發酵工程實驗課教學體系及內容的改革與探索

張 強，稽 冶

（長春理工大學生命科學技術學院，吉林長春 130022）

作為生物工程專業領域中重要的核心課程，發酵工程是現代生物工程和生物技術的重要組成部分，是實現發酵產品工業化生產的必要手段，因此發酵工程實驗在發酵工程教學中占有極其重要的地位[1]。近年來隨著工程教育專業認證理念的不斷深入，對工科專業的實驗教學提出了新要求，要求實驗教學重視培養學生工程素養和工程實踐能力。然而我們在實踐教學中發現，發酵工程實驗課內容和方法已不能適應新形勢下對人才培養的需要。實驗課程不系統、不連貫，內容孤立、并多為驗證性實驗,學生在實驗教學中較為被動，沒有發揮應有的主體作用。根據工程教育專業認證的要求，為了在發酵工程實驗教學中培養學生獨立分析問題和解決問題的能力，訓練學生科學的思維方法，學院對發酵工程實驗課教學體系及內容進行改革，即強化學生基礎性實驗技能，提高學生綜合性實驗技能，培養學生創新性設計實驗技能。

1 發酵工程實驗課存在的問題

發酵工程實驗課程通常安排在生物工程專業大三下學期，教學過程主要以教師為主，學生為輔。首先教師課前準備實驗及相關藥品器械，然后以“教師講、學生聽、學生做”為主。實驗課堂上教師會逐一講解實驗目的原理、實驗內容、實驗操作步驟以及實驗注意事項等，甚至會給出具體相關試劑的配制方法，比如所需緩沖液及培養基配比等，學生則是參照老師給定的實驗步驟完成實驗。這種程序化的實驗教學方法缺少了師生互動，造成學生缺乏學習主動性和創新性，實驗熱情和積極性不高。大部分學生按照實驗步驟機械性地完成實驗，而不思考實驗現象背后的原因，甚至對實驗原理等也含糊不清，往往造成實驗過后稀里糊涂，對實驗中出現的問題只知其一，不知其二。這種單一機械的實驗教學方式限制了學生發現問題、分析問題以及解決問題的能力，影響了學生創新創造能力的發揮[2]。另外，在發酵工程實驗課程開設之前，學生已經修完微生物學實驗和生物化學實驗等專業實驗課程，受到了比較系統的實驗操作技能訓練。但由于受到實驗設備、實驗條件以及實驗課時等多種因素的影響，使得有些學生無法親自進行實驗操作或懶于動手，造成了部分學生實驗基本操作以及儀器設備使用不規范的現象。針對上述出現的各種實際問題，我們重點對發酵工程實驗課教學體系及內容進行了改革，即強化學生基礎性實驗技能，提高學生綜合性實驗技能，培養學生創新性設計實驗技能，通過這些改革，旨在提高學生整體應用及創新能力。

2 實驗教學體系及內容的改革

2.1 強化學生基礎性實驗技能

發酵工程是一門實踐性和應用性很強的課程,是在學生學完微生物學、微生物學實驗、發酵工程等課程后開設的實驗課[3-4]。強化基礎性實驗技能的目標主要是使學生掌握常規發酵實驗儀器使用以及基本實驗操作技能。發酵工程實驗室常見的儀器設備包括滅菌鍋、超凈臺、離心機、培養箱、搖床、發酵罐等。通過實驗課上老師講解及演示，學生們的親手操作，使學生們了解熟悉常規儀器的原理及操作步驟。目前發酵工業中使用最多的就是發酵罐,因此正確使用發酵罐是進行發酵工業生產及研究的基本技能。在實驗教學中,我們通過現場講解實驗室的5 L 小型發酵罐,使學生熟悉發酵罐的基本構造和操作方法，并通過“酵母菌玉米酒精發酵”實驗，使學生熟悉和掌握實驗室小型發酵罐的基本操作流程，了解發酵罐滅菌、接種以及取樣等基本操作流程，并通過對pH 值、溶氧以及溫度的控制，了解發酵罐工藝參數的調控過程。通過基本實驗儀器的培訓，使學生熟悉儀器設備的工作原理和規范操作是非常必要的，不僅可以有效降低儀器設備的損壞率，而且有利于提高學生科研能力及科研效率。

發酵工程主要是利用微生物生長代謝活動生產各種產品,因此篩選發酵微生物以及優化菌體培養條件也是發酵工程研究的一項基本技能。菌體培養條件主要包括培養基的組成、溫度、pH 值等。在實驗教學中我們通過“糖化酶生產菌的篩選”實驗，使學生們掌握從自然界中篩選所需發酵微生物基本方法，同時能用合理的正交設計或響應面設計等方法進行菌體培養條件的優化。另外還鞏固了發酵工程相關的基本操作，如酒精棉球的制作、培養皿的包扎、培養基配制、滅菌、菌種活化、保藏及接種等，把這些基本操作技能有序地貫穿于發酵工程實驗課中。進一步強化和規范實驗儀器使用以及基本實驗操作是學生能順利完成后續2 項實驗技能的前提和保障。

2.2 提高學生綜合性實驗技能

綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程或相關課程綜合知識的實驗，目的是使學生能夠靈活運用所學基本理論和專業知識，結合基本實驗技能進行簡單的設計和操作，并能綜合運用各方面的知識來實現自己的設計[5-6]。綜合性實驗連貫性比較強，環環相扣，因此對學生要求也比較高，要求學生能夠綜合利用所學相關專業知識和實驗技能去完成一系列的綜合性實驗。

為滿足學生對不同知識的掌握，并根據目前生物工程行業發展的趨勢和特點，我們列出了3 個綜合性實驗：（1）黑曲霉發酵生產糖化酶及其活力測定，主要實驗內容包括黑曲霉菌種活化、擴大培養、發酵培養基制備、滅菌，發酵過程工藝調控、糖化酶提取及酶活力測定等；（2）玉米酒精發酵實驗，主要實驗內容包括活性干酵母菌種活化、玉米原料液化糖化預處理，發酵工藝調控、酒精蒸餾及酒精濃度測定等。以上兩個實驗,前者是好氧發酵，后者是厭氧發酵。通過這兩個實驗，使學生對好氧及厭氧發酵操作有了直觀全面的認識，并且掌握了在實驗室條件下從培養基配制到發酵調控以及產物提純的整個過程；（3）面包發酵，主要實驗內容包括面包酵母菌種活化、面團發酵、烤制，面包感官、口感評定等。本實驗增加了學生的興趣，學會了傳統發酵產品的制作，對于酸奶、蛋糕等其他發酵食品也有很好的借鑒作用，希望未來能夠對傳統工藝進行改造,增加傳統發酵食品的魅力。

通過上述綜合性實驗的操作鍛煉，使學生鞏固了發酵工程一般常規實驗操作技術，如發酵原料預處理、培養基配制、高壓滅菌操作、菌種分離純化、顯微鏡使用、發酵過程中的參數檢測及工藝控制等實驗技能。通過以上3 個綜合實驗操作,將整個發酵工程的知識系列化，學生對整個發酵工程課程的知識及實驗技能有了更全面的認識和掌握，進而鍛煉了學生綜合運用知識的能力，提高了學生綜合性實驗水平。

2.3 培養學生創新性設計實驗技能

傳統的實驗教學大多是學生按照老師講解，按照實驗講義做實驗,學生很少去認真理解實驗原理以及實驗方法。在學生們掌握了以上兩項實驗技能的基礎上，我們開設了設計性實驗。設計性實驗教學開設后，學生們不再是機械地做實驗，在動手之前,必須先動腦，這大大提高了學生的創造能力和創新能力[7-8]。

設計性實驗包括“選定研究方向—查閱相關文獻資料—制定實驗方案—實驗數據分析處理—實驗總結報告”五個步驟，也就是要求學生根據已定方向進行文獻查閱、擬定實驗方案、選擇所需試劑及儀器設備、完成實驗并寫出實驗報告,最后再由老師進行評論總結。在設計實驗教學中,結合我們專業特點及特色，我們開設了“產α-淀粉酶菌株的篩選”實驗。首先，讓學生查閱相關文獻，了解α-淀粉酶的相關知識及研究現狀；其次，選擇合適的菌株初篩和復篩方法，制定詳細的實驗方案；然后進行方案具體實施。通常菌株篩選是從土壤中進行，如何從自然界土壤中分離產α-淀粉酶微生物，學生通過自主設計菌種分離篩選實驗，在查找相關資料的基礎上，進行完整的實驗操作，最終培育篩選獲得在發酵中可以利用的產α-淀粉酶純菌種。然后對所分離的α-淀粉酶菌種進行選育、保藏以及復壯處理等。在此基礎上，還可進行產α-淀粉酶菌株培養條件的研究、α-淀粉酶提取工藝的研究以及α-淀粉酶活力測定等后續設計性實驗項目。在整個設計實驗過程中，學生不再像以往被動地按照老師給出的固定實驗步驟進行實驗，而是主動查閱資料，提出問題，并主動地發現問題和解決問題。從實驗材料準備、培養基配制、菌種的篩選、檢測等全部由學生自主設計完成。實驗過程中，如果出現問題,首先大家互相討論，通過查找文獻資料，尋找解決辦法。如果解決不了，老師再耐心的給予提示或解答。

通過上述的設計實驗，充分發揮了學生的主動性與創造性。學生在查閱資料、設計實驗方案的過程中，也進一步加深了對專業知識的理解，并通過實際操作訓練，培養了學生設計性實驗技能，開發了學生的創造性思維，提高了學生綜合實驗素質。同時實驗過程中，同學們互相配合，互相幫助,共同探討，樹立了學生間良好的協作精神和團隊意識。

3 發酵工程實驗課改革實踐效果及建議

為了檢查和評估發酵工程實驗課改革實施效果，對我院2017 級生物工程專業部分學生進行了調研。從調研結果來看,學生們對發酵工程實驗課教學體系和內容改革是認可的和滿意的，正如1 名同學在實驗報告中所寫：“通過本次發酵工程基礎實驗、綜合性實驗以及設計實驗的培訓，我不僅掌握了發酵工程實驗課程所要求的內容,更學會了如何進行科學研究和探索。雖然實驗過程中遇到了很多困難，但通過大家共同努力，最終解決了問題，完成了實驗，這次實驗我們收獲滿滿?！?/p>

當然,從調查中我們也收到了學生們提出的建議，經過我們歸納總結，主要體現在以下3 點。第一，實驗課時應適當延長。我們發酵工程實驗課為32 學時，尤其設計性實驗是一個耗時長、連貫性較強的實驗,需要學生有比較充裕的時間進行資料查詢及實驗設計，因此除了正常的實驗教學時間外,學生只能利用課余時間來完成，一定程度上也影響了實驗的正常進度，所以大多數學生明顯感到實驗時間不夠。第二，應增加相應的發酵實驗設備儀器。由于實驗人數較多，相應的實驗設備明顯不夠用，比如滅菌鍋、超凈臺等。第三，老師應加強對設計實驗的講評。部分學生對所獲得的實驗數據及結果進行分析時，明顯能力不足,尤其針對異常的實驗結果,部分學生只是機械地或籠統地進行分析,缺乏針對性，往往導致文不對題。針對以上這些問題，我們帶隊教師將認真研究和討論，在今后的發酵工程實驗教學中將逐步改進和提高。

4 結論

實驗課程教學是發酵工程課程教學工作中重要的環節，是理論知識運用到生產實踐的橋梁和紐帶。隨著工程教育專業認證不斷深入和對新型復合人才的需求,加強學生創新能力的培養將是發酵工程實驗教學的核心任務，實驗內容向綜合型、設計型實驗發展勢在必行[9]。

發酵工程實驗課教學體系及內容的改革得到了學生們的認可,避免了傳統實驗教學中學生“等”“靠”弊端，讓學生真正成為了實驗的主角。通過發酵工程實驗課程改革，學生們在主持及參與大學生創新創業項目、生命之光項目以及各類相關生物競賽項目等方面，無論參與人數,還是獲獎均較以往明顯提高。實驗過程中，雖然學生要投入較多的課余時間去準備實驗，付出辛苦,但學生卻毫無怨言,反而更加積極主動參與。學生普遍認為,發酵工程實驗培養了他們的科研興趣,提高了他們綜合運用知識的能力，對學生參與未來社會發展發揮了積極的促進作用。發酵工程實驗課教學體系及內容的改革還只是開始，未來還有更多的路要走。