生物工程發(fā)酵實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

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摘要:高?？萍紕?chuàng)新能力和人才培養(yǎng)質(zhì)量同等重要，實(shí)踐課程對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起了重要作用，而發(fā)酵實(shí)驗(yàn)是生物工程專業(yè)課程體系中重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過幾年的教學(xué)改革實(shí)踐，逐漸形成了以促進(jìn)科技創(chuàng)新為導(dǎo)向，教學(xué)、就業(yè)和科研相結(jié)合，應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程體系，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，提高了學(xué)生利用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)分析和解決問題的科技創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:發(fā)酵實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué);科技創(chuàng)新

1以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程體系

我校地處內(nèi)蒙古包頭，周邊的制藥企業(yè)較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)生物專業(yè)的學(xué)生有60%以上就業(yè)于內(nèi)蒙周邊的與專業(yè)對(duì)口的制藥公司，這一就業(yè)方向要求發(fā)酵實(shí)驗(yàn)課程必須與實(shí)際產(chǎn)生結(jié)合更緊密，這樣學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握［6－7］。這樣的話，學(xué)生可提前對(duì)生產(chǎn)工藝有初步了解，才能更快的適應(yīng)工作要求;同時(shí)生物工程考研的學(xué)生也較多，生物工程專業(yè)多名專任教師在生物質(zhì)能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事微生物方向的研究，所以發(fā)酵實(shí)驗(yàn)也要體現(xiàn)科技研究成果，使教學(xué)和科研相結(jié)合，也使整個(gè)專業(yè)的學(xué)生都對(duì)科技創(chuàng)新有所了解，而不是只有部分學(xué)生可以接觸科研。這也為將為可能從事研發(fā)工作和讀研的學(xué)生奠定了堅(jiān)實(shí)的科技創(chuàng)新基礎(chǔ)。因此，課程的教學(xué)目標(biāo)圍繞科技創(chuàng)新和就業(yè)創(chuàng)業(yè)展開。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程改革實(shí)施過程中注重多給以學(xué)生創(chuàng)新思維的鼓勵(lì)和支持，注重學(xué)生科技創(chuàng)新能力及科研素養(yǎng)的養(yǎng)成和提高，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力［8－9］。

2搭建生物工程發(fā)酵科技創(chuàng)新平臺(tái)，優(yōu)化和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和教學(xué)模式

為了充分發(fā)揮我系人才和學(xué)科優(yōu)勢，搭建了生物工程發(fā)酵科技創(chuàng)新平臺(tái)，在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行不斷的優(yōu)化和調(diào)整始終為科技創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)為中心，2015年開始執(zhí)行改革后的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，取得了良好的教學(xué)效果。生物工程發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的改革創(chuàng)新主要由以下內(nèi)容。

2.1增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課時(shí)

發(fā)酵實(shí)驗(yàn)是以科技創(chuàng)新和就業(yè)創(chuàng)業(yè)方向?yàn)閷?dǎo)向，依據(jù)生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程的特點(diǎn)和流程，安排了以金色鏈霉菌作為實(shí)驗(yàn)菌種，把菌種的傳代培養(yǎng)、發(fā)酵種子培養(yǎng)、搖瓶發(fā)酵、發(fā)酵罐發(fā)酵一個(gè)系列過程連續(xù)起來，使學(xué)生清晰的掌握實(shí)際的生物產(chǎn)品發(fā)酵過程操作所涉及到的基本環(huán)節(jié)。為了進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的重視程度，改革后的人才培養(yǎng)方案增加了課程的學(xué)時(shí)數(shù)，由32學(xué)時(shí)增加至40學(xué)時(shí)。內(nèi)容在原有金霉素發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又增加了青霉素生產(chǎn)的仿真模擬和厭氧發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)，厭氧發(fā)酵即啤酒的發(fā)酵，而且實(shí)驗(yàn)室新購置了一套半自動(dòng)化的中式啤酒生產(chǎn)裝置，這樣學(xué)生可以更系統(tǒng)的了解和掌握發(fā)酵的過程。此外，還以生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究方向開設(shè)了降解木質(zhì)素的菌種降解蘆葦并制漿的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步了解微生物在工業(yè)上的應(yīng)用前景。

2.1.1啤酒教學(xué)內(nèi)容與設(shè)備

(1)教學(xué)內(nèi)容啤酒實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是提升學(xué)生系統(tǒng)的應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)，還要培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新和獨(dú)立思考的能力。啤酒發(fā)酵是可以采用不同原料的，所以在教學(xué)中，采用自選原料設(shè)計(jì)來產(chǎn)生新產(chǎn)品;不同方式的糖化設(shè)計(jì)、不同發(fā)酵時(shí)間和壓力的設(shè)置;以及對(duì)酒花的添加量，次數(shù)和時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)來改變啤酒的口味。發(fā)酵過程中定時(shí)取樣分析發(fā)酵液中糖度、酒精、雙乙酰等物質(zhì)的變化;發(fā)酵后對(duì)啤酒進(jìn)行色度、泡沫、香氣、口味、其他異味等方面的風(fēng)味評(píng)價(jià)［10］。使學(xué)生對(duì)啤酒發(fā)酵有了系統(tǒng)的了解，并掌握了啤酒發(fā)酵的工藝和設(shè)備的使用。尤其是能喝到自己設(shè)計(jì)和釀造出來的產(chǎn)品，學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)干的積極性都非常高，積極主動(dòng)的去設(shè)計(jì)方案，解決問題，從而形成學(xué)生獨(dú)立思考、自主操作的創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。(2)教學(xué)設(shè)備學(xué)院為啤酒設(shè)備配備了單獨(dú)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備有粉碎機(jī)一臺(tái)，70L的糊化鍋1臺(tái)，100L糖化鍋一臺(tái);100L過濾槽一臺(tái)，4個(gè)100L錐形發(fā)酵罐，一臺(tái)制冷機(jī)，消毒車，啤酒灌裝機(jī)和純水系統(tǒng)等。中式裝置和實(shí)驗(yàn)室的小實(shí)驗(yàn)相比，不確定性很大，在操作過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，比如粉碎顆粒大小，糖化鍋堵塞，糊鍋，發(fā)酵過程中不保壓等，都需要現(xiàn)場解決，這樣不僅鍛煉了學(xué)生的操作能力，還提高學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。糊化鍋和糖化鍋在使用時(shí)要高溫煮沸，設(shè)備要用3%的NaOH或3%的H2O2進(jìn)行清洗和消毒。NaOH和H2O2具有一定的腐蝕性或氧化性，在清洗消毒時(shí)需認(rèn)真檢查管線的連接，確定是否有泄露等［11］;使用氧氣罐時(shí)注意防明火;通過這些操作來提高學(xué)生的安全意識(shí)。2.1.2仿真模擬實(shí)驗(yàn)金霉素的實(shí)驗(yàn)只是實(shí)驗(yàn)室三角燒瓶的培養(yǎng)和發(fā)酵，與實(shí)際生產(chǎn)有很大的差距，所以又配套了青霉素生產(chǎn)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生每5人一組，一人一機(jī)，操作時(shí)間利用課余時(shí)間，只要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)操作即可。

2.2在實(shí)驗(yàn)課中建立翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式

翻轉(zhuǎn)課堂是一種混合使用技術(shù)和親自動(dòng)手活動(dòng)的教學(xué)環(huán)境，在翻轉(zhuǎn)課堂中(典型的課堂講解時(shí)間由實(shí)驗(yàn)和課內(nèi)討論等活動(dòng)代替)而課堂講解則以視頻等其他媒介形式由學(xué)生在課外活動(dòng)時(shí)間完成［12－13］。以前我們的實(shí)驗(yàn)課都是教師準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)材料及相關(guān)用品等，教師講解實(shí)驗(yàn)原理和方法及操作步驟，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟開始做實(shí)驗(yàn)。這樣的話，導(dǎo)致部分學(xué)生沒有認(rèn)真聽講，實(shí)驗(yàn)過程中錯(cuò)誤頻出。傳統(tǒng)的教學(xué)模式，缺乏學(xué)生的主動(dòng)參與，尤其對(duì)于生物發(fā)酵實(shí)驗(yàn)課學(xué)生不能真正地互動(dòng)起來，學(xué)生只知道做什么，不知道為什么，實(shí)驗(yàn)也只能是機(jī)械地操作，而且講授又占據(jù)了大部分課堂時(shí)間。針對(duì)這種情況，我們建立了主動(dòng)的課堂教學(xué)模式，即翻轉(zhuǎn)課堂的模式，但翻轉(zhuǎn)課堂不應(yīng)是簡單地將課堂授課內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課堂之外，而是要將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)做一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生真正了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)感興趣。(1)提前講授。以往老師是在開始實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行單個(gè)實(shí)驗(yàn)的講解，學(xué)生不知道下一個(gè)實(shí)驗(yàn)要做什么，而發(fā)酵實(shí)驗(yàn)多是連續(xù)性的綜合實(shí)驗(yàn)，所以學(xué)生會(huì)感到盲目。因此應(yīng)在開實(shí)驗(yàn)課之前，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，對(duì)所開的實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行串講，把各個(gè)實(shí)驗(yàn)做成PPT發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生系統(tǒng)的了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上學(xué)生自己去查閱相關(guān)資料，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓展實(shí)驗(yàn)思路。(2)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程。在開實(shí)驗(yàn)課之前，要對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，可以把學(xué)生分成若干組和老師一起來開展預(yù)實(shí)驗(yàn)，提前了解操作過程以及過程中可能出現(xiàn)的問題，這些學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)課中協(xié)助老師指導(dǎo)其他學(xué)生，每個(gè)實(shí)驗(yàn)可以找不同的學(xué)生完成預(yù)實(shí)驗(yàn)，這樣每位同學(xué)都有機(jī)會(huì)參與預(yù)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中成為助教的角色。這種方法可以大大的提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自覺性，提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力［14］。(3)分工合作。發(fā)酵實(shí)驗(yàn)是每2人一組共同完成，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，需要學(xué)生間分工合作。學(xué)生在此環(huán)節(jié)中不僅熟悉操作流程，還可以共同探索，有利于開發(fā)每一位學(xué)生的創(chuàng)造潛能，提高教學(xué)效率;更有利于培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)合作精神與人際交往能力。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是連續(xù)的，一環(huán)扣一環(huán)，前面的實(shí)驗(yàn)沒做好，直接影響著下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的開展，例如菌種沒有培養(yǎng)好就會(huì)影響金霉素的發(fā)酵等，因此學(xué)生操作時(shí)更加注意，責(zé)任心增強(qiáng)，這樣就培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)［8］。(4)開設(shè)時(shí)間。這一學(xué)期既有發(fā)酵實(shí)驗(yàn)也有生產(chǎn)實(shí)習(xí)，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)交叉開展，這樣學(xué)生把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和前期查閱的質(zhì)料在實(shí)習(xí)中得到驗(yàn)證，也能提高實(shí)習(xí)效率，同時(shí)還能補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容，充分發(fā)揮其想象力和創(chuàng)造力，起到事半功倍的效果。因此，這種課堂教學(xué)模式增加了學(xué)生思考、動(dòng)手和互動(dòng)的機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高學(xué)生的思維能力和科技創(chuàng)新能力。

3創(chuàng)新課程考核模式

發(fā)酵實(shí)驗(yàn)最后的結(jié)果體現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在以前的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占的成績了較大的比例，學(xué)生抄襲現(xiàn)象很嚴(yán)重，而且實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤學(xué)生并沒有認(rèn)識(shí)到。實(shí)驗(yàn)課的考核評(píng)定比理論課程復(fù)雜，改革后的考核模式是綜合評(píng)定，包括4個(gè)方面:(1)平時(shí)成績。包括出勤情況、對(duì)待實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生安全及對(duì)各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的參與程度都在考核之列［11］。對(duì)于主動(dòng)申請(qǐng)參與預(yù)實(shí)驗(yàn)的，在實(shí)驗(yàn)過程中能體現(xiàn)解決問題的主動(dòng)性、創(chuàng)新性的學(xué)生均給予加分。這部分成績占20%。(2)實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)技能成績是考核的主要部分，是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能掌握程度的把握，考察學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容是否清楚，操作過程是否熟練，以每人抽取一個(gè)操作過程進(jìn)行口述和演示的方式進(jìn)行考核。實(shí)驗(yàn)技能考核占50%。(3)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為了提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)與分析能力，要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行分析，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行分析，并以圖表表現(xiàn)出來。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，例如發(fā)酵不成功或產(chǎn)物較少等找出原因。采用這樣的考核形式，可以提高學(xué)生對(duì)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)課程的重視程度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新技能。

4實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

在教學(xué)與科研就業(yè)相結(jié)合的原則指導(dǎo)下，我們建立的這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研就業(yè)有機(jī)融合改革創(chuàng)新，有力地推動(dòng)了學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的開展，收到了明顯的成效［15］。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆趦蓪脤W(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行不斷的創(chuàng)新改進(jìn)，并對(duì)這120名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，有90%的學(xué)生認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提高了學(xué)習(xí)主動(dòng)性、去工廠實(shí)習(xí)感覺到有備而來，更好的熟悉了生產(chǎn)流程，還能有利于提出問題和發(fā)現(xiàn)問題。另外有35%學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)使他們對(duì)科學(xué)研究產(chǎn)生了興趣，并準(zhǔn)備提前進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展畢業(yè)論文。總之，融入這種翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式教學(xué)改革獲得了參加實(shí)際體驗(yàn)的學(xué)生的認(rèn)可。

5結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物工程教學(xué)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的連接點(diǎn)。為了充分發(fā)揮我系人才和學(xué)科優(yōu)勢，從2008年以來，搭建了生物工程發(fā)酵科技創(chuàng)新平臺(tái)，以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建了應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程體系。生物工程系對(duì)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不斷補(bǔ)充和完善，通過明確課程的重要性、精心選定課程內(nèi)容、加強(qiáng)考核等措施，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)和協(xié)作精神，尤其提高了學(xué)生利用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)分析問題和解決問題的科技創(chuàng)新能力。當(dāng)然這種模式也有不完善之處，如實(shí)驗(yàn)條件還相對(duì)不足，部分學(xué)生態(tài)度不認(rèn)真，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力較差，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果參差不齊，甚至部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)失敗等，這些都需要通過進(jìn)一步的改革促進(jìn)發(fā)展，在師生的共同努力下不斷解決和完善［14］。

參考文獻(xiàn)

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作者：盧慶華 李雅麗 王蕾 趙宏宇 單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院