发酵与分离工程实验教学改革的探索与实践

倪现朴，陈 光，田 威，李 丹，张怡轩，夏焕章

（沈阳药科大学 生命科学与生物制药学院，辽宁 沈阳 110016）

发酵与分离工程实验是培养学生大规模工业化发酵实践能力的一门生物工程类核心课程。与其他实验课程类似，传统发酵与分离工程实验教学中，很多实验受实验条件、实验经费、实验周期等因素的限制而无法开展[1-3]。另外，在实验教学中普遍存在示教操作时学生视角不完整，造成部分实验学习效果差、实验能力锻炼不足等问题。这在很大程度上影响了创新型和复合型人才的培养。因此，研究者在借鉴先进教学经验的基础上，探索了利用信息化技术推动虚拟仿真实验、实验视频等资源建设，为学生学习提供优质资源，结合翻转课堂教学方式改革，以提高生物工程类专业实验教学质量，培养综合素质高、创新能力强的生物工程、生物制药专业人才。

1 教学改革的必要性

在发酵工业中，使用发酵罐进行多级发酵生产，发酵周期长、培养原料成本高、对蒸汽和无菌空气等配套设施要求高，因此目前学生实验仍然无法开展与实际生产类似的发酵实验。而实验室摇瓶发酵与工业发酵罐发酵在实验设备、仪器操作、发酵工艺控制上都存在巨大差别，因此如果不能开展发酵罐发酵实验，必然会造成课程内容与生产实际严重脱节，不利于学生对发酵过程的综合理解和掌握，难以培养学生对生产工艺的创新能力。

实验教学中，教师实验操作演示过程不能保证所有学生能够看清所有内容的问题在实验教学中较为普遍，这些问题导致了学生学习效果差。例如在发酵实验中存在：（1）使用普通显微镜进行实验时，由于链霉菌孢子和原生质体小、没有颜色、计数时对显微镜使用熟练程度要求高，导致学生实验时经常找不到孢子或者观察的是污染的杂质，而老师指导时需要逐台显微镜进行观察、指导，无法兼顾全班同学，而且由于学生根本不知道正确的孢子/原生质体形态应该是什么样的，有时两三个小时仍然无法找到正确的图像，严重打击了学生学习的积极性。（2）发酵罐的使用实验，由于仪器少（32人只有4台发酵罐）、空间有限（老师只能在一台仪器前讲解，而很多学生由于视线遮挡而无法看清楚）造成只有少数学生学习和实验操作，而其他学生无法看清楚、不能操作。（3）发酵代谢参数的测定是一项非常基础和重要的发酵实验内容，准确测定微生物的代谢状态，是发酵过程控制的基础。但在以往的实验教学中，在糖滴定过程中教材只是描述加淀粉指示剂溶液变蓝，但由于发酵液本身浑浊且有颜色，因此跟分析化学实验中淀粉遇碘变蓝颜色有很大差别，但这种实验现象又无法通过语言准确描述，造成学生在实验操作过程中无法准确把握测试终点。

2 教学内容改革的探索

针对目前实验教学中遇到的问题，首先进行了教学内容的改革。实验教学内容的改革主要包含实验教学电子资源的制作与使用。

2.1 工业化生产中发酵与分离工艺的虚拟软件定制及其使用

由于学生实验学习的摇瓶发酵与工业大规模发酵生产无论是参数监控还是实验操作都相差甚远，造成学校学生学习与工业大规模生产脱节，且学生对整个生产工艺缺乏系统性认识等教学困境。为了增强学生对发酵工业生产系统性的认识，与软件制作公司合作开发了青霉素工业化生产中发酵与分离虚拟仿真实验（见图1）。

Fig. 1 Virtual simulation of fermentation and separation processes in the industrial production of penicillin图 1 青霉素工业化生产中发酵与分离虚拟仿真实验截图

本项目基于真实的企业生产线，依托于计算机3D仿真技术，使学生们置身于真实的工业化生产环境中，完成从培养基配置、发酵罐灭菌、种子制备、发酵培养、补料、发酵液预处理到产品精制的工业生产全流程的实验操作项目。这种虚拟仿真使得教学内容更加形象生动，且更为直观，也在一定程度上避免了很多实践教学中会遇到的安全问题。学生通过进入虚拟的生产车间进行实际观察和操作，其所取得的学习或训练效果不亚于在真实环境中所取得的效果，从而补齐实验室规模实验到工业生产的缺口，培养学生形成从实验室到生产的完整知识链条。提高学生对工业发酵生产药品的兴趣，使学生掌握发酵工艺控制方法，增强学生理论结合工业生产实际的能力，为今后从事生物药品的研发和生产打下坚实的基础。

2.2 5L发酵罐的使用讲解资源制作与使用

录制发酵罐操作讲解视频，通过实验微信群发布问题和讲解录像，学生结合教材进行预习。线上、线下一起学习，虚、实结合，从而解决常规实验教学中仪器少、空间有限造成的学生学习效果不佳的情况，使每个同学都能有很好的角度看到讲解时仪器的具体结构和操作，加深印象，增强学习效果。

2.3 显微互动实验讲解视频制作及使用

发酵与分离工程实验中链霉菌孢子计数实验部分采用显微互动实验进行互动教学。录制了互动显微镜的使用、注意事项视频以及正确的链霉菌孢子、原生质体形态，供学生自主学习。在课上教学时，使用互动显微镜，老师同时观看全班所有同学的显微结果，可以展示正确的形态，利于同学学习，如果发现错误可以及时指导，提高指导的针对性，增强同学的实验技巧。目前发酵和分离实验中显微观察已经全部采用显微互动教学，增强了学生显微观察能力。

2.4 针对实验操作难点录制讲解视频

针对教师实验示教操作过程时学生无法全部看清，以及发酵代谢曲线测定中发酵液的氨基氮的酸碱滴定、糖的氧化还原滴定中颜色变化不容易掌握的情况，录制视频和拍摄关键点照片，通过微信群发送给学生预习。

经过两轮实验教学，结果与预期相符，通过制作丰富的教学资源供学生自主学习，能够增强学生对实验操作和实验现象的认识和掌握。

3 实施过程中遇到的问题及教学方法改革

实验教学过程中通过制作虚拟仿真、课程录像等充足的实验学习资源供学生课前预习，丰富了学习内容，能够提高学生的实验预习效果。但随访发现这种增强的预习效果并不持久，实验结束一学期后，随机抽取学生调查，发现与传统的学习方法相比，只增加学习资源并不会使学习效果显著增强。

为了继续提升教学效果，尝试了实验教学方法的改革。将传统教师讲授式实验教学改为学生讲授、课堂讨论的翻转课堂式教学。在发酵罐的使用、代谢曲线测定等重点实验中，在课前进行充分预习的前提下，随机抽取学生进行实验原理、实验操作、实验结果分析的讲解。而老师主要负责组织讨论，对讲解内容错误的地方进行纠正和补充，调动学生学习的主动性。将被动接受式学习翻转为主动探索式学习后，提高了学习效果。

4 教学效果分析

对比分析不同教学模式下学生的实验学习效果。在利用制作的教学资源提前预习的基础上，对比了传统教师讲授与学生讲授为主的翻转课堂学习效果。效果主要采用定性指标和定量指标相结合的形式。定性指标主要通过学生实验中的操作规范性、实验结果的正确性、学生对实验的理解和表述准确性进行打分，占比60%；定量评价通过知识点测试进行，占比40%。研究结果表明，新建教学资源结合翻转课堂式实验学习效果显著好于教师讲授式教学。

5 讨论

在教学改革初期，针对实验教学中普遍存在的部分实验无法开展、学生无法看清楚实验演示操作等问题，着重建设了虚拟仿真、视频操作资源。这些数字教学资源的建设能够弥补实验教学资源缺乏的问题，保证了学生能够自己独立学习[4-5]。但这些资源只是学习的前提条件，而学生能不能主动学习仍然未知，因此也不能保证提高学习效果。而根据学习金字塔理论，主动学习效果显著优于被动学习[6]。教授他人（Teach others）的学习方法学习内容平均留存率能够达到 90%，而传统的听讲式（Lecture）学习内容平均留存率只有5%。这也从学习理论上决定了教学方法的重要性，我们的实验结果也与金字塔理论一致：学生讲授与讨论的翻转课堂式实验教学比传统的教师讲授教学效果更好，学生对知识的理解、掌握和运用能力都有显著提升。

由于发酵与分离工程实验遇到的问题是高校实验教学中遇到的普遍问题，因此有理由相信本课程教学改革的经验也同样适用于其他实验。建立虚拟仿真、实验操作和讲解视频等数字教学资源，将这些资源供学生自学，教学采用翻转课堂式教学，让学生进行讲授，将被动接受式学习改为主动教授式学习，是一种值得推广且易于推广的实验教学形式[7-10]。