以工程素质培养为导向的发酵设备实验教学改革

王 卫， 黎继烈， 姚跃飞

(中南林业科技大学 生命科学与技术学院， 长沙 410004)

0 引 言

发酵设备课程实验是微生物产业放大培养理论知识的实践课程，也培养学生的专业技能及生产协作能力的重要环节，进而使学生对本专业所涉及扩大生产问题产生兴趣，以利于自主学习。作为设备结构解析、实践类实验，限于实验单台套设备有限以及学生自主参与度不足，导致教学出现实验报告趋同、甚至抄袭等问题。如何促进学生参与实验积极性，提高技能、工程素质培养成为教改的出发点。

受微课、MOOC课堂方式的启发，在发酵设备课程实验中，将微视频引入个人手机终端，进行基础应知、应会实验教学；结合综合创新性实验体系的建设，进行学生按车间岗位角色分组的安排，培养自觉、勤奋、实事求是、勇于探索和敢于担当的精神以及对某一问题的观察力、想象力及解决或决策能力[1-6]。在实验实践后，分享各自实验数据，协作完成实验报告，形成发酵过程设备与工艺的整体观念，培养学生初步的分析和解决问题以及自主科研的能力。

1 发酵设备课程实验的构建

自2010年起，我校实施教学质量年建设，将原来归属发酵设备课程的实践环节-发酵设备课程实验，独立成为一门实验课程，16学时。本着“均衡发展，各展所长”的理念，以培养工程素质为导向进行教学体系构建[7]。将必要的基础实验(4学时)，视频化，随身化：录制发酵罐结构、管路、阀门及控制界面使用说明的小视频，录制pH、DO电极标定和实罐灭菌、火焰保护接种的视频，并将之通过QQ群、微信分发到各位学生手机端，方便学生带着疑问，自主学习，提高实验效率；在设计性创新实验(12学时)，按实际发酵车间岗位特色进行角色扮演，仿照车间生产批报安排实验，同一实验组设立工艺、能耗和质控3个岗位，相互依靠，相互监督，相互印证，最终形成实验报告。

1.1 实验选题

适宜的实验教学选题，是确保实验顺利完成的关键[8-9]。选题内容一般采用教研室教师承担的研究课题或往届学生创新项目作为基础，目前开出的实验模块有：赤霉素发酵、灵芝多糖发酵、产纤维素酶菌发酵、PGA酶基因工程菌发酵、玉米生料酒精发酵、红曲固态发酵等。以上实验项目依托所辖实验室3台套5L和1台套30L的在位灭菌全自动发酵罐进行实验验证。学生需在实验模块中择一选定项目进行相应设备或工艺变化，以方便数据比较，获得结论。本校生物工程专业每届学生约60人左右，按工厂车间角色(发酵过程控制、理化参数检测、能耗及动力支持、无菌情况及菌形态变化)分成3～5人一组，共计12～15组。

选题确定后，进入准备预习报告阶段。预习报告包括实验目的、采用实验方法、已具备或缺少的实验条件、实验难点、人员安排及预期结果等。在此阶段，实验组内进行分工，并仿照工厂车间生产批报格式，按时列出所需填测的数据表，保证实验实施时，组内各同学明确任务和职责。“凡事预则立，不预则废”，强调实验预习对实验的重要性，原始数据表格必要性，要求教师审阅、批示预习报告，并返回学生修改。预习报告经实验老师批准，方可进入实验环节。

1.2 实验方案的实施

实验实施是整个实验的重点，所有的结果和结论都是从实验数据分析中获得。实验实施过程要以严谨的科学态度进行，真实记录实验数据。由于时间、场地与设备的限制，尽量不要更改实验方案。各组间类似实验模块安排在同一时段，方便学生横向比较，也能节省时间，减低实验老师工作量。通过与实验老师预约，整个实验一般能在4周内顺利完结。

组内实验过程中带入工厂职能角色能起到如下作用：① 培养工程素质，明确设备工艺问题的工厂处理手段。② 以设备操作为核心，明晰过程限速途径的流转变化趋势。③ 以实验为纽带，强调劳动纪律和协作的重要性，培养团队意识和组织管理技能。加强学生组织技能培养，除作为组长的同学外，组员之间的民主协商、讨论，保留自我意见，执行团队决议的执行力亦十分重要，这将是工作状态下的情商培养，让学生提前感受职业角色。这种实验组织下，学生以宽角度、多视野来观察发酵设备对于发酵培养过程的作用，从而综合确立设备设计与选型的尺度和标准，为将来的研究或生产打下坚实基础。

1.3 实验结论的表达

实验结束后，应及时整理实验数据和撰写实验报告。实验结果就是将实验中所得到的分析数据整理归纳，其表达强调客观真实，这时常常涉及到将实验数据或制成表格或作图加以分析，引导学生学习、掌握Excel、Origin、ChemBioOffice、Matlab等常用软件。

实验预测、结果分析以及下一步实验方向的讨论，应是整个发酵设备课程实验体系的拓展与精粹，实验各组同学可利用当前通畅的交互式网络平台(微信、QQ等)，采用辩论形式将实验和相关讨论不断深入，借此使理论与实践融合，使学生建立辩证、科学、包容的认知体系[10-11]。

1.4 实验报告的撰写

实验报告是课程实验的书面成果，应把握其科学性、规范性以及创造性[12-13]。要求学生掌握必要的科技论文写作技巧，让自己的实验结果清晰、明确地表达，以利于分享、交流。通过对实验数据的整理、分析和归纳，从中找出规律。

2 实验考核与成绩评定

发酵设备课程实验主要目的是培养学生运用所学理论解析或指导实践的能力。因此，实验成绩不应以实验结果正确与否作为唯一根据，否则会引导学生选择现有成熟的方法及实验设计，以求结果的可靠性，达不到培养学生工程素质的目的。因此，实验成绩评定还要加入评价立题是否有新意，设计方案是否合理[14-16]，等内容。另外，还将学生在实验过程中操作能力及创新精神等内容纳入实验成绩中。将实验数据与实验分析、结论分离，实验数据在实验课后立即上交，学生用手机拍照对各自数据进行留存，实验结论依据数据思考或查阅相关资料获得，避免实验数据更改，报告抄袭；同时在实验签到本上记录学生上交数据的先后次序，以此作为实验过程成绩的一项，督促学生认真预习，积极实践。

实验后，增加15 min的抽选提问考试，巩固实验效果。采用一些开放性测试题，题目围绕小型自动发酵罐实验过程易出现的问题，进一步考核学生对发酵设备结构的熟悉程度，成绩计入立题报告，例如：利用发酵控温系统管道将循环水导入发酵罐内的阀门控制方案；发酵系统的空压机设备故障，供气量降低为正常值的50%，如何调整设备控制，降低发酵失败风险；全混式通风搅拌器在发酵过程中搅拌桨叶脱离，如何进行系统调整；针对小型发酵罐丝状菌培养易绕轴及档板的设备改动问题等。实验小组成员充分讨论，上交考核答案采用卷面和视频两种方式，强调实罐操作能力和工艺与设备结合能力。培养能做、会写、懂结构绘图，逐步养成能讨论、知协作、懂分享的团队精神。最终实验成绩按预习报告40%、实验过程30% 和实验报告30%的比例计算。

3 结 语

发酵设备课程实验的工程问题是基因、细胞、环境3方面相互作用影响的最终结果，具有一定的波动性和难以预测性，学生获取实验结论与以往大部分理科实验具有明确、清晰、可预期的结果不同，导致实验积极性不高。在教学环节中特别注重这一方面，首先在通过录制、分享设备基础结构、使用方法的小视频，方便学生灵活、自主学习；综合性实验实施之初，认真审定内容，预先要求学生思考可能出现的实验现象；实验中，强调认真记录数据；实验成绩不仅凭实验报告，还考察学生对工程设备问题的理解程度。建立容错系统，鼓励学生创新，支持学生将基础学科知识应用于发酵设备或解决某一现实问题，提倡学生团结协作，合力完成同一主题下的若干个分支实验，以培养学生的团队意识和团队精神；同时，亦建立诚实、诚信的实验品质，避免抄袭或臆造实验数据。实验教学改变以往循章按时的实验教学方式，采用开放式实验管理，既激发学生兴趣和自主创新能力，又解决贵重实验设备单台套数少与学生集中实验要求多的矛盾，提高了实验室和设备的利用率，也完善了实验室的管理。