基于知识模块的“发酵工程”课程混合式教学模式

王 霞，高 超，王书宁，杨春玉，马翠卿

(山东大学 微生物技术国家重点实验室 生命科学学院，山东 青岛 266237)

“发酵工程”是生物工程专业的一门专业核心课程，具有学科交叉性、开放性、技术性和应用性等特点[1]。首先，在“发酵工程”课程的学习过程中需要将生物学、化工、机械设备和数学等多个学科的基础知识交叉融合，这对教师的授课和学生的学习都提出了更高的要求[2]。其次，“发酵工程”课程具备的技术性和应用性使该课程的理论知识比较抽象难懂，而所涉及的生产工艺和生产设备由于没有实物参照，使课堂教学难以具体化[3]。因此，传统的单一教学模式容易使学生感到枯燥乏味，难以将理论知识应用到生产实践中。

针对传统教学模式带来的难题，笔者将知识模块化与混合式教学方法相结合应用于“发酵工程”课程的教学中，以期能够通过教学方式的创新来实现教学效果的显著提升。知识模块化就是根据课程内容的不同特点将其进行分类，针对不同模块的特点，采用相对应的教学模式和教学案例进行教学，以此来实现对课程知识有目的的分类和有组织的教学[4-5]。混合式教学就是将传统的教学模式与互联网教学资源有效地结合起来，并且由单一的教师教学转变为学生与教师共同参与，在发挥教师主导作用的同时使学生也处于主体地位，充分调动学生学习的主动性[6-7]。

1 “发酵工程”教学改革思路

针对“发酵工程”具有的学科交叉性、开放性、技术性和应用性等课程特点以及传统教学模式所具有的局限性，本论文旨在探索适合生物工程专业本科生的现代教学方式，利用现代教学理念尝试创新教学方法，扭转单一教学模式的困境，提升“发酵工程”的教学效果与教学质量。本论文涉及的“发酵工程”教学改革研究主要包含以下3个方面。

1.1 “发酵工程”课程教学内容模块化

模块教学在课堂教学中发挥着重要作用，并且已有模块教学成功应用于“微生物发酵工程”等课程教学的案例中[8-9]。根据发酵工艺主线(菌种→发酵生产→分离纯化→产物)，山东大学生物工程专业本科教学小组设置了“发酵工程”“生物反应工程”和“产品分离工程”等专业核心课程。基于山东大学生物工程专业核心课程“发酵工程”的教学内容，并参照其他院校“发酵工程”课程所涵盖的教学内容[8,10]，将“发酵工程”的教学内容进行知识模块化分割(图1)，具体分为“发酵工业常用微生物”“发酵工业原料及其预处理”“培养基灭菌”“无菌空气制备”“生物反应器”“发酵过程质量传递与质能平衡”“微生物反应动力学”“发酵工艺控制”及“发酵工业染菌及防治”共9个知识模块。

图1 “发酵工程”知识模块分类及教学方式Fig.1 The knowledge module classification and teaching models of “Fermentation Engineering”

1.2 知识模块的特点分析

分别对上述9个模块的特点进行详细分析，并将具有共性的模块进行归类。

1.2.1 基础导入型模块

“发酵工业常用微生物”“发酵工业原料及其预处理”和“发酵工业染菌及防治”3个模块的内容与“微生物学”等专业基础课的内容有交叉重叠，学生已经在上述课程的学习中掌握了相关基础知识，所以在“发酵工程”教学中将这3个知识模块列为基础导入型模块。

1.2.2 工程性模块

“培养基灭菌”“无菌空气制备”和“发酵工艺控制”3个模块中的理论知识是设备选型和工艺流程设计的基础，而发酵生产设备和工艺操作则是基础知识的实际应用，理论知识的学习不能脱离于实际发酵生产。因此，这3个模块与实际发酵生产紧密相连，具有很强的工程性特点。

1.2.3 设备模块

生物反应器包含发酵主设备(如发酵罐)和附属设备(如蒸汽系统、空气系统和循环水系统)。该模块主要涉及发酵设备及其附属设备的工作原理、功能及实际操作等相关内容，特点是以设备为主体，围绕“工作原理→设备功能→实际操作”的模式开展学习，所以该模块的设备性比较突出。

1.2.4 基础理论模块

“发酵过程质量传递与质能平衡”和“微生物反应动力学”2个模块侧重于基础理论。“发酵过程质量传递与质能平衡”模块主要涉及气液质量传递和质能平衡两个方面[8]。质能平衡理论可以预测发酵过程的基质需求量，解除基质抑制或减少无效消耗，达到合理利用质能的目的。该模块知识对于发酵过程优化控制极其重要。气液质量传递涉及发酵过程中供氧和需氧之间的平衡调控，是好氧发酵工艺调控的关键之一。另外，微生物代谢活动与其影响因素之间的关系是“微生物反应动力学”模块的重点，如发酵过程中微生物生长、基质消耗及产物合成的速率及其影响因素之间的关系是实现发酵过程自动化控制的理论基础。

1.3 建立适合不同知识模块的教学模式

知识模块特点不同，教学模式和教学案例的选取也需与之匹配。首先，根据不同知识模块的特点，确定与该知识模块相匹配的教学设计与教学模式。在确定不同模块最合适的教学模式基础上，将影像资料录制与整理、代表性教学案例选取和翻转课堂设计等不同辅助方式与其匹配。将各模块综合整理后再探索基于知识模块特点的“发酵工程”教学设计和教学模式。

2 “发酵工程”教学改革初步尝试

基于以上教学改革思路，对“发酵工程”课堂教学进行了改革尝试，在教学内容模块化、知识模块的特点分析、建立适合于模块特点的教学模式并选取相关教学案例和建立基于不同知识模块的混合式教学方案等方面进行了探索。

2.1 基础导入型模块采用翻转课堂模式教学

基础导入型模块包括“发酵工业常用微生物”“发酵工业原料及其预处理”和“发酵工业染菌及防治”，该模块是以学生为中心，以主题讨论和案例分析为载体，结合知识点设计翻转课堂教学模式，加强基础理论和实验实践相结合的学习模式。

具体的实施流程如图2(a)所示。首先，学生利用课程网站进行上述3个模块课程内容学习，教师根据这3个模块中必须掌握的知识点设计一系列主题和综合性的实践应用案例，如选取已有的成功案例和任务设计；然后，对学生进行分组，让学生查阅文献后准备演示文稿进行课堂展示，并开展课堂讨论。在课堂讨论中以学生为中心，教师为辅助，教师承担引导思路和概括总结的作用。

对于上述3个基础导入型模块，采用翻转课堂的教学模式后发现，这不仅激发了学生的主动学习意识，能够独立思考、分析研判和互相学习，而且提升了学生在分析总结、学术展示、语言组织与表达及团队协作等方面的综合能力。

2.2 工程性模块采用虚拟仿真模拟、可视化影像与实践操作相结合教学模式

“培养基灭菌”“无菌空气制备”和“发酵工艺控制”3个模块的工程性比较突出，与实际生产结合紧密。如果单纯依靠传统多媒体课件展示和口头讲解，不仅会让教师觉得教学内容单调和空洞，而且很难让学生对所学知识有深入和直观的理解，难以吃透知识点，容易失去学习兴趣。因此针对这3个知识模块的工程性特点，采用虚拟仿真模拟、可视化影像教学与实践操作相结合的教学模式，具体实施流程如图2(b)所示。首先，进行模块相关操作流程视频制作与虚拟仿真实验的设计；其次，利用虚拟仿真技术模拟真实环境中的实验设计、操作和验证等，让学生更加深刻全面地了解整个实验过程中涉及的原理与操作等；最后，对实验室现有发酵罐的实际操作等进行影像视频资料录制与整理，采用可视化影像教学模式，把这几个模块的理论知识与工程操作以形象直观、简单易懂、生动有趣的方式展现给学生。

在此基础上，将“培养基灭菌”“无菌空气制备”和“发酵工艺控制”3个知识模块教学内容从原本的课堂教学搬到实验室中，通过实践操作不仅可以增加真实感，激发学生的兴趣与好奇心，还可加深学生对于重要知识点的理解，提高学生学习的主动性。同时，将以上教学内容制成短视频的形式，利用慕课(MOOC)上传至互联网平台，使学生的学习时间不拘泥于课上的时间，课下也可以实现课程的学习，并且能够实现资源共享，有利于在规定课时内最大限度地提升教学效率。

2.3 设备模块采用现场设备讲解与观摩模式教学

“生物反应器”知识模块主要包括发酵设备及其附属设备(蒸汽系统、空气系统和循环水系统)和检测控制元件的主要部件与功能介绍。尽管在“发酵工程”等专业核心课程开课前，生物工程专业学生已经具备了一定的机械设备和工程制图相关基础知识，但是大部分学生未接触过生物反应器及其检测控制元件。因此，采用单一的传统多媒体课件展示的教学模式，学生很难将设备及其部件与其在发酵过程中的功能作用联系在一起，课堂教学会呈现出抽象、难懂、枯燥和灌输式的特点，导致学生学习热情不高，这给教学效果和教学质量的提升带来很大挑战。

基于以上问题，课程组将“生物反应器”模块的课堂多媒体展示教学模式与实验室的现场讲解与观摩教学模式相结合进行(图2(c))。首先，进行课堂知识点讲解与设备视频介绍；然后，带领学生在实验室进行发酵设备的现场讲解与观摩，通过这样的方式，学生可以真实、直观地了解设备及其部件在发酵过程中的作用，将枯燥难懂、抽象化的课堂图片展示教学模式转为积极、活跃、高效的现场实物设备观摩学习；最后，通过发酵设备的实际使用与操控让学生充分理解发酵设备及其部件在发酵过程中的功能与作用。

2.4 基础理论模块采用探究型与案例结合教学

基于“发酵过程质量传递与质能平衡”和“微生物反应动力学”2个模块侧重于发酵过程质量传递与质能平衡理论及发酵过程动力学的基础理论特点，如果采用单一的传统多媒体教学模式，不仅使得课堂教学空洞乏味，而且学生很难做到将理论知识运用到实际生产中。因此，这2个模块采用探究型与案例分析结合的教学模式，如图2(d)所示。首先，进行课堂知识点讲解与学习；然后，设计教学应用案例，让学生查阅文献，总结归纳这些模块的理论知识应用于生产实践的成功案例；最后，让学生撰写科研小论文，分析文献资料中的成功案例是如何将这些模块的理论知识与生产实践相结合的，并阐述自己的观点。

图2 “发酵工程”知识模块教学方式示意Fig.2 Schematic diagram of the teaching models for different knowledge modules “Fermentation Engineering”

探究型与案例结合的教学模式，不仅强化了学生对理论知识的理解，还提升了学生查阅文献资料、归纳整理及科研论文写作的能力。

3 教学效果体现

3.1 翻转课堂教学模式提高了学生学习的积极性

将“发酵工程”课程的授课内容录制视频，制作了“发酵工程”课程网站(http:∥course.sdu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseId=5226&topMenuId=237850&action=view&type=&name=&menuType=1)，使学生在课余时间能够进行学习，实现了翻转课堂教学。以学生为中心，结合知识点以主题讨论和案例分析为载体，形成基础理论和实验实践相结合的学习模式，通过翻转课堂教学模式的设计与应用可以使学生充分地参与到教学活动中来，成为教学过程中的主导者，有利于学生更加主动深入地去学习与了解课程相关内容，充分调动了学生的积极性，同时也锻炼了学生的团队协作与沟通等能力。

3.2 传统教学模式与现代化教学资源结合增加教学趣味性与学习渠道多样性

使用30 L发酵罐进行发酵流程的完整操作，将“培养基灭菌”“无菌空气制备”和“发酵工艺控制”等知识模块的操作流程录制成视频模块，在课堂教学中，通过可视化影像教学模式把工程性强的知识模块以形象直观、简单易懂、生动有趣的形式展现给学生，实现了传统的课堂教学模式与现代教学方式有机结合，增加了教学的趣味性。这些新型的教学方式使教学内容更加生动形象，对一些实验操作细节能够提前了解并且可以反复观看，解决了教学方式单一的困境，提高了学生的学习兴趣。同时利用MOOC技术的便利性使学生在课余时间也能够进行学习观摩，不仅实现了资源的可重复利用与共享，学生也能够有效地获取自己感兴趣的内容，极大地促进了学生的学习自主性，并且学习渠道的增加也进一步调动了学生深层次学习的激情，增强了思维模式的训练。

3.3 理论教学与实际操作相结合提升了学生的综合素质

课堂上知识的讲解使学生充分学习了“发酵工程”的理论内容，现场设备的讲解以及实验实践使学生真实体验了发酵工艺的整个过程，对学生来说既巩固了他们在理论课堂上的学习成果，又可以学习到更多与实际发酵过程相关的技能，对发酵过程中设备的作用及发酵工艺有了更加清晰的认知和更加透彻的理解，从而进一步提高了学生的综合能力。例如，生物工程专业本科生利用所学知识开展了“淀粉为碳源的结冷胶发酵研究”“养殖废弃物微生物发酵工艺优化”及“微生物燃料电池(MFC)对酸性发酵废水的处理与同步产电研究”等多项科创竞赛项目。其中，2018级学生题为“微生物燃料电池(MFC)对酸性发酵废水的处理与同步产电研究”的项目研究，获得了山东大学第十二届大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖和第七届山东省互联网+大学生创新创业大赛铜奖。

4 结论

针对“发酵工程”的课程特点和教学难点，基于生物工程专业学生的背景特点，本论文初步探索了适合生物工程专业本科生的现代教学方式。将“发酵工程”教学内容合理模块化，并使不同模块之间有效衔接。探索将知识模块化与混合式教学方法有机结合应用于“发酵工程”教学中的新模式，打破以教师讲授和教材知识为主的传统教学模式，激发学生学习的积极性与主动性，提升“发酵工程”的教学效果与教学质量，也为其他课程教学提供一定的参考。