硕士研究生发酵工艺学实验教学的探索

杨雪霞 洪枫 曹张军 杨光

摘 要 实验教学是研究生培养的重要环节。研究生发酵工艺学实验课程开设有具必要性，从实验内容、学生能力培养、考评体系等方面对课程开设情况进行分析总结，为进一步提高该课程教学质量奠定基础。

关键词 发酵工艺学实验，研究生培养，实验技能

中图分类号：G622 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2012）23-0006-02

发酵工艺学是生物工程、生物化工和生物技术等专业学生的核心课程。它是在化学、生物学和化工基础课程的基础上开设的专业技术课，是将微生物学、生物化学、化工原理、生物反应工程、生化反应动力学等基础理论知识应用到生产实践中的桥梁课程。该课程既要阐明发酵工艺的基本知识和基本原理，又要重点突出生产工艺操作及过程控制等方面的实际问题，是一门实践性和应用性很强的课程。发酵工艺学实验是发酵工艺学课程的重要组成部分，通过发酵工艺学实验可以加强学生对发酵生产过程中所涉及的原理、技术、工艺等发酵理论基础知识的理解，提高学生的实践能力和创新能力，最终达到提高教学质量的目的。

一、研究生开设发酵工艺学实验课程的必要性

近年来，随着高等教育体制的改革，本科生和研究生招生规模不断扩大。与此同时，大量扩招造成部分院校师资力量不足，教学设施缺乏，教学质量参差不齐。以发酵工艺学实验课程为例，普遍存在如下问题：一是不同院校实验课开设质量差异较大。有些学校专业师资力量强，实验设施好，能开出综合性、创新性强的发酵工艺学实验课程，学生所受的训练专业而系统；而有些学校师资力量不足，实验设施缺乏，实验课程开设有困难。二是专业人数多，学生独立操作实验的机会少。有些院校专业招生人数偏多，尽管开设了发酵工艺学等相关实验课程，但大多是演示性实验，或小组有多名组员，学生独立训练机会少，学生做实验只是走过场。根据近年我院研究生的招生情况来看，大多数学生在本科阶段缺乏实验技能的培养。研究生阶段的学习强调综合素质和能力的培养，包括动手能力、实践中运用理论知识解决实际问题的能力、相互合作能力和总结表达能力等，实验教学是提高研究生综合能力有效途径之一。为减少研究生在本科阶段所学知识和专业训练上的差异，弥补本科阶段训练的不足，提高研究生的实验技能和创新能力，使其尽快适应研究生阶段的学习研究，我院为生物相关专业的研究生开设发酵工艺学实验课程。

二、实验内容设置

发酵工艺学实验在硕士研究生一年级开设，设为选修课程，教学时数32。学生来自多个不同的专业，有生物化工、生物化学与分子生物学、生物工程等专业，学生专业背景不同，知识结构和基础也差别较大。实验内容的设置既要考虑基本技能的训练，培养他们的实际动手能力，又要考虑科研思维和创新能力培养，提高他们的科研素养。结合现有实验条件和我院科研特色，目前课程安排了两个综合性实验：实验一为全自动机械搅拌发酵罐的使用及中性蛋白酶的发酵生产；实验二为气升式发酵罐的学习使用及细菌纤维素的发酵制备。所安排的这两个实验可以从以下几个方面训练培养学生。（1）学习使用不同类型的发酵罐。实验特意设计选择了机械搅拌式发酵罐和气升式发酵罐这两种不同类型的发酵罐，以加深学生对发酵罐构造的认识。机械搅拌式发酵罐是最常用的生物反应器，学生对这种类型的发酵罐了解较多，但气升式发酵罐一般实验室用的较少，学生对这种类型的发酵罐了解不多。两种类型的发酵罐结构和传质传氧不同，剪切力不同，适用的培养对象也不同。学生通过比较了解到不同反应器的特征及认识到根据培养对象选择反应器的重要性；（2）学习不同的发酵罐灭菌方式。一种发酵罐采用离位灭菌，适合实验室科学研究用，一种发酵罐采用原位灭菌，更接近实际的工厂生产方式。通过发酵罐两种灭菌方式的比较，学生更多了解实验室操作和工厂生产的不同。另外，实验所用原位灭菌发酵罐是需要全手动操作的发酵罐，这种发酵罐更适合教学，学生必须熟悉所有管路和阀门的连接、工艺流程的操作才能很好的完成实验。而目前科研上用的全自动发酵罐只需要简单设置参数就完成操作，整个发酵系统的结构、管路连接、控制等对学生来说是一个黑匣子，不适合教学。（3）学习生产不同的发酵产品。一种产品是蛋白酶，属于蛋白质类产品；一种是细菌纤维素，属于多糖类产品。发酵产品不同，采用的反应器不同，微生物培养特征和生产工艺不同，对产品的分析检测方法也不同。通过学习对不同产品的发酵，一方面强化基本实验技能的训练，如培养基配制、发酵罐系统的灭菌、接种、取样等操作均要求规范熟练，另一方面通过发酵产品的巨大差异训练学生的思维和创新能力。如细菌纤维素是一种新型的生物材料，但其工业化动态发酵罐生产目前仍不成熟，其最佳培养方式和工艺仍在探索中。

三、研究生综合研究能力的培养

（一）实验技能的训练

实验教学过程中注重基本实验技能的规范、熟练和综合实验技能的训练提高。研究生经历了本科阶段基础实验课程、专业实验课程的训练，他们已掌握了一些基本实验技能，如称量、培养基和溶液配制、灭菌、接种技术等。实验中，从培养基的制备、灭菌、种子的扩大培养、接种、发酵过程的管理，到生物量、产品、底物浓度等参数的分析测试都由研究生独立完成。教师如果发现学生在基本操作上有问题，及时更正。对于综合实验技能或需要强化的实验技能，则由老师重点讲解，实验中重点指导，如原位灭菌发酵罐管路连接，pH电极和溶氧电极的校正、酶活力测定等。这样既能给学生独立操作和训练的机会，又能提高其综合实验技能。

（二）注重培养学生分析解决问题的能力

研究生不仅需要扎实的专业知识，还要求具有清晰严谨的思维和运用所学知识分析解决实际问题的能力。实验前，学生必须预习实验内容，教师组织学生讨论实验方案和安排，制定实验计划，提出存在的问题。这样学生对所做实验的思路、实验方案和流程、实验的目的与要求、操作和注意事项等在实验前就有清晰系统的认识，避免糊里糊涂做实验。教师也通过设疑、质疑等方式了解学生对实验原理和操作的理解，促使学生独立思考。如发酵罐原位灭菌时为什么要先进行夹套灭菌而不是直接通蒸汽进行灭菌？细菌纤维素的发酵制备时，细菌菌体被包裹在纤维素网络中，采用哪种方法测定菌体生物量更合适等。实验结束后强调对实验过程和实验结果的分析讨论。学生的实验报告必须对实验中出现的问题、实验现象、实验结果进行分析，并对实验进行总结，指出需要进一步改进的地方。实验报告重点考核学生对实验结果的分析讨论能力，结果分析有理有据，对实验结果的讨论不是试验结果的重述，而是以结果为基础的逻辑推论。这样以学生为主，老师为辅的教学方式，不仅提高了学生的积极性，培养了他们对实验认真负责的态度，也提高了他们分析和解决问题的能力，为后续加入导师课题组开展科研工作和学习奠定了良好的基础。

（三）培养学生的创新意识和创新能力

创新能力是研究生阶段需要培养和训练的重要能力之一，因此实验过程特别注重学生的创新意识和创新能力的培养。如在使用机械搅拌式发酵罐时，实验不追求所有小组结果的一致性，而是鼓励不同小组采用不同类型的搅拌浆，考察其对实验结果的影响，并分析为什么会有不同的影响。研究生入学后最迫切的愿望是尽快地掌握与以后科研工作相关的理论知识和各项实验操作技术，为将来的工作打下良好的基础。实验过程中我们尽可能加入新的实验技术。如细菌纤维素发酵中，采用传统的方法分析细菌生长规律有一定的难度，实验采用荧光标记法对菌体进行荧光标记，然后在荧光显微镜下进行计数得出菌体的生长规律。让学生学习荧光标记的方法和荧光显微镜的使用，为学生以后的工作和科研打下一定基础。

（四）课程考核

发酵工艺学实验是一门对研究生进行综合能力培养和训练的课程。该课程采用平时成绩、实验报告、考试成绩相结合的多元化考评方式。平时成绩占40分，实验报告占30分，考试成绩占30分。平时成绩主要包括预习报告、课堂提问、实验操作、安全卫生等。学生在实验前预习并写出预习报告，教师根据报告和课堂提问进行评定，实验过程中主要考察学生实验操作、实验现象观察、实验结果分析和解决问题的能力。实验报告主要考察学生对于实验数据的记录情况、写作的规范性、对实验结果分析总结的能力。考试内容主要涉及实验原理、实验步骤、注意事项、现象分析、实验设计等内容，以学生是否掌握基本知识和基本技能为原则，重点考核学生分析问题、解决问题的能力和动手能力。实验考试不仅可以让学生系统地分析总结实验，还可以考察学生对于理论知识掌握情况以及理论联系实际的能力。当然考试只采用单一的笔试来评价学生对本门课程的掌握程度是不够的，今后的教学中要增加实际操作能力的考试。

四、结束语

通过为硕士研究生开设发酵工艺学实验课程，使研究生在较短的时间内迅速掌握发酵工艺学的主要实验技术，减少了研究生间知识结构的差异，做到了理论联系实际，激发了研究生对所学专业的浓厚兴趣，强化了学生动手能力和思维创造能力的培养，为研究生的课题研究创造了良好的条件与基础，深受学生们的喜爱。由于我们开设这门课程的时间较短，教学经验还比较缺乏，在今后的实验教学中，我们将进一步优化改进教学内容、教学方法，强化学生的综合实践技能，培养学生的科学思维能力和创新精神，逐步提高教学质量。