生物技术专业《微生物发酵技术》项目式教学改革与探索

王伟宸 王玉珏 黄俊 赵进

摘要：《微生物发酵技术》是我校生物技术专业的必修课程，主要介绍从菌种选育到产物分离提取的整个微生物发酵生产过程的原理、工艺和应用等，旨在让学生理解、思考并解决发酵过程中的工艺问题，为学生从事相关方面的生产和研究打下基础。本文论述了项目式教学法结合工学实践对生物技术专业微生物发酵技术课程的教学改革，有望提升学生自主学习、团队协作以及发现问题、解决问题的能力。

关键词：微生物发酵技术;项目式教学;生物技术;教学改革

生物技术专业是以理为主、以工为辅的理工复合型办学专业，强调培养学生将传统的生物学理论知识体系与现代分子生物学技术相结合。本专业学生主要学习现代生命科学的基本理论和基本知识，并接受现代生物技术方面的基本训练，具备在基因工程技术、现代医药生物技术领域从事设计、生产、管理和服务，以及生物产业技术研究、新产品开发的基本能力。

《微生物发酵技术》是生物技术专业一门应用性和实践性都很强的专业必修课，该课程在微生物学、生物化学、分子生物学等课程的基础上，融合了发酵工程、基因工程、生物分离工程等多门学科的内容。现代生物技术产业化的技术关键即为微生物发酵技术，是获得产物的重要手段。传统授课方式以教师讲授为主，通过板书或多媒体的形式向学生传授相关知识，不利于学生自主学习能力的培养。同时，由于部分院校的生物技术专业没有安排发酵工程综合实验和发酵行业工厂实习等，因此在讲授微生物发酵技术课程时必须注意加强实践和综合训练培养方面的教学。为了提高学生的实践能力，使课程能与实际紧密结合，培养能将理论与实践相结合的人才，提高其在工作中解决实际问题的能力，有必要对课程教学进行改革。

项目式教学法是指在教师指导下，学生通过一段时间内对一个相对独立的项目进行信息收集整理和方案设计完善等，并从中巩固基础知识和提高实践技能的教学方法，其关键在于以学生为主体完成一个完整的项目，让学生可以在此过程中提高自主学习能力、组织计划能力、团队合作能力和分析表达能力等。项目式教学PBL（Project-Based Learning）由加拿大教育学家查德博士以及美国教育学家凯兹博士正式提出[1]，是将“以教师为中心，通过教师向学生传授知识的被动学习方式”转换为“以学生为中心，由教师引导，学生通过多种途径在解决实际问题中获取知识的主动学习模式”。2001年，查德博士来我国讲授“项目教学法”，项目式教学在国内得到认可，并迅速得到推广，对这一教学法的研究才逐渐得以深入。目前，国内对于项目式教学的理论研究与实践应用已取得丰硕成果[2]。项目式教学最初仅应用于高等教育前的相关领域，后来逐渐在我国的某些高职院校或本科院校中的部分工学、医学或经管类专业等的教学中都有不同程度的应用，但在本科院校其他理论课程教学中的应用则很少。本文通过项目式、讨论式教学方法以及教学与工学实践相结合的教学改革方案的探索和实施，计划将《微生物发酵技术》的课程教学从教学内容、教学手段和考评方式等多个方面进行改革。

一、教学改革目标

（一）完善教学内容的设计，提高教师的教学能力

通过将教学团队的科研成果与课堂教学内容相结合，为项目式教学提供素材，以科研反哺教学，使得教学内容经常更新，有效弥补教材中部分内容的滞后性，提高教师的授课能力。

（二）完成项目小组的任务，提高学生的学习能力

引入PBL教学法，学生组成项目小组，共同设计项目、实施项目、展示项目和评价项目，并提出问题，以提升其解决实际问题的能力。

（三）结合实验教学，提高学生的工程实践能力

在PBL教学的基础上，积极与微生物发酵相关的各课题组或实验室沟通，为加深学生对课堂教学内容的理解，开放教学实验室与科研实验室，通过演示和操作增强学生实践能力。

二、教学改革内容

（一）结合工学实践，更新教学内容

结合生物技术专业培养方案专业培养目标和毕业要求，将微生物发酵技术分为若干教学单元和工艺单元，典型的教学单元包括：菌种的选育、发酵培养基优化、无菌保障、发酵条件与过程工艺控制等。典型的发酵产品工艺单元包括：抗生素类产品的发酵工艺、氨基酸类产品的发酵工艺、核苷酸类产品的发酵工艺、酶制剂的发酵工艺、甾体转化发酵工艺以及有机酸类产品的发酵工艺等。在此基础上，引入授课团队成熟的科研成果，如有机酸类的乳酸、酶制剂类的纤维素酶以及甾体类产品等的研究成果，以丰富教材内容。

为更好地服务于项目化教学改革，加入发酵产品工艺单元的教学内容，同时兼顾课程的学时要求，我们从众多优秀教材中選择了适合本课程的教材。自2018年起，本课程将杨生玉、张建新主编的《发酵工程》作为主要教材，该教材涵盖了从“菌种的选育”“微生物代谢调节”“种子扩大培养”“培养基和发酵条件优化”“发酵动力学”以及“产物分离提取”等部分，并有专门的典型发酵工艺案例的相关介绍。同时，将韦革宏、杨祥主编的《发酵工程》、陈必链主编的《微生物工程》等优秀教材作为本课程教学的主要参考书。

为加强学生实践方面的认识，通过学生设计项目使其自主学习，直接参与教学全过程，主动进行工学实践的体验、感悟与探究。将项目式教学引入《微生物发酵技术》课程的教学实践中，在教师的指导下，学生设计并完成一个完整项目或若干小项目。将工学实践融入到生物技术专业的课程教学中，构建理工结合的课程教学体系。

由于微生物发酵技术课程具有很强的实践性，单纯的理论教学效果较差，因此提升该课程教学效果的关键之处在于引入教学过程中的实践教学环节和元素。具体措施包括，在学生完成项目的过程中，可到教学或科研实验室进行发酵或产物分离实验的演示观看或实际操作。例如，在介绍发酵罐水平生产生物产品单元时，将学生带至发酵罐前对发酵的各个环节逐一进行讲解，并要求学生课后绘制发酵罐及生产示意图，这使得学生对微生物发酵理论知识的理解更加深刻，同时也有助于学生自学能力的培养。此外，学生还可以分组进行实验，锻炼实践操作能力并进一步巩固学习相应的理论知识。

在教学过程中，还可以利用授课团队科研实验室的优势，对学生开放科研实验室，学生可根据自己的兴趣和时间安排进入实验室学习项目相关的仪器设备，并开展项目相关的系列实验。另外，在课程结束后，对微生物发酵实验感兴趣的学生可以继续通过毕业设计等形式参与相关课题的研究，这些学生经过之前的教学项目实验，可以积极主动思考所遇到的问题，进一步分析所得实验结果并完善实验，在论文完成过程中可以表现出更好的研究能力。结合科研实验室的研究方向，使其研究从教学中的项目到毕业设计课题具有一定的连续性，对毕业设计的顺利完成也大有裨益。

对于本课程的授课团队，有多名生物工程或发酵工程专业背景的教师联合进行教学，保证了生物技术专业学生理论课与工程实践结合的顺利开展。此外，可以邀请合作企业的技术人员主讲与生产实际联系紧密的部分章节，使得学生了解和领会生产实践与理论知识结合的范例及其重要性。

（二）改进教学手段，转变教学方法

改進传统的课堂提问等教学互动方式，采用信息化手段使学生更好地参与师生间或学生间的互动，积极开展微信群、超星学习通等平台上的主题讨论，也可在学生设计项目之后进行师生间或学生间的讨论。引入科研项目思路，以一种新颖的教学模式使得学生根据所设计的项目去实践中寻找答案，达到在有限的教学学时内使学生将工学实践与理论内容相结合的目的。

PBL教学法将学生作为课堂的主体，以设计和完成项目为任务，使学生以小组形式进行合作，提出并共同解决问题，使学生在课程学习后具备解决复杂实际问题的能力，有效提升学生自主学习和团队协作的能力。PBL教学的具体实施方案如下：

（1）分配小组。将全班约100名学生分为10个项目小组，每个项目小组中包括约10个成员，以小组为单位设计并完成项目。

（2）项目导入。教师将计划实行项目式教学的内容设置不同的任务，例如在讲完“有机酸类产品的发酵生产”这一章的内容后，向学生介绍乳酸的发酵工艺以及乳酸生产的菌种，并布置项目任务，项目小组从原料选择、生产工艺确定、分离纯化、质量分析等方面确定有机酸在企业中生产的各个环节。

（3）制订计划。各个项目小组的学生通过组内讨论选择乳酸或其他有机酸作为项目任务进行研发，通过查阅文献、整理信息及讨论后确定本组项目中菌种的选择、保藏、发酵生产工艺流程及产物分离纯化过程的方案。

（4）阐述方案。各小组对各自方案进行论证，以PPT的形式阐述本项目的设计和实施方案，讨论项目实施过程中可能遇到的问题，在教师的指导下进行方案的修改。

（5）实施环节。学生根据自己已制定的计划实施项目方案，完成一份项目总结报告，对本小组项目的完成情况进行汇报和总结。教师根据项目实施方案以及学生讲解、汇报情况等对学生进行初步评定。

（6）展示环节。项目小组采用项目总结PPT的形式进行展示，可将录制的讲解视频上传到网上，也可结合其他视频如具体工艺视频（如学生自己得到的实验结果或调研得到的视频资料等）来讲解。学生将项目完成于线上，如超星学习通软件中的PBL网络教学综合服务平台，便于展示与观摩。借助互联网平台，使学生展示的地点不再局限于教室内。

（7）评价环节。PBL平台可供教师和学生更便利地评价项目（包括教师评价、组内评价以及组间互评等）。针对PPT展示、视频讲解、PBL平台上各小组展示的项目进行评价，学生和教师共同进行讨论，并完成每个项目的考核。讨论主要包括网上提问、答辩或主题讨论等多种形式，考核主要为教师点评打分和学生互评打分之后的综合评定。通过线上平台，授课团队或其他专家还可以共同进行评价并给出意见。

（8）成果留存。在一学期课程结束后，完成该学期课程的教学成果收集，最终形成历届学生项目成果汇总，为日后的教学提供经验借鉴。

在项目式教学完成的过程中，需要注意的是：

（1）需保证学生的积极主动性。学生在项目教学法中处于主体地位，在项目式学习中，非常重要的一点就是要对问题进行持续稳定的输入和输出，教师应充分调动学生完成项目的积极性和主动性，让学生积极主动地完成知识的补充和延伸，形成将理论知识运用于实践的能力。

（2）需保证学生知识储备充足。项目的完成应以必要的理论知识储备为前提，应在学生完成了相关知识要点的学习之后开始进行。

（3）需保证项目设计后的总结。项目完成后教师应引导学生对项目内容进行思考，提炼其设计的不足之处，并引导学生对其项目方案进行修正。

（4）需保证教师的引导作用。项目的进行虽然以学生为主体，但是不能忽略教师的指导作用。在教学过程中，教师应引导学生的设计思路，重点培养其理论知识学习运用的能力、提出并解决问题的能力、团队协作的能力以及自主学习的能力。

（三）优化考核方式，完善评价体系

改进传统的平时成绩考核方法，关注并考核学生课程学习过程中的效果，将平时成绩所占比例适当提升。平时成绩由课堂表现、主题讨论、项目讨论、课后作业等多个环节构成。对于项目式教学的成绩评定来说，在各小组的项目完成并讨论后，采用教师评分和学生互评的手段相结合，综合评定每组每名学生的平时成绩。期末考试试题也更重视综合能力的考察，在分值分配方面有所侧重。

对于期末考试，仍采用笔试的考试形式，但卷面考试的出题也应更注重考察综合能力的训练。试卷的题目，不能只是一些死记硬背的知识点，要设计一些让学生灵活运用所学知识的题目，尤其是综合性题目，可以让每一名学生通过思考，将知识点穿插在一起从而可以综合分析并解决问题，以此来达到更好的教学效果。在卷面考试的成绩权重方面，提高综合分析类题目的分值，在最近的卷面考试中，综合分析题的分值已占期末考试卷面总分的40%，学生只有全局性地理解和掌握所学知识，并具备一定的实践能力、宏观把控能力和综合分析能力才能较好地解答这类问题。

此外，对于科学前沿的把控来说，要求学生在学有余力的前提下，及时追踪最新学术动态。通过查阅中英文文献，掌握国内外最新的学术热点，同时鼓励学生掌握专业外语，逐步学会撰写综述文章。

本门课程的总成绩采用每名学生的平时成绩（包括项目设计分析所得成绩）和期末试卷卷面成绩共同评价，教学改革的研究目标确保新的评价方式可以更准确地评价学生的综合能力，有助于学生实践能力和自主学习能力的提升，为今后更多元化的评价方式奠定基础。

结语

《微生物发酵技术》是一门理论和实践结合十分紧密的应用型课程，项目式、讨论式教学是将理论知识和工学实践结合起来教学的重要途径，实施项目教学法可以让学生在深刻理解和运用理论知识的基础上，充分了解微生物发酵技术的原理，通过项目教学法的实施培养学生自学能力、表达和讨论的能力以及团队协作的能力，培养学生解决问题的能力并有将理论应用于生产实际的工业化意识，为步入社会从事生物技术相关工作和进行相关的科学研究打下坚实基础。

参考文献：

基金项目： 2020年郑州大学教育教学改革研究与实践项目《微生物发酵技术》项目式、讨论式教学改革与实践（编号：2020zzuJXLX178）;2021年郑州大学教育教学改革研究与实践项目：《生物工程综合实验》课程基于产学研创融合的应用场景全链条教学改革与实践（编号：2021ZZUJGLX006）

作者简介：王伟宸（1985—  ），男，汉族，黑龙江人，博士，郑州大学生命科学学院讲师，主要从事天然产物分离及应用研究。