以工程素質培養為導向的發酵設備實驗教學改革

王 衛， 黎繼烈， 姚躍飛

(中南林業科技大學 生命科學與技術學院， 長沙 410004)

0 引 言

發酵設備課程實驗是微生物產業放大培養理論知識的實踐課程，也培養學生的專業技能及生產協作能力的重要環節，進而使學生對本專業所涉及擴大生產問題產生興趣，以利于自主學習。作為設備結構解析、實踐類實驗，限于實驗單臺套設備有限以及學生自主參與度不足，導致教學出現實驗報告趨同、甚至抄襲等問題。如何促進學生參與實驗積極性，提高技能、工程素質培養成為教改的出發點。

受微課、MOOC課堂方式的啟發，在發酵設備課程實驗中，將微視頻引入個人手機終端，進行基礎應知、應會實驗教學；結合綜合創新性實驗體系的建設，進行學生按車間崗位角色分組的安排，培養自覺、勤奮、實事求是、勇于探索和敢于擔當的精神以及對某一問題的觀察力、想象力及解決或決策能力[1-6]。在實驗實踐后，分享各自實驗數據，協作完成實驗報告，形成發酵過程設備與工藝的整體觀念，培養學生初步的分析和解決問題以及自主科研的能力。

1 發酵設備課程實驗的構建

自2010年起，我校實施教學質量年建設，將原來歸屬發酵設備課程的實踐環節-發酵設備課程實驗，獨立成為一門實驗課程，16學時。本著“均衡發展，各展所長”的理念，以培養工程素質為導向進行教學體系構建[7]。將必要的基礎實驗(4學時)，視頻化，隨身化：錄制發酵罐結構、管路、閥門及控制界面使用說明的小視頻，錄制pH、DO電極標定和實罐滅菌、火焰保護接種的視頻，并將之通過QQ群、微信分發到各位學生手機端，方便學生帶著疑問，自主學習，提高實驗效率；在設計性創新實驗(12學時)，按實際發酵車間崗位特色進行角色扮演，仿照車間生產批報安排實驗，同一實驗組設立工藝、能耗和質控3個崗位，相互依靠，相互監督，相互印證，最終形成實驗報告。

1.1 實驗選題

適宜的實驗教學選題，是確保實驗順利完成的關鍵[8-9]。選題內容一般采用教研室教師承擔的研究課題或往屆學生創新項目作為基礎，目前開出的實驗模塊有：赤霉素發酵、靈芝多糖發酵、產纖維素酶菌發酵、PGA酶基因工程菌發酵、玉米生料酒精發酵、紅曲固態發酵等。以上實驗項目依托所轄實驗室3臺套5L和1臺套30L的在位滅菌全自動發酵罐進行實驗驗證。學生需在實驗模塊中擇一選定項目進行相應設備或工藝變化，以方便數據比較，獲得結論。本校生物工程專業每屆學生約60人左右，按工廠車間角色(發酵過程控制、理化參數檢測、能耗及動力支持、無菌情況及菌形態變化)分成3～5人一組，共計12～15組。

選題確定后，進入準備預習報告階段。預習報告包括實驗目的、采用實驗方法、已具備或缺少的實驗條件、實驗難點、人員安排及預期結果等。在此階段，實驗組內進行分工，并仿照工廠車間生產批報格式，按時列出所需填測的數據表，保證實驗實施時，組內各同學明確任務和職責。“凡事預則立，不預則廢”，強調實驗預習對實驗的重要性，原始數據表格必要性，要求教師審閱、批示預習報告，并返回學生修改。預習報告經實驗老師批準，方可進入實驗環節。

1.2 實驗方案的實施

實驗實施是整個實驗的重點，所有的結果和結論都是從實驗數據分析中獲得。實驗實施過程要以嚴謹的科學態度進行，真實記錄實驗數據。由于時間、場地與設備的限制，盡量不要更改實驗方案。各組間類似實驗模塊安排在同一時段，方便學生橫向比較，也能節省時間，減低實驗老師工作量。通過與實驗老師預約，整個實驗一般能在4周內順利完結。

組內實驗過程中帶入工廠職能角色能起到如下作用：① 培養工程素質，明確設備工藝問題的工廠處理手段。② 以設備操作為核心，明晰過程限速途徑的流轉變化趨勢。③ 以實驗為紐帶，強調勞動紀律和協作的重要性，培養團隊意識和組織管理技能。加強學生組織技能培養，除作為組長的同學外，組員之間的民主協商、討論，保留自我意見，執行團隊決議的執行力亦十分重要，這將是工作狀態下的情商培養，讓學生提前感受職業角色。這種實驗組織下，學生以寬角度、多視野來觀察發酵設備對于發酵培養過程的作用，從而綜合確立設備設計與選型的尺度和標準，為將來的研究或生產打下堅實基礎。

1.3 實驗結論的表達

實驗結束后，應及時整理實驗數據和撰寫實驗報告。實驗結果就是將實驗中所得到的分析數據整理歸納，其表達強調客觀真實，這時常常涉及到將實驗數據或制成表格或作圖加以分析，引導學生學習、掌握Excel、Origin、ChemBioOffice、Matlab等常用軟件。

實驗預測、結果分析以及下一步實驗方向的討論，應是整個發酵設備課程實驗體系的拓展與精粹，實驗各組同學可利用當前通暢的交互式網絡平臺(微信、QQ等)，采用辯論形式將實驗和相關討論不斷深入，借此使理論與實踐融合，使學生建立辯證、科學、包容的認知體系[10-11]。

1.4 實驗報告的撰寫

實驗報告是課程實驗的書面成果，應把握其科學性、規范性以及創造性[12-13]。要求學生掌握必要的科技論文寫作技巧，讓自己的實驗結果清晰、明確地表達，以利于分享、交流。通過對實驗數據的整理、分析和歸納，從中找出規律。

2 實驗考核與成績評定

發酵設備課程實驗主要目的是培養學生運用所學理論解析或指導實踐的能力。因此，實驗成績不應以實驗結果正確與否作為唯一根據，否則會引導學生選擇現有成熟的方法及實驗設計，以求結果的可靠性，達不到培養學生工程素質的目的。因此，實驗成績評定還要加入評價立題是否有新意，設計方案是否合理[14-16]，等內容。另外，還將學生在實驗過程中操作能力及創新精神等內容納入實驗成績中。將實驗數據與實驗分析、結論分離，實驗數據在實驗課后立即上交，學生用手機拍照對各自數據進行留存，實驗結論依據數據思考或查閱相關資料獲得，避免實驗數據更改，報告抄襲；同時在實驗簽到本上記錄學生上交數據的先后次序，以此作為實驗過程成績的一項，督促學生認真預習，積極實踐。

實驗后，增加15 min的抽選提問考試，鞏固實驗效果。采用一些開放性測試題，題目圍繞小型自動發酵罐實驗過程易出現的問題，進一步考核學生對發酵設備結構的熟悉程度，成績計入立題報告，例如：利用發酵控溫系統管道將循環水導入發酵罐內的閥門控制方案；發酵系統的空壓機設備故障，供氣量降低為正常值的50%，如何調整設備控制，降低發酵失敗風險；全混式通風攪拌器在發酵過程中攪拌槳葉脫離，如何進行系統調整；針對小型發酵罐絲狀菌培養易繞軸及檔板的設備改動問題等。實驗小組成員充分討論，上交考核答案采用卷面和視頻兩種方式，強調實罐操作能力和工藝與設備結合能力。培養能做、會寫、懂結構繪圖，逐步養成能討論、知協作、懂分享的團隊精神。最終實驗成績按預習報告40%、實驗過程30% 和實驗報告30%的比例計算。

3 結 語

發酵設備課程實驗的工程問題是基因、細胞、環境3方面相互作用影響的最終結果，具有一定的波動性和難以預測性，學生獲取實驗結論與以往大部分理科實驗具有明確、清晰、可預期的結果不同，導致實驗積極性不高。在教學環節中特別注重這一方面，首先在通過錄制、分享設備基礎結構、使用方法的小視頻，方便學生靈活、自主學習；綜合性實驗實施之初，認真審定內容，預先要求學生思考可能出現的實驗現象；實驗中，強調認真記錄數據；實驗成績不僅憑實驗報告，還考察學生對工程設備問題的理解程度。建立容錯系統，鼓勵學生創新，支持學生將基礎學科知識應用于發酵設備或解決某一現實問題，提倡學生團結協作，合力完成同一主題下的若干個分支實驗，以培養學生的團隊意識和團隊精神；同時，亦建立誠實、誠信的實驗品質，避免抄襲或臆造實驗數據。實驗教學改變以往循章按時的實驗教學方式，采用開放式實驗管理，既激發學生興趣和自主創新能力，又解決貴重實驗設備單臺套數少與學生集中實驗要求多的矛盾，提高了實驗室和設備的利用率，也完善了實驗室的管理。