虛實(shí)結(jié)合與自主設(shè)計(jì)教學(xué)情境在“發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”課程中的應(yīng)用
——以內(nèi)蒙古科技大學(xué)生物工程專業(yè)為例

盧慶華，盧 俊，王 蕾

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

內(nèi)蒙古科技大學(xué)生物工程專業(yè)立足內(nèi)蒙古、面向全國(guó)，針對(duì)發(fā)酵與生物制藥產(chǎn)業(yè)對(duì)專業(yè)人才的需求，培養(yǎng)掌握生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程核心技術(shù)有較強(qiáng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。近年來(lái)，專業(yè)堅(jiān)持以“工程教育專業(yè)認(rèn)證”理念為導(dǎo)向，努力為區(qū)域和社會(huì)培養(yǎng)生物發(fā)酵行業(yè)急需人才。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)越來(lái)越受到重視的新時(shí)代背景下，用人單位也更加看重大學(xué)畢業(yè)生在實(shí)際工作情境中創(chuàng)新能力的表現(xiàn)[1]。實(shí)踐教學(xué)是高校專業(yè)人才培養(yǎng)中對(duì)于工程能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于學(xué)生在工作崗位中解決工程實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新能力、實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)具有重要的意義[2]，這就對(duì)高校教師提出了新的要求，需要從教學(xué)理念與教學(xué)情境上大膽創(chuàng)新，提高學(xué)生積極性，使生物工程專業(yè)“發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”課程更適合時(shí)代發(fā)展的需要，建立適應(yīng)新時(shí)代的學(xué)生培養(yǎng)模式，使學(xué)生具備在實(shí)踐中初步分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)與就業(yè)崗位“零對(duì)接”的創(chuàng)新性高能力的人才，并為學(xué)生在職業(yè)生涯發(fā)展中能打下堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)[3]。自主學(xué)習(xí)是大學(xué)生涯中重要的特征之一，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生自主性是教學(xué)情境設(shè)計(jì)中需要重要考慮的因素之一。在內(nèi)蒙古科技大學(xué)生物工程專業(yè)課程體系中，“發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”是一門具有在應(yīng)用和實(shí)踐方面很強(qiáng)特點(diǎn)的工程課程，可以說(shuō)是理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐的橋梁，對(duì)于學(xué)生在工作崗位中解決工程實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新能力、實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)具有重要的意義[4]。

1 “發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”存在的問(wèn)題

“發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)雖然做了很多改進(jìn)，但仍存在一些問(wèn)題。例如，由于實(shí)驗(yàn)室面積有限，只能以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，影響實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)由教師全程指導(dǎo)，學(xué)生易產(chǎn)生依賴性，學(xué)習(xí)興趣不濃、主動(dòng)性不足，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力及動(dòng)手能力的培養(yǎng)尤為不利，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果而且差距較大，導(dǎo)致學(xué)生缺乏主動(dòng)性、積極性和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。基于此，生物工程專業(yè)已經(jīng)建成并逐漸完善的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前，啤酒實(shí)驗(yàn)室已建成并投入使用，小型好氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也逐步在完善，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。設(shè)備數(shù)量暫時(shí)不能同時(shí)滿足所有的學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不能同時(shí)操作，大多數(shù)學(xué)生缺乏積極主動(dòng)的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣，導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不熟悉。在發(fā)酵實(shí)驗(yàn)前期開(kāi)設(shè)中發(fā)現(xiàn)，即使教師在實(shí)驗(yàn)反復(fù)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)步驟，部分學(xué)生在操作過(guò)程中仍然不明所以。現(xiàn)階段可開(kāi)展的模擬生產(chǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目有限，目前僅開(kāi)展了基于實(shí)驗(yàn)室水平的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)大型發(fā)酵設(shè)備缺少感官認(rèn)識(shí)，對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)線認(rèn)識(shí)不足，缺乏對(duì)生產(chǎn)操作的訓(xùn)練，無(wú)法達(dá)到學(xué)校新型應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)[5]。因此，創(chuàng)新發(fā)酵實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)情境，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新能力、實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)具重要的意義。

圖1 發(fā)酵實(shí)驗(yàn)設(shè)備

發(fā)酵實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1。

2 虛實(shí)結(jié)合自主設(shè)計(jì)的教學(xué)情境

隨著信息技術(shù)發(fā)展，多媒體技術(shù)與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)的更加成熟，也愈加結(jié)合和應(yīng)用到實(shí)踐類教學(xué)過(guò)程中[6]。在實(shí)踐教學(xué)中不斷的摸索，從早期的手動(dòng)操作到教學(xué)視頻和動(dòng)手操作相結(jié)合，再到視頻、仿真和實(shí)操相結(jié)合。最終將教學(xué)視頻、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、自主設(shè)計(jì)和實(shí)操相結(jié)合的教學(xué)情境應(yīng)用于發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中。通過(guò)制作實(shí)驗(yàn)過(guò)程教學(xué)小視頻，利用網(wǎng)絡(luò)共享資源，打造虛實(shí)結(jié)合自主設(shè)計(jì)的教學(xué)情境。在教學(xué)過(guò)程中仍然以實(shí)操為主，因?yàn)樵趯?shí)操過(guò)程中學(xué)生可真實(shí)地感受到發(fā)酵產(chǎn)生過(guò)程是什么樣的，視頻和仿真只是頭腦中的概念，沒(méi)有真實(shí)感，在實(shí)操中可能會(huì)發(fā)生意想不到的問(wèn)題需要學(xué)生去解決，學(xué)生在實(shí)操中不僅能學(xué)會(huì)對(duì)工藝流程的操作，還能提高解決突發(fā)問(wèn)題的能力。所以，采用了這種“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方式[6]。

2.1 制作教學(xué)視頻，讓學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程

把實(shí)驗(yàn)的操作單元錄制成小視頻，上傳到一些網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)之前學(xué)生先通過(guò)視頻學(xué)習(xí)來(lái)了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程。目前，啤酒生產(chǎn)工藝流程的小視頻已入選由吉林大學(xué)主編、多校聯(lián)合建設(shè)的“生物學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技術(shù)與方法”數(shù)字課程。這些視頻的展示，能較全面地顯示實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和細(xì)節(jié)，學(xué)生還可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)鞏固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作，這樣能更有效地幫助其掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作[7-8]。

啤酒生產(chǎn)視頻見(jiàn)圖2，啤酒品鑒視頻見(jiàn)圖3，好氧發(fā)酵操作視頻見(jiàn)4。

圖2 啤酒生產(chǎn)視頻

圖3 啤酒品鑒視頻

圖4 好氧發(fā)酵操作視頻

通過(guò)提前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的視頻學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)有更多的時(shí)間交流，解決疑惑、鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。還可以通過(guò)協(xié)作的方式拓展設(shè)計(jì)模擬生產(chǎn)綜合實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生新想法，擴(kuò)展學(xué)生的創(chuàng)新思維和提升他們的創(chuàng)新能力[9]。

2.2 利用國(guó)家虛擬仿真平臺(tái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是利用信息化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)耗材與儀器、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的模擬仿真[8，10]。利用計(jì)算機(jī)營(yíng)造與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景相似的畫面與空間，以達(dá)到輔助部分或全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境的軟硬件環(huán)境。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。

目前，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)中能夠用于生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的已經(jīng)有50 多個(gè)，特別符合發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的有白酒、啤酒，抗生素、燃料乙醇等。可利用國(guó)家虛擬仿真平臺(tái)，完成與發(fā)酵生產(chǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，學(xué)院生物工程系與東方仿真合作完成了阿維菌素生產(chǎn)的仿真模擬。學(xué)生可對(duì)整個(gè)工藝流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)反復(fù)操作訓(xùn)練，且可通過(guò)“試錯(cuò)”來(lái)了解“后果”，在實(shí)際操作中提高規(guī)范生產(chǎn)和安全意識(shí)[11]。

2.3 打造教學(xué)視頻、虛擬仿真、自主設(shè)計(jì)和實(shí)操相結(jié)合的“組合拳”教學(xué)情境

①課前視頻學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)情境。②學(xué)生在教師的指導(dǎo)下查閱文獻(xiàn)，初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步結(jié)合仿真模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的求知欲。③上罐發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程控制，發(fā)酵成熟之后進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)，使學(xué)生更好地掌握發(fā)酵單元操作及產(chǎn)品分析，突出實(shí)踐能力培養(yǎng)。

發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法見(jiàn)圖5。

圖5 發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

虛實(shí)結(jié)合自主設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方法，是在傳統(tǒng)的教師講授、學(xué)生操作的基礎(chǔ)上，充分利用多媒體及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等現(xiàn)代化教學(xué)手段，提高教學(xué)效率，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)發(fā)酵知識(shí)的掌握。同時(shí)，把設(shè)計(jì)研發(fā)的成果轉(zhuǎn)化為真正的產(chǎn)品，提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新動(dòng)力。創(chuàng)新和發(fā)展了發(fā)酵工程類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式轉(zhuǎn)向虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)新模式。體現(xiàn)“玩中學(xué)”“做中學(xué)”，通過(guò)教學(xué)視頻和仿真模塊激發(fā)了學(xué)生的興趣并提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

3 教學(xué)效果

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)情境不僅能夠彌補(bǔ)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)不佳和實(shí)踐設(shè)備不足的缺點(diǎn)，利用建設(shè)視頻學(xué)習(xí)和國(guó)家開(kāi)放虛擬仿真平臺(tái)，夯實(shí)學(xué)生對(duì)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)踐操作技能的理解和掌握，還可避免在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于操作失誤導(dǎo)致的安全問(wèn)題[6]。通過(guò)打造教學(xué)視頻、虛擬仿真、自主設(shè)計(jì)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“組合拳”這種教學(xué)情境，使學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新能力、實(shí)踐操作能力都得以提升。這種“組合拳”方式的教學(xué)情境，也能解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)教師全程指導(dǎo)的依賴、學(xué)習(xí)興趣不濃、主動(dòng)性不足的問(wèn)題。通過(guò)校內(nèi)學(xué)生對(duì)課程的滿意度調(diào)查發(fā)現(xiàn)，98%的學(xué)生對(duì)“發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式非常滿意，調(diào)查結(jié)果分析見(jiàn)圖6。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)也比較理想，通過(guò)課程目標(biāo)達(dá)成度分析可知，3 個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成情況都在85%以上。

圖6 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果見(jiàn)圖6。

“發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”課教學(xué)體系及內(nèi)容的改革得到了學(xué)生們的認(rèn)可，讓學(xué)生真正成為了實(shí)驗(yàn)的主角[12]、學(xué)習(xí)的主體。線上線下和自主設(shè)計(jì)的結(jié)合，使每個(gè)學(xué)生都能真正參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合自主設(shè)計(jì)，把最新的前沿知識(shí)傳遞給學(xué)生，不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，還提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力[13]。