基于STEM 理念的工業微生物育種學課程教學改革

朱筆通，藍榮萍，吳振增

（武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300）

隨著生命科學研究的深入，大量生物相關技術不斷涌現，在近年來諾貝爾獎頒布中，這些科學技術與發現占據主要獎項，成為當今科學研究的焦點，生命科學的學習與研究將是引領新時代工業革命的關鍵[1]。生物工程及相關技術是生命科學的核心，亦是解決當下人類面臨的糧食、能源和環境三大問題的關鍵途徑。工業微生物育種學屬于生物工程的新興學科，是各大院校生物相關專業的選修課程或必修課程之一，其是集微生物學、分子生物學、發酵工程和基因工程關鍵知識理論于一體的重要學科[2]，核心內容包含優良菌株選育和構建、菌株性能改造及相關分子操作技術、菌株培育和大規模生產，是將微生物應用于食品、生活、工廠生產和醫療衛生等領域的關鍵技術學科。尤其是當前疫情背景下，對于工業微生物育種學及其相關學科的研究、理解、掌握和發掘，將對新冠肺炎疫情的進一步了解、防控、治療發揮重要作用。因此，微生物育種是工業生物技術至關重要的技術，也成為最受關注的生物技術領域之一。

STEM全稱 Science、Technology、Engineering and Mathematics，即科學、技術、工程和數學四門學科一體化，其教育理念是以探索和設計為目的，并對技術問題的解決途徑進行探索[3]。該理念于20 世紀末由美國教育學家提出，其形成原因主要來自于當時教育模式背景下，多數畢業人才的科學素養及工程背景嚴重缺失，無法適應社會發展的需求，出現了科研人才、工廠技術人員斷層的趨勢[4]。因此，教育學家提出科學、技術、工程和數學集成戰略，其主要的目的在于培養一批具有高學科素養型的專業技術工作者、數學家、工程師、科研工作者和高素質公民。同時，該理念并非簡單地將四門學科內容堆疊打包，而是學科之間有機地交叉融合，其具備跨學科、實證性、趣味性、協作、情境性和藝術性等核心特性，使得學習者擁有健全的知識網絡體系、扎實的基礎操作能力、完善的工程設計能力，能夠獨立發現、分析和解決問題，從而培養出社會適應性、應用型工科背景的人才。眾多研究表明，相比于原始的教學理念，STEM 理念運用于學科教學將極大提升學生對于學科的掌握程度和實際應用能力，該理念的理解與運用，是響應國家倡導的普通高校向應用型本科高校轉型的重要途徑之一[5-7]。

一、工業微生物育種學教學現狀

（一）涉及相關學科知識多，串聯難度大

工業微生物育種學是一門集理論知識與實驗操作于一體的綜合性學科，涉及知識包含生物化學和遺傳學基本原理，微生物學理論和基礎操作，分子生物學和基因工程中基本原理和分子操作，代謝工程的基本概念和代謝途徑，發酵工程中菌的發酵、發酵相關設備的設計和發酵參數計算，眾多學科知識的交匯和較高的實驗技巧要求，使得學生對于如何選育良好微生物，設計對應培養基，遺傳改造，微生物產品小、中、大規模生產等抽象的操作概念無法充分理解和消化。傳統教學中，面對眾多基本概念和復雜操作，教師通常以關鍵的理論和操作環節進行講解，由于講解時的抽象性和多學科知識的交織，學生較難及時跟上教師的講解，最終學生感到吃力和乏味，產生厭學心理，注意力分散嚴重。另外，由于近年來生命科學研究的飛速發展，許多在工業微生物育種中的新興觀點和理論，如采用生物合成學方法利用微生物合成淀粉，該方法包含代謝工程和基因工程等知識，可極大地縮短淀粉合成時間、合成步驟和場所[8]；利用基因工程手段、有機化學、KEGG 代謝通路分析等原理，通過微生物合成稀有藥物成分等學科交叉的新方法技術[9]均無法在普通教學之中深入討論和展開，需要學生發揮自主能力，因此如何引導學生主動進行學習和探索，形成良好的知識體系和學科交叉概念極其重要。

（二）實踐能力薄弱

盡管在微生物學、生物化學和分子生物學等課程中，學生已學習了相關學科的基本實驗操作，對分子操作和微生物培育有一定的概念和理解，但一方面，本學科時間安排上的局限性和對于理論知識講解的偏重，使得學生實際上無法真實地理解講解中操作步驟的目的性和解決操作中遇到的細節性難題。如簡單地讓學生篩選淀粉酶產生菌，學生對于環境樣品的選擇、富集培養基和選擇培養基的配制目的、培養條件的掌控、平板劃線操作技巧、篩選菌株后透明圈的鑒別及相關酶活性的測定等實驗操作均無法良好地說明操作細節和各個環節原理知識，實際操作上通常很難篩選得到目的菌株，篩選到可能的目的菌株后仍然會將其視為雜菌的尷尬境地。由于缺乏實際實驗的操作技巧和經驗積累，學生很難做好菌株鑒別、菌株篩選、基因工程操作等本學科基礎技術，由于實踐能力的缺失，學生對于理論知識永遠停留在知識的背誦和應付考試環節，知識的運用和動手操作能力近乎為零，無法真正將實踐和理論聯系為一體，最終導致理論和實際相互背離，學生對于專業學科信心進一步缺失，自主創新能力受到限制。

（三）工程設計環節缺失

本課程學習前，多數院校學生基本已學習前置課程發酵工程基本理論知識，然而工業微生物育種學課程除了涉及微生物育種的基本原理和方法外，對于所選育并經過遺傳改造物種的中試發酵生產和發酵產物的篩選等知識環節處理基本一筆帶過，當涉及相關的菌株培養基原料、發酵設備、發酵條件優化，菌株的實際生產等方面，學生仍然無法針對特定的菌株或特定的發酵條件進行工程設計和工程制圖。最終，學生無法將菌株的選育和發酵有機地聯系起來，背離工業微生物課程對于選育優良微生物運用于工業生產的初衷，使得育種與工業生產相互隔離，最終對于課程的知識理論的運用延伸性和知識的轉化效果起到相反的作用，學生無法將工業生產和菌株選育真正地結合成一個完整的鏈條。

（四）教學方法和評價方式過于局限

當前工業微生物育種學課程教學仍然采用普遍的教學模式，以及教師講授課程知識，學生聽課記筆記，然而由于該課程涉及多學科知識和操作原理，僅僅通過上課講解的形式學生幾乎無法全面地掌握本門課程的方法思路，更不可能在操作和問題處理上有任何的幫助。由于過于枯燥和復雜的學科知識，學生普遍感覺到課程存在過多無法真實觸及的理論和操作，最終僅僅以通過學期考試為目的，對課程知識點和操作死記硬背。在這種模式下，學生無法將所學的知識真正整合形成完整的知識框架，更無法真正運用學科的知識原理在生產實踐中發揮作用，這種以教師為單方面的傳授者，學生被動甚至無自主學習意識，無任何探索和實踐想法的教學模式，最終將不利于培養熟悉生物工程原理操作的應用型人才。同時，該門課程對于學生知識掌握的評價方式過于傳統單一，通過期末試卷考核的方式對學生知識掌握進行評價，這種僅以分數論高低的方式，無法評價本門課程中學生所掌握的篩選育種思路和實踐操作能力，更無法引導學生掌握和探索前沿的方法技術，降低學生學習的主觀能動性，更偏離引導應用型工科人才實踐出真知的精神。

二、STEM 理念在工業微生物育種學教學改革的應用

（一）培育科學素養，聯系前沿進展

本節內容關鍵在于培養學生遇到學科問題時，不是僅僅通過百度等搜索引擎以非專業的方法解決或回答學科專業提問，而是以科研文獻和書本材料作為支撐，具備基礎的科學素養。當前工業微生物育種學相關的教材主要包括金志華主編化學工業出版社出版的教材《工業微生物遺傳育種學原理與應用》，兩部由科學出版社出版的，施巧琴等主編的《工業微生物育種學》和盛祖嘉主編的《微生物遺傳學》，這三部書本知識點覆蓋了工業微生物的育種原理和方法，具有良好的引導作用，但書本的知識原理僅通過教師口頭講解，實例應用講解有限，很難使學生完全地掌握并運用于實際，同時普通教學方式也難以覆蓋當前與微生物育種相關前沿研究進展，學生對于學習的思考、探索將會局限在教師的課堂內容上。因此，本文采用啟發式教學方法結合文獻搜索方法（百度學術、萬方、知網等），以每章節的主要內容為關鍵問題，如第一章緒論中的關鍵問題：（1）工業微生物類型有哪些，在生活中有什么應用；（2）遺傳育種是什么，研究進展如何；（3）遺傳育種的學習方法有哪些。每節課讓學生分組選擇其中一點于課前對上課內容進行知識點整理、文獻查詢和PPT 匯報工作，匯報分為幾部分：所了解的知識點及文獻與生活/生產的聯系；近幾年來的研究情況或應用實例；解決該問題的方法及原理；個人想法及思考。通過事先的學科關鍵內容的提問，同學資料查閱及回答，學生的反思和總結，凝練本章節內容，最后教師在學生的總結和反思的基礎上進行補充完善，以此調動學生自主思考和學習的積極性，培養學生學科興趣，養成良好的文獻閱讀習慣，緊跟學科研究前沿，了解學科動態和關鍵研究方法，在學習知識的基礎上同時掌握解決學科問題的關鍵原理和方法。

（二）鍛煉技術素養，增加實驗環節

本節內容在于鍛煉學生的知識運用、動手操作能力和創新精神，而非限于課上抽象的操作步驟分析和操作內容講解。課程擬通過增加30 學時實驗課時，在前期查閱文獻，總結實驗方法和技術、書本知識總結等基礎上開展實驗課程，為保證學生有充分的時間，我們提前四周布置實驗方案撰寫和匯報工作，題目以“特定產物產生菌高產菌株的選育和初級發酵”為模板讓學生分組并自由擬定課題，不得重復，讓學生將實驗方案設計完成后以PPT 匯報形式進行講解和分析實驗的原理、方法、操作要點、可行性分析和預期目標，并將Word 形式的實驗方案上交，教師通過其PPT 講解和Word 版資料進行總結和改正，直至修改完善合理后，學生可有序進入實驗階段，每個試驗階段獲得的結果（階段包括：菌株的篩選與鑒定、高產菌株的選育、發酵過程優化、產品產量鑒定）與反思均共享至班群中作為參考及個人感悟，通過實驗方案的設計和講解，讓學生充分將所學的知識原理運用于實際中，鍛煉學生實踐能力和操作技巧，并鼓勵學生創新思維和團隊協作。

（三）磨煉工程素養，虛擬仿真與實地考察

本節內容在于鍛煉學生工程素養，使學生理解微生物育種中涉及的發酵工程具體儀器、操作和工程運作。工業微生物育種學強調較強的實際運用性，在理論課與實驗課的補充條件下，學生擁有較好的理論運用于實踐的概念，然而由于教學條件與實驗室條件的局限性。學生對于所育種獲取微生物的工業運轉了解不充分，課本及網絡資料無法直觀地體現該方面內容。因此，本課程主要通過以下三個方面加強學生對于微生物育種涉及的發酵工程概念：（1）在學生已掌握工程制圖課程的基礎上，讓學生在本章（二）的實驗題目背景條件下，參照相關文獻，設計完整的生產線，題目為“年產X 萬噸某原料工廠發酵車間的設計”，讓學生初步了解利用育種獲得的微生物發酵生產的基本流程和相關工程設備，使其具備微生物菌種運用于工業發酵的基本概念；（2）依靠武夷學院教學平臺所具備的虛擬仿真實驗室，通過設定3D 發酵工廠認知、發酵工廠無菌空氣制備、板框過濾工藝、發酵工廠二級種子培養、大腸桿菌發酵反應工藝、畢赤酵母菌發酵反應工藝、啤酒生產工藝和霉素發酵反應工藝等主要八個虛擬仿真課程讓學生模擬操作菌株發酵各個流程和相關設備，并將自己設計的工程流程圖與虛擬仿真中的設備及流程作比對，修改或調整工藝流程，進一步認知微生物發酵工程；（3）在學生已經具備一定的工程認知后，借助閩北當地優質產業，如綠康生化、正大生化等微生物發酵龍頭企業，讓學生進行實地的觀察和學習，通過一段時間的實地實習讓學生進一步了解微生物育種的實際運用和發酵實際設備及其運行。另外，通過與技術人員的交流，實驗室講解，了解工業微生物育種主要的技術手段，尤其是遺傳改造及可能存在的生產問題等，加深學生對于課程的反思和感悟。

（四）建立數學素養，引入統計學概念

工業微生物育種學除了要求學生具備過硬的知識體系、動手實踐能力及具備一定的工程認知和儀器操作能力外，數據的分析和處理貫穿了整個過程。在初步的微生物環境樣品選擇中涉及五點采樣法、土壤微生物宏基因組分析，微生物篩選鑒定過程中涉及底物降解、產物生成標曲曲線，微生物遺傳改造涉及基因突變、雜交育種、基因重組，微生物發酵涉及發酵條件優化和設備參數設定等關鍵操作離不開生物統計學方法的分析應用，同時由于生物實驗通常必須含有對照組和實驗組，且每組均需設定三個平行以追求數據的可靠性和可重復性，因此數學計算在微生物育種任一過程中，均是至關重要的。本課程在教學課程中，單獨拿出兩個課時的時間讓學生學習SPSS 軟件的基礎操作與運用，該軟件是主流的生物文獻數據分析最為常用的數據分析工具，通過該軟件學生可進行差異性分析（t 檢驗、方差分析、卡方檢驗等），多元回歸分析、因素分析、信效度分析等。SPSS 軟件的使用將使學生進一步掌握科學嚴謹的微生物選育方案合理化的設計和實驗數據處理，培養具備高數學素質的應用型人才。

（五）實行過程性考核方式評價學生

傳統的試卷考核方式更適用于檢驗學生對于純理論學科的掌握程度，然而微生物育種學屬于綜合性學科，試卷考核無法全面地體現出學生對于知識的掌握、理解及其應用程度。同時，該考核方式更容易使學生偏向于平時不聽課，期末臨時抱佛腳式的復習方式，不利于學生真正地理解和掌握知識。因此，本文采用考核方式為過程考核制評價學生的總成績，其期末成績分為平時成績（20%，按PPT 講解和總結給分）+實驗技能（20%，按實驗方案設計與實驗過程及結果處理給分）+工程設計及虛擬仿真操作（20%，按工程設計計算和作圖、虛擬操作得分進行綜合評價）+期末課程論文（40%），期末課程論文要求學生以特定微生物在工業/生活/醫藥中運用文獻綜述的方式進行撰寫，主要考核學生的資料查閱、理論理解、學科素養和科研論文撰寫等綜合能力。該評價方式將有利于培養學生綜合素養，提升學生學習主動性，較完整地評價學生對于學科的掌握和運用能力。

三、課程教學改革的關鍵問題

（一）多學科的銜接過渡

以STEM 理念為核心的工業微生物育種學培養模式更注重學生的綜合能力，即著重于培養學生科學素養、實驗技能、工程設計和數據運算處理能力，這些素養需要學生自身有一定的基礎訓練，因此需要學生在前置理論課程微生物學、基因工程、發酵工程、工程制圖及其配套的實驗課中有一定的掌握和學術水平，使得教師在理論教學和實驗講解上能夠更順利地進行，釋放更多時間用于學生實踐，以期達到最佳的教學效果。

（二）師資隊伍建設

STEM 的理念尤其注重學科的交叉、理論實踐及實際工科問題。因此學科教學要求教師不僅有良好的理論基礎和實驗能力，更要求教師需要有一定的企業背景，提供更實際、更貼切社會需求的經驗，因此本學科在教學中，除了以具備理論及工程學背景教師作為教學主體外，亦通過聯系企業工程師及職業技術人員作為特邀教師進行工程、生產方面的教學和實踐經驗分享，以此加強理論教學與實際生產間的聯系，保障學生能夠更好地理解本門課程。

（三）相關課程的建設與融合

由于工業微生物育種學學時和課程內容的局限性，單單通過本門課程的教學，并不能讓學生完全養成良好的學科素養，因此可以針對STEM 核心理念將相關的實踐活動和實踐課程融入其中，形成過渡性項目，使得各個學科專業之間能夠更好地契合和相互過渡，提升學生在各個學科中的學習積極性和專業素養。

四、結束語

新工科背景條件下，學校對于培養應用型本科人才的需求愈加強烈，STEM 核心理念在于培養學生核心素養，以期培育出多學科理論基礎扎實、科研創新能力卓越、具備能解決實際問題的綜合性人才。STEM 教育將能有效激發學生學習熱情和實踐能力，提升學生的核心素養，使學生適應社會的發展與需求。