发酵工程本科实验教学改革与实践初探

江南屏 任瑶瑶 廖海

[摘 要]发酵工程实验内容丰富、涉及面广、操作性强，在生物工程专业教学中举足轻重。该研究结合西南交通大学生命科学与工程学院的实际情况，从优化实验内容、教学手段及考核方式这三个方面有针对性地对发酵工程实验进行改革探索，实验内容更加系统化，从培养基的配制灭菌、菌种的筛选分离、紫外诱变育种、摇瓶发酵生产直到产物提取和鉴定的一系列过程，环环相扣。重视提高学生在整个实验过程的参与性、主动性，把实验教学从传统的单向传授变为双向互动，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效率。要求学生课前预习，对学生在实验操作过程中的表现进行评价打分。

[关键词]发酵工程实验；实验教学；教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）06-0090-03

作为生物工程专业领域中非常重要的核心课程，发酵工程具有很强的应用性和实践性，发酵工程实验是理论课不可或缺的组成部分，其实验教学对生物技术和生物工程专业人才培养至关重要，是培养和训练学生实验操作技能和应用技术的重要手段，是现代生物技术产业的重要组成部分，是其他生物技术实现产业化的关键和必经之路。发酵工程实验内容丰富、涉及面广、操作性强，在生物工程专业教学中举足轻重[1]。如何在有限的课时内使学生掌握发酵工程最基本的内容，提高他们在实践中分析问题、解决问题的能力，并为他们今后的发展打下坚实的基础，是教师需要认真思考的问题。

本学院发酵工程实验现行的教学模式是教师为主、学生为辅，教师课前准备实验、课上讲解，而学生被动听、参照实验指导按部就班地操作。这种程序化的教学方法，造成了学生缺乏学习主动性，部分学生只是被动完成实验步骤而不思考实验现象背后的原理，参与性不强或根本不动手操作，只知其一不知其二，这种教学模式限制了学生发现问题、解决问题的能力。另外，实验教学内容类型单一，大部分以验证性实验为主，综合性不强，缺少创新型实验，没有体现专业特色，不能将理论知识应用于实践操作中[2]，实验成绩考核标准不明确，致使学生对实验课不够重视。针对上述多方面问题，在完善现有实验教学体系内容的基础上，培养学生分析问题、解决问题的能力，我们对发酵工程实验教学进行了以下改革探索，提高教学质量。

一、改革实验内容，提高实验效果

根据本学院生物工程专业本科教学培养计划，发酵工程实验安排在大三下学期进行。此时的学生已修完微生物学实验、生物化学实验和细胞生物学等基础实验，具备了相关的实验操作和动手能力。

（一）加强教材建设，选定合适的实验教材

生物科学的发展日新月异，实验教学必须与时俱进。更新实验教材，淘汰一些旧的实验方法，选择知识体系结构合理、经典实验和前沿新技术结合得好的参考教材，是保证实验教学质量的关键一步。作为实验教与学之间的主要桥梁，好的教材不仅可以提高教学效率，还可以激发学生的学习兴趣。目前我们采用的实验教材是参考本院教师2005年自编的教材讲义，部分内容较陈旧，没有涉及最新研究结果和技术[3]。已出版的发酵工程实验参考书很多，可谓琳琅满目，每一种都有各自的特点和内容的侧重，我们结合发酵工程教学的自身特点和本院现有的设备和实际情况，选择以原有讲义为基础，以教材《发酵工程实验指导》（吴根福著，2006年版）为参考，让学生充分了解发酵工程实验内容体系，学有余力的学生还可结合实验教材拓展学习，这就促进了学生知识结构的整体优化。

（二）优化实验内容

21世纪是生物世纪，如何紧密联系实际，培养出符合社会需求的人才一直是各高校生物类课程教学改革中的难点。根据应用型人才培养的要求，结合当前生物技术的发展趋势和前沿要求，教师在发酵工程的实验教学中，必须对所选教材内容进行适当的修改和补充，以应对社会发展对人才的需求。发酵工程实验是通过微生物发酵生产所需产品，需要连续进行实验。学生在以往的氧化葡萄酸杆菌产二羟丙酮的实验中，存在发酵周期长、二羟丙酮产量低、实验学时有限、实验效果不理想等局限性。在新的改革中我们将这种实验替换成枯草芽孢杆菌的育种及α-淀粉酶活性检测。枯草芽孢杆菌是重要的工业生产益生菌，能合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等酶类。其中淀粉酶是一种能将淀粉质水解为多糖、糊精等小分子的生物催化剂，其在发酵工业、食品工业及制药业等工业中被广泛应用，也是最早实现工业化生产的酶制剂之一[4]。

新实验能让学生了解工业微生物育种方法且获得更好的实验反馈和效果（见表1），大大提高了学生参与实验的积极性和热情。同时为了体现发酵工程实验的专业特色和连续性，在水解糖制备的实验之后新增酒精发酵实验，自行设计酒精发酵装置并应用到学生实验中（见图1）。该装置设计简单，制作成本低，学生易上手，实验效果明显。发酵罐是微生物实现工业化生产的必备设备之一，了解发酵罐的结构及使用方法，是生物工程专业学生必须掌握的一项基本技能。鉴于现有发酵设备及课时有限，利用摇瓶发酵替代发酵罐实验，让学生掌握微生物发酵過程。部分在实验室未能完成的任务，如了解发酵罐的构造原理，则通过理论教学来补充。经过实践，改革后的发酵工程实验内容总体以枯草芽孢杆菌功能菌株为主线，从培养基的配制灭菌、菌种的筛选分离、紫外诱变育种、摇瓶发酵生产直到产物提取和鉴定的一系列过程，环环相扣，学生不但掌握了发酵实验的基本操作技能和方法，同时能够灵活运用所学的专业知识和理论，进行简单的发酵工业设计和制作并做到举一反三[5]。通过开展这些实验，学生的实验操作及动手能力、综合运用理论知识解决实际问题的能力都得到了进一步加强和提高，其实验创新能力也得到了锻炼。

改革后的实验内容包括发酵用培养基配制及灭菌、发酵种子液的制备、发酵原料的生产、发酵产物的分离纯化及检测、工业诱变育种等六个实验，这些实验涵盖了一个微生物产品实现工业化生产的步骤和原理[6]。这些实验的有机组合有利于学生系统掌握发酵工程的内涵，将抽象的发酵理论应用到工业生产中，有利于学生掌握发酵工程实验操作的精髓。

二、改进实验教学组织形式，调动学生参与实验的积极性

有了合理的实验教学内容和安排，还要有相应的教学方法作保障，才有可能达到培养综合型人才的目的。实验教学方法的改革要重点培养学生的动手能力和独立思考能力，突出学生在教学中的主体地位。

（一）改进教学方法，提高教学效率

传统的教学模式是教师讲、学生听的填鸭式教学，学生学习和掌握到的知识有限。因此，有必要调动学生参与实验的积极性、主观能动性，努力把实验教学从传统的单向传授变为双向互动，激发学生的学习兴趣，提高学习效率。例如，在讲授“糯米甜酒的酿制”时可向学生抛出问题“酒曲发酵的原理是什么”，引导学生去思考和分析，使学生能够将所学习的知识应用到实际中，切实做到理论知识和实验相结合。每次实验结束后，教师针对实验过程中出现的问题和现象，提出疑问让学生课后去思考并将思考结果写在实验报告上，下次上课对这些问题进行提问和讨论，做到课上实验、课下拓展学习，改变了以往一离开实验室即是实验结束的教学方法[7]。这样能进一步加深学生对实验的认识和了解，有利于学生巩固已学过的知识，掌握实验技巧。

（二）改革教学组织形式，培养学生的自学能力

实验教学的组织形式不能按照以教师为主体的传统模式来进行，必须要留給学生一定的自由度和独立的空间，有效启发学生思考，充分发挥其主现能动性。过去开设发酵工程实验，学生到上课时间来做实验，而对实验前期繁杂的准备工作并不清楚，这就影响了学生对实验整体性、系统性的认识。后来我们采取自愿报名为主的形式，每个班原则上有四名学生在课余时间参与实验老师的准备工作。让学生了解实验样品的来龙去脉，增加学生的动手机会，加深学生对实验整体性和连贯性的认识和了解。我们在教学过程中可着重从以下几个方面做好工作。

其一，实验开始前，强调整个实验体系是连贯的，前一个实验的结果是后一个实验的材料，让学生从思想上加以重视。督促学生在实验操作过程中必须做到认真严谨，不得马虎。

其二，上课形式灵活多变，介绍实验原理部分时采取由教师讲解和学生讲解相结合的方式，穿插提问环节，调节课堂气氛，另外促使学生主动预习，深刻领会每个实验的原理和注意事项，实验效果显著提高。

其三，教师针对每个实验补充实验理论背景，加深学生对每个实验的理解。如诱变育种的实验，是在教师多次预实验的前期基础上，选择一个合适的诱变时间和诱变范围，因此需要结合实验向学生讲解诱变育种的原理、诱变剂种类及剂量选择的理论依据。

其四，实验过程中安全第一，杜绝安全隐患。教师做好监督工作，及时发现问题并提醒纠正。保证学生认真做好每次实验，培养他们严谨认真的科研态度。由于实验台套数的限制，我们的实验以两人为一组，学生相互协作完成实验[8]。

（三）开展开放式的实验教学，培养学生的创新能力

实验教学是在教师的引导下给学生以尽可能多的独立操作机会乃至独立设计实验的机会。教师发挥其主导作用，点拨学生思维，启发学生思考。考虑到学生个体的学习基础和动手能力存在差异，以及实验课程学时数有限，在规定的实验教学时间内，要达到全面提高学生动手能力和创新能力的目的显然是不现实的，因此，灵活多样的开放式教学将是对现有实验教学形式的有效的补充和延伸[7]。比如综合设计实验，可让学生自行组成课题小组，根据指导教师提供的实验课题或学生自己提出的科学小问题，运用所学理论知识与基本实验技能，自主设计实验内容、实验思路，充分发挥学生在实验中的主体地位，提高学生的组织能力和自主设计实验能力[9]，从而培养学生良好的科学素养和较强的专业实践技能。

与此同时，教师还要重视对学有余力、动手能力强、善于思考的学生进行适当的引导，鼓励他们去开展一些探究性、创新性的课题，与科研相结合，引入科研的思路和方法，并将其与学校开展的“大学生创新项目”、“本科生科研训练计划（SRTP）”、“个性化实验”、毕业设计以及科技论文等结合起来，进一步提升其自身的专业实践能力和科技创新素质，增强学生的科研意识和创新能力。

三、完善实验考核评价体系

一方面，发酵工程实验考核方式主要是学生提交实验报告，教师依据报告的内容判定成绩。在批改实验报告时我们发现学生对实验目的、原理及步骤的回答大都照搬实验讲义，对实验结果、分析及思考题的回答存在同一班级很多学生雷同的现象。另一方面，受实验设备和课时所限，实验主要以小组为单位进行[10]。这导致部分学生在实验过程中存在依赖心理，并没有主动掌握实验操作方法，达不到应有的实验教学效果，不能全面反映学生真实的实验情况。

针对这一情况，结合本实验的特殊性，我们积极完善并细化实验考核办法，要求学生课前预习并对学生在实验操作过程中的表现进行评价打分，改变了以往只通过实验报告来判定学生实验成绩的做法，强调确保实际操作质量及能力培养的重要性。改革完善后的考核体系中实验总成绩由对预习报告、出勤率、实验操作及最终实验报告共四个部分的评价组成，评价结果占总评成绩的百分比分别是10%、10%、20%、60%。最终实验报告的评价侧重点在实验思考和讨论题部分，弱化对实验原理和实验操作的打分。通过这种考核评价方式，不仅加强了学生的实际操作能力，而且有利于培养学生勤奋、严谨的治学态度[11]，保证了实验教学环节的科学性与有效性。

四、结语

通过实施发酵工程实验教学改革，学生在获取知识和动手操作能力、培养团队协作精神方面取得了很好的效果。实验课教师要积极主动跟上科学发展的步伐，注重理论和实验相结合，不断探索和完善实验教学方法，提高实验教学质量，充分发挥实验教学在生物工程专业人才培养中的作用。实验教学改革过程中也面临着一些问题，如实验室硬性条件不足，部分学生态度不认真，对实验数据处理与分析能力较差，少数学生甚至没能成功完成实验等等，这些都需要在师生的共同努力下，通过改革促发展，以达到培养综合型人才的最终目的。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 潘兴丽，章洪华. 生物技术专业微生物发酵工程教学改革探索[J]. 西北医学教育，2011（3）：566-569.

[2] 戴德惠，胡伟莲. 发酵工程课程教改实践与探索[J]. 浙江科技学院学报，2013（1）：73-75.

[3] 任晓莉，赵润柱，梁保红. 发酵工程课程的教学改革与实践[J]. 微生物学通报，2011（1）：127-130.

[4] 向福，袁婷，项俊，等. 浅谈发酵工程实验教学的改革[J].教育教学论坛，2012（39）：27-29.

[5] 王文娟，朱俊华，尹芳，等. “分子生物学实验”课程教学改革的实践与初探[J]. 北京城市学院学报，2010（3）：67-68.

[6] 舒乐新，苗戎，杨琳，等. 改革生物化学实验教学 提高实验教学质量[J].实验室科学，2013（5）：53-55.

[7] 黄方一.发酵工程课程教学改革的实践与探索[J]. 武汉生物工程学院学报，2008（1）：31-35.

[8] 邬建国，王新风，张瞳. 地方应用型本科院校《发酵工程实验》教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016（50）：112-113.

[9] 邓加聪. 发酵工程实验课教学改革与探索[J].福建师大福清分校学报，2014（2）：88-90.

[10] 陈婷，张兴群. “发酵工程实验”课程教学的改革[J].纺织服装教育，2013（6）：501-502+505.

[11] 许波，黄遵锡，杨云娟，等.发酵工程实验教学改革初探[J].微生物学通报，2007（3）：600-602.

[责任编辑：庞丹丹]