生物工艺实验教学特点

杨东升　罗先群　王新广

摘 要 生物工艺实验的教学有其自身特点。从实验过程看具有长时间连续性的特点；从实验操作看要求较好的分工协作；从实验具体环节看要求具有创新性；从实验装备看，器材大型化，控制方法智能化、机械化。这些独有的特点使生物工艺实验教学更趋向工程化，针对这些特点进行的教学改革和创新能够使工程人才素质的培养得到加强。

关键词 生物工艺实验 教学特点 素质培养

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.09.059

Characteristics of Biological Technology Experiment Teaching

YANG Dongsheng， LUO Xianqun， WANG Xinguang

（Biological Engineering Laboratory， College of Materials and Chemical

Engineering， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract The teaching of biological technology experiment has its own characteristics. From the experimental process is continuously for a long time the characteristics of； better division of labor collaboration requirements from the experimental operation； innovation is required from the specific aspects of； from the experimental equipment， large-scale equipment， control method and mechanical intelligent. These unique characteristics make the biological process experiment teaching more tend to project， the teaching reform and innovation of these characteristics can make the quality of engineering personnel training to be strengthened.

Key words biological technology experiment； teaching characteristics； quality training

生物工艺实验是生物工程专业的重要教学内容之一，直接关系到学生实践能力的锻炼和提高，是学生专业素质能力的重要体现。生物工艺实验教学本着将书本知识通过实际操作得以应用为目的，帮助学生熟悉生物工艺流程及常规的实验技术，锻炼其专业技能同时熟悉工艺操作的主要环节。经多年教学，我们发现，生物工艺实验教学环节更加接近工厂操作，与基础实践教学存在很大的不一致性。主要体现在生物工艺实验具有长时间、连续的过程，具有分工协作的操作要求以及实验具体环节的创新点，具有工厂化大设备的属性。海南大学生物工程专业开办十二年来，参与教学的教师针对生物工艺实验的教学特点，对实验教学环节进行不断总结和改革，形成了一套适合本科实践教学的体系，同时积累了大量宝贵经验。

1 实验过程的长时间连续性

生物工艺的实质就是微生物培养，其过程是漫长的。长时间连续的培养过程，短则十几小时，多则十几天。学生参与的实验和实践近乎于工业化要求，要在实验室经历长周期的发酵操作。此外，发酵实验由于涉及实验设备、原料、工艺及人员操作等诸多主观及客观因素，影响比基础实验更为明显。实验结果往往是不确定的，有时甚至可能失败。这种不确定性与实验的周期成正比。因此，在实践环节要求严格控制发酵条件，要重视重复性实验在长周期实验中的合理设计，使实验数据得以合理共享。

1.1 实验过程的长时间连续性

从教学周期看，生物工艺实验具有与其他实验不同的特点。其一就是实验时长较长，比如，在谷氨酸发酵过程中，除了前期准备工作如配制培养基、灭菌、接种等准备工作需要大概2小时外，学生还要迎来48小时的发酵周期实验。其二就是实验的连续性。由于涉及的实践环节较多，各个环节有机结合，缺一不可，因此在教学实践中多采取分批次、分组的方式， 学生在产品发酵期间采取分批值班的方式各自完成某一实验环节的操作。学生实行连续分批次实验保证了发酵过程的连续性，类似工业生产中的三班倒。

1.2 生物工艺的大实验特征

生物工艺实验包括了所有具备实验教学条件的专业内容。目前可以在实验室进行小试研究教学的发酵范围涉及厌氧发酵和好氧发酵。涉及与工厂生产相关的行业有氨基酸发酵、乳酸发酵、柠檬酸发酵、啤酒发酵、白酒发酵等。几乎所有发酵实验具备大实验特点，比如，啤酒发酵实验包括简单的酵母质量检查、酵母计数、糖度酸度检测、双乙酰检测、乙醇检测、质量品评、主发酵控制、后发酵控制等实验项目。要求学生根据每个实验特点掌握各个实验项目的操作方法步骤。

1.3 生物工艺实验条件及结果的不确定性

微生物发酵过程十分复杂且周期长，本身充满不确定性，过程控制可以高度一致，但结果却可能相差很大甚至相反。学生要学习生物工艺实验的分析研究方法，要找到这种不确定性，最终发现原因，比如阀门泄漏、滤膜穿孔、胶管松脱等造成结果误差太大。由于增加了自主分析思考，这类大实验更能培养学生综合能力。

1.4 实践环节要求严格控制条件

为了控制微生物生长，使其为我所用，在发酵的各个环节，要求各参数控制在一定范围之内，以利于微生物的生长，利于代谢产物的生成或菌体的生长。严格控制各参数条件是发酵过程的重要操作环节，也是体现学生现场处理、分析和解决问题能力的重要依据，当然更强化学生在实操环节的工程素质。

1.5 重复性实验在长周期实验中的合理设计

学生在进行连续分批实验时，各批次处在不同的发酵周期，重复实验即可得到系列数据。由于实现数据共享，每个学生都可以如实了解整个实验过程的具体数据，实验报告可以重点分析自己工作时间段的发酵情况，包括参数控制分析、现象分析、数据分析等。针对大实验的具体分工使学生在其负责环节能做到具体问题具体处理，使过程设计更为合理。

2 实践过程的协作性

实践教学过程不单体现老师与学生的配合，更体现了学生之间的配合与协作。教师按教学计划制定实验大纲与方案，要求学生认真实践并圆满完成。学生们要在大实验的框架下预习、实践、观察、总结。其中要求最高的也是最能体现学生能力的就是其协作性。首先是排班问题，要求学生在按质按量完成实验任务的前提下做好分批组员的编排。其次是公共试剂的配制，要求学生统一操作，使误差减小到最低。第三是仪器使用，特别是涉及多人操作的仪器尤其要强调配合及协作，才能使数据准确，共享成为现实。①协作过程就是团队精神的体现，为今后研究工作打下良好基础。

2.1 分工协作是生物工艺实验必需的工作素养

生物工艺过程在实际工厂中是包罗万象的。在实验室只能完成其中的小部分内容，包括发酵、提取、糖化、精制、菌种保障等环节缺一不可。所以分工协作是发酵实验必须的工作素养，能关注实验细节并在实验环节做到积极配合的学生必将收获良好的工作习惯。

2.2 合作过程要求操作方法的高度统一

不同批次的学生在不同时段进行重复实验要求在操作方式上高度统一。比如阀门控制、取样、检测等都必须严格依照规程，否则，会使整个实验数据增加不确定性。在数据记录方式、小数点取位、数据单位等都要做到统一、合理。实验报告也要求对批量数据、参数处理方式的一致性。

2.3 团队精神的培养

生物工艺大实验的实施有利于培养学生的团队精神。分组可能存在竞争，每组学生都会以全力以赴做好本组的实验。在每批实验过程中，也要注意相互帮助，协同实验。比如，某组实验仪器出现问题，其它组同学不会袖手旁观，主动出主意尽快解决问题。公共设备如电、气环节出了问题，要有同学负责简单处理同时报告实验老师。②

3 实验环节的创新性

生物工艺实验存在实验过程的不确定性，同时具有实验创新的可能性。正是因为它的不确定性，体现了其产物的影响因素是多方面。影响因素包括原料、工艺、操作、检测方法等内容。单就原料的变化来讲，生物工艺实验所反应的结果是多变的。比如原料来源不同，糖化方式不同，加入的酶不同等等，都会引起下游产品的连锁反应。因此，考虑对众多环节的变化因素，生物工艺实验必然存在适合学生开发的创新点，并以此为基础进行设计性实验、综合性实验项目的开设。③

3.1 实验的严谨性

生物工艺涉及到的微生物过程是复杂的，涉及相关的生物化学、微生物学、生化技术等相关实践内容。在具体操作环节要严格按照实验步骤进行，仪器使用、实验手法严格按规程执行，数据记录要求实事求是，参数控制实验过程要求一丝不苟。

3.2 实验操作环节的创新性

近年来，各地高校不断提高实践教学课时比例，以此提高学生实践动手能力，提高综合性实验、设计性实验项目比例以提高学生创新意识。实验的操作环节要按规程严格操作，但在实验设计环节要展开思路，充分创新。要求学生在实验过程中要不断发现问题并解决问题，要学会用会到的理论知识分析一般实践问题。多用发散思维进行开创性的思考，不要局限于某一些实验机械的步骤、原理和方法。找到可能的突破口，进行科研自由探索。④

4 实验器材大型化，设备控制方法智能化、机械化

生物工艺实验设备普遍大型化。比如日产100升啤酒酿造设备由4只100升的发酵罐、一只100升的糖化锅、一只50升的糊化锅、一只100升的过滤回旋槽、一台制冷机、一台粉碎机、一台罐装机、一台过滤机组成。

设备控制方式智能化。发酵罐可以通过PID实现温度的全自动控制，制冷机温度可以实现对制冷液0至-20℃的自动控制。全自动控制电路对学生学习自控理论是很好的现场教材，可以直接与工业化设备对接，增加学生的直观认知。

设备控制方式机械化。CIP系统可以通过循环清洗系统实现自动运转，物料可以通过倒料泵实现方便运转。机械化操作是现代工业的基本要求与属性，学生在实验室接触到的机械化控制有助于培养其工程素质。

生物工艺设备可以做为工厂的小试装备，在生物工艺实验教学中可以起到加深学生对工程设备认识的作用。对了解工厂设备及运作打下良好基础，有利于工程人才的培养。

5 教学方式的改革创新

高等教育改革的一个方向就是在实践环节的创新。由于各高校的具体情况不一致，各专业的设置，人才培养方向的差异使实践教学的改革创新不能按照一个模式开展。就本校生物工艺实验来说，教学方式宜按照现有管理机制、设备规模、人才储备等进行循序渐进式的改革。按照专业实验的特点，开发订单式的实验项目内容。随着改革创新的深入，再进一步培养高素质创新人才，以此实现教学改革的螺旋上升式发展。结合上述生物工艺实验现有特点，我们认为采取采用自主式实验教学和将科研成果引入实验教学的方式是可行的。

5.1 采用主动式实验教学

过去的实验教学基本是在教师按课本制定教案进行的。学生在实验过程中存在被动学习的情况，比如预习报告就是抄书。如果采用主动式实验教学，学生通过各种方式查阅相关资料，制定相关实验方案步骤，经老师批阅后再进行实验研究。这种主动式的实验教学能使学生对实验进行更深入细致的分析思考，对理论与实践的结合、专业知识的深入掌握是非常有益的。同时有老师的把关，实验理论和实验技术可以得到保证。对主动式的实验，学生更有成就感，印象更深刻，更能开拓其创新能力。在实验结束时，针对主动式实验教学进行总结分析，深入了解每位学生对实验的收获和看法，（下转第131页）（上接第128页）以利于下一步的改进；同时为学生进行答疑解惑，现场改正每位学生的每一个错误，包括知识点、操作方法等。教师要本着使学生在实验教学中掌握并熟练应用专业知识的目的，针对一些实验现象进行合理科学的解释。综上所述，我们要通过多样的教学形式培养学生的创新思维，提高学生利用专业理论知识分析和解决实践问题的能力。⑤

5.2 将科研成果引入实验教学

将科研成果引入实验教学，形成新型的实验教学体系。⑥教学体系的针对性和完整性与学生的实践能力、创新能力培养直接相关，同样也决定着学生毕业后在社会上的竞争能力。在实验教学中引入教师的研究成果，可以很好地将学与研有机地结合起来，使学生了解现代科技进展情况。同时促进教师更深入地进行本学科的研究，拿出最新的科研成果。

总之，生物工艺实验是一个有机的整体，因为它涉及多门学科知识。除了工艺过程周期长且复杂化外，它的实验器材中大型化，控制方法智能化、机械化。这种独有的特点使实验教学更趋向工程化，能够使工程人才素质的培养得到加强，同时更有利于培养学生的创新思维。

*通讯作者：杨东升

注释

①②蒋群，何丽明，张雪洪.在微生物发酵实验教学中加强素质教育[J].微生物学通报，2008.35（4）：605-607.

③ 江珩，吴雪梅.关于深化高校实验教学改革的几点认识[J].中国大学教学，2005.6：42-43.

④⑥杨华，路福平，王洪玲.生物工程专业教学体系的探索与实践[J].中国轻工教育，2006.1：56-57.

⑤ 任晓莉，佟春生，赵金安等.基于OBE的发酵工程实验教学改革探索[J].化工高等教育，2014.31（2）：65-67，47.