发酵工程实验课教学体系及内容的改革与探索

张 强，稽 冶

（长春理工大学生命科学技术学院，吉林长春 130022）

作为生物工程专业领域中重要的核心课程，发酵工程是现代生物工程和生物技术的重要组成部分，是实现发酵产品工业化生产的必要手段，因此发酵工程实验在发酵工程教学中占有极其重要的地位[1]。近年来随着工程教育专业认证理念的不断深入，对工科专业的实验教学提出了新要求，要求实验教学重视培养学生工程素养和工程实践能力。然而我们在实践教学中发现，发酵工程实验课内容和方法已不能适应新形势下对人才培养的需要。实验课程不系统、不连贯，内容孤立、并多为验证性实验,学生在实验教学中较为被动，没有发挥应有的主体作用。根据工程教育专业认证的要求，为了在发酵工程实验教学中培养学生独立分析问题和解决问题的能力，训练学生科学的思维方法，学院对发酵工程实验课教学体系及内容进行改革，即强化学生基础性实验技能，提高学生综合性实验技能，培养学生创新性设计实验技能。

1 发酵工程实验课存在的问题

发酵工程实验课程通常安排在生物工程专业大三下学期，教学过程主要以教师为主，学生为辅。首先教师课前准备实验及相关药品器械，然后以“教师讲、学生听、学生做”为主。实验课堂上教师会逐一讲解实验目的原理、实验内容、实验操作步骤以及实验注意事项等，甚至会给出具体相关试剂的配制方法，比如所需缓冲液及培养基配比等，学生则是参照老师给定的实验步骤完成实验。这种程序化的实验教学方法缺少了师生互动，造成学生缺乏学习主动性和创新性，实验热情和积极性不高。大部分学生按照实验步骤机械性地完成实验，而不思考实验现象背后的原因，甚至对实验原理等也含糊不清，往往造成实验过后稀里糊涂，对实验中出现的问题只知其一，不知其二。这种单一机械的实验教学方式限制了学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力，影响了学生创新创造能力的发挥[2]。另外，在发酵工程实验课程开设之前，学生已经修完微生物学实验和生物化学实验等专业实验课程，受到了比较系统的实验操作技能训练。但由于受到实验设备、实验条件以及实验课时等多种因素的影响，使得有些学生无法亲自进行实验操作或懒于动手，造成了部分学生实验基本操作以及仪器设备使用不规范的现象。针对上述出现的各种实际问题，我们重点对发酵工程实验课教学体系及内容进行了改革，即强化学生基础性实验技能，提高学生综合性实验技能，培养学生创新性设计实验技能，通过这些改革，旨在提高学生整体应用及创新能力。

2 实验教学体系及内容的改革

2.1 强化学生基础性实验技能

发酵工程是一门实践性和应用性很强的课程,是在学生学完微生物学、微生物学实验、发酵工程等课程后开设的实验课[3-4]。强化基础性实验技能的目标主要是使学生掌握常规发酵实验仪器使用以及基本实验操作技能。发酵工程实验室常见的仪器设备包括灭菌锅、超净台、离心机、培养箱、摇床、发酵罐等。通过实验课上老师讲解及演示，学生们的亲手操作，使学生们了解熟悉常规仪器的原理及操作步骤。目前发酵工业中使用最多的就是发酵罐,因此正确使用发酵罐是进行发酵工业生产及研究的基本技能。在实验教学中,我们通过现场讲解实验室的5 L 小型发酵罐,使学生熟悉发酵罐的基本构造和操作方法，并通过“酵母菌玉米酒精发酵”实验，使学生熟悉和掌握实验室小型发酵罐的基本操作流程，了解发酵罐灭菌、接种以及取样等基本操作流程，并通过对pH 值、溶氧以及温度的控制，了解发酵罐工艺参数的调控过程。通过基本实验仪器的培训，使学生熟悉仪器设备的工作原理和规范操作是非常必要的，不仅可以有效降低仪器设备的损坏率，而且有利于提高学生科研能力及科研效率。

发酵工程主要是利用微生物生长代谢活动生产各种产品,因此筛选发酵微生物以及优化菌体培养条件也是发酵工程研究的一项基本技能。菌体培养条件主要包括培养基的组成、温度、pH 值等。在实验教学中我们通过“糖化酶生产菌的筛选”实验，使学生们掌握从自然界中筛选所需发酵微生物基本方法，同时能用合理的正交设计或响应面设计等方法进行菌体培养条件的优化。另外还巩固了发酵工程相关的基本操作，如酒精棉球的制作、培养皿的包扎、培养基配制、灭菌、菌种活化、保藏及接种等，把这些基本操作技能有序地贯穿于发酵工程实验课中。进一步强化和规范实验仪器使用以及基本实验操作是学生能顺利完成后续2 项实验技能的前提和保障。

2.2 提高学生综合性实验技能

综合性实验是指实验内容涉及本课程或相关课程综合知识的实验，目的是使学生能够灵活运用所学基本理论和专业知识，结合基本实验技能进行简单的设计和操作，并能综合运用各方面的知识来实现自己的设计[5-6]。综合性实验连贯性比较强，环环相扣，因此对学生要求也比较高，要求学生能够综合利用所学相关专业知识和实验技能去完成一系列的综合性实验。

为满足学生对不同知识的掌握，并根据目前生物工程行业发展的趋势和特点，我们列出了3 个综合性实验：（1）黑曲霉发酵生产糖化酶及其活力测定，主要实验内容包括黑曲霉菌种活化、扩大培养、发酵培养基制备、灭菌，发酵过程工艺调控、糖化酶提取及酶活力测定等；（2）玉米酒精发酵实验，主要实验内容包括活性干酵母菌种活化、玉米原料液化糖化预处理，发酵工艺调控、酒精蒸馏及酒精浓度测定等。以上两个实验,前者是好氧发酵，后者是厌氧发酵。通过这两个实验，使学生对好氧及厌氧发酵操作有了直观全面的认识，并且掌握了在实验室条件下从培养基配制到发酵调控以及产物提纯的整个过程；（3）面包发酵，主要实验内容包括面包酵母菌种活化、面团发酵、烤制，面包感官、口感评定等。本实验增加了学生的兴趣，学会了传统发酵产品的制作，对于酸奶、蛋糕等其他发酵食品也有很好的借鉴作用，希望未来能够对传统工艺进行改造,增加传统发酵食品的魅力。

通过上述综合性实验的操作锻炼，使学生巩固了发酵工程一般常规实验操作技术，如发酵原料预处理、培养基配制、高压灭菌操作、菌种分离纯化、显微镜使用、发酵过程中的参数检测及工艺控制等实验技能。通过以上3 个综合实验操作,将整个发酵工程的知识系列化，学生对整个发酵工程课程的知识及实验技能有了更全面的认识和掌握，进而锻炼了学生综合运用知识的能力，提高了学生综合性实验水平。

2.3 培养学生创新性设计实验技能

传统的实验教学大多是学生按照老师讲解，按照实验讲义做实验,学生很少去认真理解实验原理以及实验方法。在学生们掌握了以上两项实验技能的基础上，我们开设了设计性实验。设计性实验教学开设后，学生们不再是机械地做实验，在动手之前,必须先动脑，这大大提高了学生的创造能力和创新能力[7-8]。

设计性实验包括“选定研究方向—查阅相关文献资料—制定实验方案—实验数据分析处理—实验总结报告”五个步骤，也就是要求学生根据已定方向进行文献查阅、拟定实验方案、选择所需试剂及仪器设备、完成实验并写出实验报告,最后再由老师进行评论总结。在设计实验教学中,结合我们专业特点及特色，我们开设了“产α-淀粉酶菌株的筛选”实验。首先，让学生查阅相关文献，了解α-淀粉酶的相关知识及研究现状；其次，选择合适的菌株初筛和复筛方法，制定详细的实验方案；然后进行方案具体实施。通常菌株筛选是从土壤中进行，如何从自然界土壤中分离产α-淀粉酶微生物，学生通过自主设计菌种分离筛选实验，在查找相关资料的基础上，进行完整的实验操作，最终培育筛选获得在发酵中可以利用的产α-淀粉酶纯菌种。然后对所分离的α-淀粉酶菌种进行选育、保藏以及复壮处理等。在此基础上，还可进行产α-淀粉酶菌株培养条件的研究、α-淀粉酶提取工艺的研究以及α-淀粉酶活力测定等后续设计性实验项目。在整个设计实验过程中，学生不再像以往被动地按照老师给出的固定实验步骤进行实验，而是主动查阅资料，提出问题，并主动地发现问题和解决问题。从实验材料准备、培养基配制、菌种的筛选、检测等全部由学生自主设计完成。实验过程中，如果出现问题,首先大家互相讨论，通过查找文献资料，寻找解决办法。如果解决不了，老师再耐心的给予提示或解答。

通过上述的设计实验，充分发挥了学生的主动性与创造性。学生在查阅资料、设计实验方案的过程中，也进一步加深了对专业知识的理解，并通过实际操作训练，培养了学生设计性实验技能，开发了学生的创造性思维，提高了学生综合实验素质。同时实验过程中，同学们互相配合，互相帮助,共同探讨，树立了学生间良好的协作精神和团队意识。

3 发酵工程实验课改革实践效果及建议

为了检查和评估发酵工程实验课改革实施效果，对我院2017 级生物工程专业部分学生进行了调研。从调研结果来看,学生们对发酵工程实验课教学体系和内容改革是认可的和满意的，正如1 名同学在实验报告中所写：“通过本次发酵工程基础实验、综合性实验以及设计实验的培训，我不仅掌握了发酵工程实验课程所要求的内容,更学会了如何进行科学研究和探索。虽然实验过程中遇到了很多困难，但通过大家共同努力，最终解决了问题，完成了实验，这次实验我们收获满满。”

当然,从调查中我们也收到了学生们提出的建议，经过我们归纳总结，主要体现在以下3 点。第一，实验课时应适当延长。我们发酵工程实验课为32 学时，尤其设计性实验是一个耗时长、连贯性较强的实验,需要学生有比较充裕的时间进行资料查询及实验设计，因此除了正常的实验教学时间外,学生只能利用课余时间来完成，一定程度上也影响了实验的正常进度，所以大多数学生明显感到实验时间不够。第二，应增加相应的发酵实验设备仪器。由于实验人数较多，相应的实验设备明显不够用，比如灭菌锅、超净台等。第三，老师应加强对设计实验的讲评。部分学生对所获得的实验数据及结果进行分析时，明显能力不足,尤其针对异常的实验结果,部分学生只是机械地或笼统地进行分析,缺乏针对性，往往导致文不对题。针对以上这些问题，我们带队教师将认真研究和讨论，在今后的发酵工程实验教学中将逐步改进和提高。

4 结论

实验课程教学是发酵工程课程教学工作中重要的环节，是理论知识运用到生产实践的桥梁和纽带。随着工程教育专业认证不断深入和对新型复合人才的需求,加强学生创新能力的培养将是发酵工程实验教学的核心任务，实验内容向综合型、设计型实验发展势在必行[9]。

发酵工程实验课教学体系及内容的改革得到了学生们的认可,避免了传统实验教学中学生“等”“靠”弊端，让学生真正成为了实验的主角。通过发酵工程实验课程改革，学生们在主持及参与大学生创新创业项目、生命之光项目以及各类相关生物竞赛项目等方面，无论参与人数,还是获奖均较以往明显提高。实验过程中，虽然学生要投入较多的课余时间去准备实验，付出辛苦,但学生却毫无怨言,反而更加积极主动参与。学生普遍认为,发酵工程实验培养了他们的科研兴趣,提高了他们综合运用知识的能力，对学生参与未来社会发展发挥了积极的促进作用。发酵工程实验课教学体系及内容的改革还只是开始，未来还有更多的路要走。