chuàng)新實踐項目“微生物發(fā)酵工程”（JF2006001）；2021年度南京農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)建設(shè)研究教改專項項目“一流本科背景下的生物科學(xué)專業(yè)跨學(xué)科教育實踐改革”（2021ZY02）

［作者簡介］ 何琳燕（1976—），女，江蘇常州人，博士，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，主要從事微生物學(xué)和生物菌劑研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）10-0051-04［收稿日期］ 2022-04-26

引言

微生物發(fā)酵工程是指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能為人類生產(chǎn)有用產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一門學(xué)科［1］。國家在“十二五”和“十三五”生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，先后提出了“重點培養(yǎng)生物領(lǐng)域原始創(chuàng)新人才、工程化開發(fā)人才、高技能人才等各類人才”的培養(yǎng)目標(biāo)［2］。微生物發(fā)酵工程或發(fā)酵工程，是許多高校生物工程、生物技術(shù)等專業(yè)的核心課程，該課程與生物學(xué)和工程學(xué)聯(lián)系緊密，涉及生物化學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)工程、過程控制、信息科學(xué)等多門學(xué)科［3-4］。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)以農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)為優(yōu)勢和特色，以強(qiáng)農(nóng)興農(nóng)為己任，聚力改革創(chuàng)新，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，著力培養(yǎng)知農(nóng)愛農(nóng)新型人才［5］?！拔⑸锇l(fā)酵工程”是我校生命科學(xué)學(xué)院生物類本科三年級開設(shè)的專業(yè)選修課程，并作為跨專業(yè)大類推薦課程供學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)興趣和需要選修。在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，如何通過微生物發(fā)酵工程課程教學(xué)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和綜合實踐能力的生物類創(chuàng)新型和復(fù)合應(yīng)用型人才，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展輸送人才，是我們面臨的極大挑戰(zhàn)。基于一流本科和新農(nóng)科建設(shè)的發(fā)展需求，我們探討適應(yīng)農(nóng)理結(jié)合的生物類本科專業(yè)“微生物發(fā)酵工程”在教學(xué)過程中的改革與實踐，有針對性地對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，使其在有限的課時內(nèi)掌握該課程的基本技術(shù)和原理，期望能夠為提高“微生物發(fā)酵工程”課程教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生分析和解決問題的能力、更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型和復(fù)合應(yīng)用型人才起到引領(lǐng)示范作用。

一、明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，增加思政元素

課程改革思路是將立德樹人始終貫穿于教學(xué)體系，積極適應(yīng)教學(xué)信息化發(fā)展趨勢，將課程理論與實踐形成有機(jī)統(tǒng)一體。

（一）教學(xué)目標(biāo)明確設(shè)計

傳統(tǒng)教學(xué)中設(shè)定的課程目標(biāo)過于籠統(tǒng)，不夠清晰合理。我們結(jié)合我校生物學(xué)一流學(xué)科、一流專業(yè)建設(shè)行動計劃，基于課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點來設(shè)定“微生物發(fā)酵工程”課程目標(biāo)。本課程以發(fā)酵工業(yè)為主線，加強(qiáng)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，使學(xué)生掌握微生物發(fā)酵工程中的共性工藝原理；融合新農(nóng)科特色，強(qiáng)化生命科學(xué)與農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、動物科學(xué)等其他學(xué)科專業(yè)的交叉應(yīng)用，了解生物發(fā)酵主要產(chǎn)品如生物農(nóng)藥、微生物肥料、農(nóng)用抗生素、飼料添加劑等生產(chǎn)工藝；發(fā)揮現(xiàn)代發(fā)酵科技前沿引領(lǐng)作用，注重對學(xué)生綜合能力、批判性思維的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生具備分析和解決發(fā)酵生產(chǎn)與研發(fā)的基本能力，能夠運(yùn)用基因工程、代謝工程等手段突破微生物的固有調(diào)節(jié)機(jī)制，為以后從事微生物產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)和科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)內(nèi)容合理優(yōu)化

我們發(fā)現(xiàn)在以往的課堂教學(xué)中，學(xué)生的基礎(chǔ)知識儲備普遍不足。學(xué)生僅上過“微生物學(xué)”“生物化學(xué)”等基礎(chǔ)課程，缺少“化工原理”等工程理論課程的鋪墊，“微生物生理學(xué)”“分子生物學(xué)”等重要的理論課程還在同期上課。此外課時有限，而“微生物發(fā)酵工程”課程的教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)，知識點龐雜，由“一條主線、兩大主題、三大基礎(chǔ)、四項工程和五種方式”構(gòu)成，如果按照工科專業(yè)發(fā)酵工程內(nèi)容上課，教師難以完成教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生無法理解、掌握發(fā)酵工程和技術(shù)原理。

我們在新課程目標(biāo)下，針對理科學(xué)生課前知識背景，梳理知識點，重塑課程內(nèi)容，簡化《發(fā)酵動力學(xué)》等章節(jié)，重點介紹了發(fā)酵微生物菌種選育和種子制備、發(fā)酵培養(yǎng)基設(shè)計和制備、無菌技術(shù)、發(fā)酵過程參數(shù)檢測與調(diào)控、發(fā)酵產(chǎn)品分離及純化、廢棄物綜合處理。各章節(jié)通過構(gòu)建知識點思維導(dǎo)圖，有助于學(xué)生建立系統(tǒng)思維。我們還對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了模塊化劃分，將教學(xué)內(nèi)容分為發(fā)酵上游、中游和下游三個教學(xué)模塊。上游模塊為發(fā)酵生產(chǎn)之前的準(zhǔn)備工作，內(nèi)容有菌種選育和制備、培養(yǎng)基優(yōu)化、制備無菌空氣等；中間的發(fā)酵罐培養(yǎng)作為中游模塊，包括發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與使用、過程檢測等；發(fā)酵放罐后的產(chǎn)物處理作為下游模塊，包括發(fā)酵液預(yù)處理、產(chǎn)品純化、廢水處理等。將農(nóng)用抗生素、微生物肥料、飼料添加劑和食品發(fā)酵等產(chǎn)品生產(chǎn)工藝作為案例，穿插在上述教學(xué)內(nèi)容中講述，使知識原理形象化，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，又便于學(xué)生鞏固復(fù)習(xí)。

（三）課程思政有機(jī)融合

《關(guān)于加快構(gòu)建高校思想政治工作體系的意見》中指出，理學(xué)、工學(xué)類專業(yè)課程要注重對學(xué)生科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科技倫理的教育，注重培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，注重培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神［6］。因此，我們深入發(fā)掘微生物發(fā)酵工程的思政元素，貫徹落實立德樹人根本任務(wù)。

我們在課堂上講述了我國著名的農(nóng)業(yè)教育家、中國農(nóng)業(yè)微生物學(xué)奠基人、原南京農(nóng)學(xué)院院長樊慶笙與青霉素的淵源。1944年樊慶笙帶著3支青霉素菌種沙土管，還有一些器械和試劑，乘美國運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)、跨越駝峰航線艱難回國，與同人們開展青霉素的研制和生產(chǎn)工作，為我國揭開了生產(chǎn)抗生素的歷史，使正值戰(zhàn)亂中的中國成為世界上率先制造青霉素的國家之一，鞠躬盡瘁，科學(xué)報國，貢獻(xiàn)突出。在課后我們給學(xué)生布置了參觀我校校史館、尋找鎮(zhèn)館之寶青霉素菌種（當(dāng)年樊慶笙從美國帶回的菌種之一）的小任務(wù)，在活動中領(lǐng)悟南農(nóng)先賢將個人理想與時代發(fā)展的使命結(jié)合起來興農(nóng)報國的精神，激勵學(xué)生為祖國發(fā)展及社會進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。以生物農(nóng)藥Bt制劑、農(nóng)用抗生素等發(fā)酵生產(chǎn)為案例講授發(fā)酵調(diào)控工藝時，強(qiáng)調(diào)應(yīng)根據(jù)發(fā)酵過程的整體控制目標(biāo)來優(yōu)化參數(shù)，從而讓學(xué)生樹立全局意識、團(tuán)隊意識，站在全局的高度思考問題、研究問題和解決問題。

二、線上線下混合式教學(xué)模式

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與現(xiàn)代教育深度融合，如超星學(xué)習(xí)通、雨課堂、MOOC開放學(xué)習(xí)平臺應(yīng)運(yùn)而生［7］。借助網(wǎng)絡(luò)平臺，以課內(nèi)知識為基礎(chǔ)、課外知識為拓展，將課內(nèi)知識點與課外拓展資料結(jié)合，實現(xiàn)線上與線下知識互補(bǔ)、線上線下混合式教學(xué)。

（一）線上教學(xué)平臺的建設(shè)

根據(jù)功能將超星學(xué)習(xí)通平臺劃分為教學(xué)資源區(qū)、教學(xué)互動區(qū)、教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)。教學(xué)資源區(qū)包括課程大綱、參考資料、拓展資料、習(xí)題、作業(yè)等；教學(xué)互動區(qū)設(shè)置簽到、同步課堂、通知、課堂討論、章節(jié)測驗等；教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)包括課程章節(jié)訪問量、知識點完成度、作業(yè)統(tǒng)計、討論積分、成績管理等。由于新教學(xué)大綱中“微生物發(fā)酵工程”課時降低到18學(xué)時，為了保證有限課時下的有效教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，我們對教學(xué)資源進(jìn)行了改革。首先，我們將原來54課時的課件PPT作為主要參考資料，放置到學(xué)習(xí)通教學(xué)資源區(qū)，學(xué)生可隨時隨地查閱，進(jìn)行預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)。其次，我們從學(xué)習(xí)通資源庫上找出生物工藝學(xué)、發(fā)酵工程實驗、生物發(fā)酵英文版教材等電子教材，發(fā)酵食品制作視頻等趣味性材料作為拓展資料，并提供了合成生物學(xué)等相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和國際基因工程大賽的參賽獲獎作品，豐富課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生網(wǎng)上學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生了解微生物發(fā)酵工程的發(fā)展趨勢和熱點。此外，我們根據(jù)每一章節(jié)的知識點和重難點，建設(shè)習(xí)題庫，幫助學(xué)生鞏固知識、培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

（二）線上線下混合式教學(xué)

在實施教學(xué)過程中，我們通過學(xué)習(xí)通的“通知”發(fā)布教學(xué)目標(biāo)和要求，引導(dǎo)學(xué)生在線上完成課前預(yù)習(xí)，以便提高線下課堂教學(xué)效率。在課堂教學(xué)中，教師在授課過程中明確重點，將內(nèi)容聚焦于主線上，做到條理清晰、主題突出。

除了教師講授以外，我們還進(jìn)行分組討論和啟發(fā)式教學(xué)。例如，講授通用型好氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與功能章節(jié)時，由于一些學(xué)生之前沒有見過發(fā)酵罐實物，實驗室中也無法同時容納50多人觀察發(fā)酵罐，學(xué)生對發(fā)酵罐沒有立體感受，難以領(lǐng)會理解。我們拍攝了10 L機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)視頻，放置到學(xué)習(xí)通教學(xué)資源區(qū)。在課堂上簡單介紹一下發(fā)酵罐由幾大部分組成，然后將學(xué)生分組，各自對照10 L機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐視頻、局部構(gòu)件照片和PPT講義，開展分組討論式學(xué)習(xí)。教師在場，當(dāng)學(xué)生有問題時，可向教師提問。學(xué)生相互啟發(fā)，共同討論，形成各組的認(rèn)識和理解。課后完成該章節(jié)作業(yè)和測試，輔助學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)，進(jìn)一步鞏固發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和功能知識點。

此外，我們在課堂上通過線上平臺發(fā)起簽到、搶答，或隨機(jī)選出學(xué)生回答問題等，對表現(xiàn)突出的學(xué)生給予適當(dāng)?shù)钠綍r成績加分鼓勵，以此來活躍課堂氣氛，提供更多與學(xué)生互動的機(jī)會。通過設(shè)置“有哪些適合于企業(yè)采用的優(yōu)良菌種保藏方法？”“如何觀察發(fā)酵菌種菌體形態(tài)？”等一系列問題，組織學(xué)生分成“選種組”“制種組”和“保種組”3組技術(shù)人員，選擇對應(yīng)的問題并討論回答，將教材上抽象的理論知識具體化，讓學(xué)生真切理解這些書本上的理論知識在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。

三、合理規(guī)范考核方式

原來考核方式由期末成績（60%）和平時成績（40%）組成，期末成績?yōu)樾￠_卷考試，平時成績種類單一。現(xiàn)在提高了平時成績權(quán)重，豐富了平時成績形式，包括學(xué)習(xí)通上任務(wù)點完成、課堂測試、課后作業(yè)等，并增加課堂測試和課后作業(yè)的次數(shù)和難度。例如，利用雨課堂每周進(jìn)行一次課堂小測試，可隨時隨地進(jìn)行實時答題、評判、點評，讓師生互動更多、教學(xué)更加便捷。課后作業(yè)增設(shè)討論題，組織大家對發(fā)酵工程的重點與難點展開思考與討論。以“發(fā)酵工業(yè)菌種篩選”為例，給出4張大家熟悉的發(fā)酵產(chǎn)品圖片，請學(xué)生查找資料，調(diào)查并討論發(fā)酵產(chǎn)品的菌種來源途徑和幾種常用的菌種分離方法。期末考試為小開卷考試，學(xué)生僅能攜帶一張A4紙大小的參考資料?？己酥凶⒁饩C合知識運(yùn)用。例如，設(shè)計思考題2例，要求學(xué)生任選一題作答。期末考試使學(xué)生在深入理解和掌握基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力。經(jīng)過“多次復(fù)習(xí)、多次考核”，學(xué)生心情放松，學(xué)習(xí)興趣濃厚，教與學(xué)進(jìn)入良性循環(huán)。近年來，學(xué)生每學(xué)期進(jìn)入學(xué)習(xí)通平臺參與課程超過4 000次，線上作業(yè)和小測試完成率100%，選課人數(shù)由20多人增加至50多人。在課程結(jié)束后的“學(xué)評教”環(huán)節(jié)收到學(xué)生較好的評價和反饋，學(xué)生對改革后的課程教學(xué)滿意度大幅提高。

四、合理配套實踐教學(xué)

“微生物發(fā)酵工程”是與實踐緊密結(jié)合的一門課程，具有理論性、應(yīng)用性和實踐性強(qiáng)的特點。由于目前本課程沒有配套相應(yīng)的實驗實踐課程，因此如何進(jìn)行實踐教學(xué)是本課程的一個教學(xué)難點。

我們理順培養(yǎng)方案，在編寫“生產(chǎn)實習(xí)”“生命科學(xué)行業(yè)企業(yè)專家開放課”“微生物學(xué)綜合實踐”等實踐課程教學(xué)大綱時，補(bǔ)充了若干微生物發(fā)酵工程實踐內(nèi)容，并將實踐環(huán)節(jié)貫穿于整個大學(xué)學(xué)制中。例如，在“生產(chǎn)實習(xí)”課程中，我們與南京工業(yè)大學(xué)國家生化工程技術(shù)研究中心建立聯(lián)合教學(xué)實踐基地，“微生物發(fā)酵工程”授課教師親自帶領(lǐng)大二學(xué)生在實訓(xùn)基地進(jìn)行發(fā)酵罐實操學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，留下了初步印象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動力；在大三學(xué)年“生命科學(xué)行業(yè)企業(yè)專家開放課”課程中，我們邀請相關(guān)發(fā)酵企業(yè)的高管、行業(yè)精英做專題講座和報告，促使學(xué)生及時了解微生物發(fā)酵行業(yè)動態(tài)、企業(yè)對人才的需求和崗位，增強(qiáng)了學(xué)生對當(dāng)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的了解和認(rèn)知，提高了學(xué)生對專業(yè)發(fā)展的自信度和期待值。在大四學(xué)年的“微生物學(xué)綜合實踐”中，我們設(shè)置了機(jī)械攪拌發(fā)酵罐系統(tǒng)和甜酒釀制作與品鑒兩個實踐內(nèi)容，開放實驗室給學(xué)生近距離觸摸、觀察三聯(lián)10 L通用型發(fā)酵罐系統(tǒng)，講解液態(tài)和固態(tài)等不同發(fā)酵類型原理，以及發(fā)酵設(shè)備和工藝在食品、農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用，提高了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)理論知識解決生產(chǎn)實際問題的能力和動手能力。

五、成效與展望

為提高“微生物發(fā)酵工程”課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)農(nóng)理結(jié)合的適應(yīng)新時代發(fā)展需求的創(chuàng)新型和復(fù)合應(yīng)用型生物類人才，本課程還需要繼續(xù)改進(jìn)，包括教學(xué)資源（習(xí)題庫、拓展資料）的持續(xù)更新、討論方式的多變性設(shè)計、實踐教學(xué)探索等。例如，整合我院虛擬實驗教學(xué)資源“食用菌栽培工藝”等，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作、驗證，把仿真技術(shù)和微生物發(fā)酵工程教學(xué)結(jié)合起來，突破傳統(tǒng)教學(xué)手段，提高實踐教學(xué)的效果。結(jié)合“發(fā)酵工程”課程特點，鼓勵學(xué)生申報各級各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，參加大學(xué)生生命科學(xué)競賽和“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等課外科技競賽活動，并指導(dǎo)學(xué)生撰寫論文和專利，真正提高學(xué)生的專業(yè)興趣、自主學(xué)習(xí)能力和實踐創(chuàng)新能力，大幅提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

“微生物發(fā)酵工程”課程的教學(xué)改革探索，為新培養(yǎng)方案中農(nóng)理結(jié)合特色、課時減少的選修課如何開展有效教學(xué)提供了實踐的契機(jī)，所取得的經(jīng)驗教訓(xùn)可為將來網(wǎng)絡(luò)科技時代新教學(xué)理念、新教學(xué)模式的改革，提供理論和實踐基礎(chǔ)。

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Teaching Reform of the Microbial Fermentation Engineering Course to Adapt the Biology Major Based on Agriculture and Science Disciplines Integration

HE Lin-yan， SHENG Xia-fang， PAN Ru-hao

（College of Life Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing， Jiangsu 210095， China）

Abstract： Based on the development needs of “first-class undergraduate” and the New Agriscience construction， to adapt the undergraduate talent training requirements of biology major based on the integration of agriculture and science disciplines， a series of reforms are carried out in the course of Microbial Fermentation Engineering in terms of teaching objective， content， method and assessment， combined with the advantages of traditional classroom teaching and Chaoxing learning platform. In addition， the online and offline blended teaching model， the integration of “curriculum ideology and politics” into classroom teaching， and the integration of agriculture and environmental biology characteristics into theoretical and practical teaching are explored. The teaching reform of the Microbial Fermentation Engineering course effectively improves students enthusiasm for independent learning and improves their ability to comprehensively apply knowledge， which plays a leading role in better training innovative and composite application-oriented talents.

Key words： Microbial Fermentation Engineering; teaching reform; blended teaching model