試驗設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.黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學學術理論研究部，黑龍江大慶 163319；3.黑龍江八一農墾大學理學院，黑龍江 大慶 163319）

生物工程是實踐性要求很強的專業， 培養高素質、適應現代生物產業發展的復合型人才，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、 具備掌握科學設計和分析試驗的能力［1］。 但目前生物類專業的學生普遍工科基礎較差，尤其是試驗設計能力缺乏，成為阻礙創新型人才培養的瓶頸［2-3］。

試驗設計是以概率論和數理統計為基礎，結合試驗要求，通過經濟、科學合理地設計，利用少量試驗快速建立數學模型并找到最佳試驗條件的方法［4］。 試驗設計是高等農業院校農學、植物保護、生命科學、畜牧、獸醫和食品等專業的基礎課程。 在教學過程中，由于沒有課程實驗進行支撐，試驗設計課程講授內容與實踐脫節。 生物工程專業的學生對單純的試驗設計課程興趣低， 且數學基礎普遍較差［5］，很多學生只是被動地學習。 試驗設計課程邏輯性強、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計的精髓和相關軟件的使用［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， 包括培養基配制與滅菌、菌種的擴大培養、反應器內的傳遞、過程設計和反應器設計與控制等［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物的得率、實現過程的最優化，是生物技術產業化不可缺少的關鍵環節［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化非常重要。 將試驗設計與生物反應工程實驗中的微生物發酵培養基優化部分相結合，通過生物反應工程實驗課程的學習，讓學生系統掌握試驗設計的理論與常用的優化方法，同時掌握設計和分析軟件。通過該實驗課的訓練，增強學生的工程試驗設計和實踐動手能力。

1 試驗設計理論講授

1.1 常規試驗設計方法

常規試驗設計方法包括單因素試驗設計和正交試驗設計法，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學模型， 無法在整個區域上獲得因素的最優組合［12］。

1.2 Plackett-Burman 試驗設計與響應面方法

Plackett-Burman 試驗設計是由Plackett 和Burman 于1946 年提出的二水平析因設計，Plackett-Burman 設計能通過n 次試驗最多分析n-1 個因素對響應值的效應， 可以設置虛構變量以估算誤差［13］。 根據Plackett-Burman 設計的結果，通過比較各因素的顯著性水平， 得到關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化［14-15］。Plackett-Burman設計雖然不能考查各因素交互作用， 但能通過少數試驗， 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， 如發酵參數設置和培養基成分的確定等。

通過Plackett-Burman 試驗設計從眾多因素中確定重要因素后， 利用中心組合試驗設計和響應面分析的方法進行過程建模與優化［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。 中心組合試驗設計能通過旋轉正交試驗，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，獲得最優化條件。

2 教學改革實施內容

2.1 試驗設計的理論教學

實驗課進行前，讓學生查閱文獻，達到對統計學試驗設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計、 正交試驗設計、析因試驗設計、響應面試驗設計等基礎知識和統計學方法講授， 使學生了解各試驗設計方法的基本原理和優缺點，調動其積極性和創造性，系統地掌握最新的試驗設計理論與方法。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 試驗設計的關鍵內容

將試驗設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酵生產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酵生產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 設計，對影響芽孢桿菌生長的因素如裝液量、pH 值、接種量、培養溫度、碳源、氮源等進行評價，篩選對發酵過程有顯著影響的重要因子。根據試驗結果，通過比較各因素的效應系數和顯著性， 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域的水平，在最大響應區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系，在此基礎上，利用最優化理論求出模型的極大值， 確定枯草芽孢桿菌發酵生產表面活性劑的最優培養條件， 并通過試驗進行驗證。

2.3 統計學軟件的使用

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

2.4 課程效果的評價與考核

學生按小組完成試驗設計和操作，詳細記錄，對結果加以總結。 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計和統計學方法基本知識的理解情況，占50 分；試驗設計過程和結果分析部分占50 分，考查具體試驗設計的掌握情況。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容。

2.5 總結教學效果

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

3 總結

根據試驗設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計體系。 從以下幾個方面對課程的教學內容進行總結。

3.1 增強了學生對實驗課程的興趣和課堂參與的積極性

經過生物工程專業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計的精髓，掌握了理論知識和軟件的使用。多數學生的實驗課成績在80 分以上，學生反映通過試驗設計過程提高了實驗課程參與的興趣和積極性。

3.2 提高學生試驗設計和數據處理的能力

課程結束后， 針對教學效果和學生對試驗設計的掌握情況， 進行問卷調查。 共完成問卷調查150 份，包括40 名已畢業學生。 94%的學生反饋，通過生物反應工程實驗課程的學習， 對試驗設計有了更加深刻的認識。 該課程不僅增強了試驗設計的能力，也提高了分析問題和解決問題的能力。64.7%（97/150）已畢業的學生反饋，在讀研和工作階段仍然用到了試驗設計的方法， 且部分學生曾與老師有相關問題的探討。 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備的經歷， 對畢業后從事的工作有較大幫助，增強了就業競爭力。

3.3 教學過程中存在的問題

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

圖1 教學過程和試驗設計路線

4 結論

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學生工程基礎較為薄弱的特點， 將試驗設計的方法融入課程教學， 通過該課程的試驗設計與分析訓練、理論與實踐結合，提高了學生試驗設計、統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、科學的試驗設計方法，具備從紛繁復雜的影響因素中快速找出關鍵因子的能力，提高了學生的工程建模能力和創新能力， 達到應有的教學效果。