碩士研究生發(fā)酵工藝學實驗教學的探索

楊雪霞 洪楓 曹張軍 楊光

摘 要 實驗教學是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。研究生發(fā)酵工藝學實驗課程開設有具必要性，從實驗內(nèi)容、學生能力培養(yǎng)、考評體系等方面對課程開設情況進行分析總結(jié)，為進一步提高該課程教學質(zhì)量奠定基礎。

關鍵詞 發(fā)酵工藝學實驗，研究生培養(yǎng)，實驗技能

中圖分類號：G622 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）23-0006-02

發(fā)酵工藝學是生物工程、生物化工和生物技術等專業(yè)學生的核心課程。它是在化學、生物學和化工基礎課程的基礎上開設的專業(yè)技術課，是將微生物學、生物化學、化工原理、生物反應工程、生化反應動力學等基礎理論知識應用到生產(chǎn)實踐中的橋梁課程。該課程既要闡明發(fā)酵工藝的基本知識和基本原理，又要重點突出生產(chǎn)工藝操作及過程控制等方面的實際問題，是一門實踐性和應用性很強的課程。發(fā)酵工藝學實驗是發(fā)酵工藝學課程的重要組成部分，通過發(fā)酵工藝學實驗可以加強學生對發(fā)酵生產(chǎn)過程中所涉及的原理、技術、工藝等發(fā)酵理論基礎知識的理解，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，最終達到提高教學質(zhì)量的目的。

一、研究生開設發(fā)酵工藝學實驗課程的必要性

近年來，隨著高等教育體制的改革，本科生和研究生招生規(guī)模不斷擴大。與此同時，大量擴招造成部分院校師資力量不足，教學設施缺乏，教學質(zhì)量參差不齊。以發(fā)酵工藝學實驗課程為例，普遍存在如下問題：一是不同院校實驗課開設質(zhì)量差異較大。有些學校專業(yè)師資力量強，實驗設施好，能開出綜合性、創(chuàng)新性強的發(fā)酵工藝學實驗課程，學生所受的訓練專業(yè)而系統(tǒng)；而有些學校師資力量不足，實驗設施缺乏，實驗課程開設有困難。二是專業(yè)人數(shù)多，學生獨立操作實驗的機會少。有些院校專業(yè)招生人數(shù)偏多，盡管開設了發(fā)酵工藝學等相關實驗課程，但大多是演示性實驗，或小組有多名組員，學生獨立訓練機會少，學生做實驗只是走過場。根據(jù)近年我院研究生的招生情況來看，大多數(shù)學生在本科階段缺乏實驗技能的培養(yǎng)。研究生階段的學習強調(diào)綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，包括動手能力、實踐中運用理論知識解決實際問題的能力、相互合作能力和總結(jié)表達能力等，實驗教學是提高研究生綜合能力有效途徑之一。為減少研究生在本科階段所學知識和專業(yè)訓練上的差異，彌補本科階段訓練的不足，提高研究生的實驗技能和創(chuàng)新能力，使其盡快適應研究生階段的學習研究，我院為生物相關專業(yè)的研究生開設發(fā)酵工藝學實驗課程。

二、實驗內(nèi)容設置

發(fā)酵工藝學實驗在碩士研究生一年級開設，設為選修課程，教學時數(shù)32。學生來自多個不同的專業(yè)，有生物化工、生物化學與分子生物學、生物工程等專業(yè)，學生專業(yè)背景不同，知識結(jié)構(gòu)和基礎也差別較大。實驗內(nèi)容的設置既要考慮基本技能的訓練，培養(yǎng)他們的實際動手能力，又要考慮科研思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高他們的科研素養(yǎng)。結(jié)合現(xiàn)有實驗條件和我院科研特色，目前課程安排了兩個綜合性實驗：實驗一為全自動機械攪拌發(fā)酵罐的使用及中性蛋白酶的發(fā)酵生產(chǎn)；實驗二為氣升式發(fā)酵罐的學習使用及細菌纖維素的發(fā)酵制備。所安排的這兩個實驗可以從以下幾個方面訓練培養(yǎng)學生。（1）學習使用不同類型的發(fā)酵罐。實驗特意設計選擇了機械攪拌式發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐這兩種不同類型的發(fā)酵罐，以加深學生對發(fā)酵罐構(gòu)造的認識。機械攪拌式發(fā)酵罐是最常用的生物反應器，學生對這種類型的發(fā)酵罐了解較多，但氣升式發(fā)酵罐一般實驗室用的較少，學生對這種類型的發(fā)酵罐了解不多。兩種類型的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)傳氧不同，剪切力不同，適用的培養(yǎng)對象也不同。學生通過比較了解到不同反應器的特征及認識到根據(jù)培養(yǎng)對象選擇反應器的重要性；（2）學習不同的發(fā)酵罐滅菌方式。一種發(fā)酵罐采用離位滅菌，適合實驗室科學研究用，一種發(fā)酵罐采用原位滅菌，更接近實際的工廠生產(chǎn)方式。通過發(fā)酵罐兩種滅菌方式的比較，學生更多了解實驗室操作和工廠生產(chǎn)的不同。另外，實驗所用原位滅菌發(fā)酵罐是需要全手動操作的發(fā)酵罐，這種發(fā)酵罐更適合教學，學生必須熟悉所有管路和閥門的連接、工藝流程的操作才能很好的完成實驗。而目前科研上用的全自動發(fā)酵罐只需要簡單設置參數(shù)就完成操作，整個發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、管路連接、控制等對學生來說是一個黑匣子，不適合教學。（3）學習生產(chǎn)不同的發(fā)酵產(chǎn)品。一種產(chǎn)品是蛋白酶，屬于蛋白質(zhì)類產(chǎn)品；一種是細菌纖維素，屬于多糖類產(chǎn)品。發(fā)酵產(chǎn)品不同，采用的反應器不同，微生物培養(yǎng)特征和生產(chǎn)工藝不同，對產(chǎn)品的分析檢測方法也不同。通過學習對不同產(chǎn)品的發(fā)酵，一方面強化基本實驗技能的訓練，如培養(yǎng)基配制、發(fā)酵罐系統(tǒng)的滅菌、接種、取樣等操作均要求規(guī)范熟練，另一方面通過發(fā)酵產(chǎn)品的巨大差異訓練學生的思維和創(chuàng)新能力。如細菌纖維素是一種新型的生物材料，但其工業(yè)化動態(tài)發(fā)酵罐生產(chǎn)目前仍不成熟，其最佳培養(yǎng)方式和工藝仍在探索中。

三、研究生綜合研究能力的培養(yǎng)

（一）實驗技能的訓練

實驗教學過程中注重基本實驗技能的規(guī)范、熟練和綜合實驗技能的訓練提高。研究生經(jīng)歷了本科階段基礎實驗課程、專業(yè)實驗課程的訓練，他們已掌握了一些基本實驗技能，如稱量、培養(yǎng)基和溶液配制、滅菌、接種技術等。實驗中，從培養(yǎng)基的制備、滅菌、種子的擴大培養(yǎng)、接種、發(fā)酵過程的管理，到生物量、產(chǎn)品、底物濃度等參數(shù)的分析測試都由研究生獨立完成。教師如果發(fā)現(xiàn)學生在基本操作上有問題，及時更正。對于綜合實驗技能或需要強化的實驗技能，則由老師重點講解，實驗中重點指導，如原位滅菌發(fā)酵罐管路連接，pH電極和溶氧電極的校正、酶活力測定等。這樣既能給學生獨立操作和訓練的機會，又能提高其綜合實驗技能。

（二）注重培養(yǎng)學生分析解決問題的能力

研究生不僅需要扎實的專業(yè)知識，還要求具有清晰嚴謹?shù)乃季S和運用所學知識分析解決實際問題的能力。實驗前，學生必須預習實驗內(nèi)容，教師組織學生討論實驗方案和安排，制定實驗計劃，提出存在的問題。這樣學生對所做實驗的思路、實驗方案和流程、實驗的目的與要求、操作和注意事項等在實驗前就有清晰系統(tǒng)的認識，避免糊里糊涂做實驗。教師也通過設疑、質(zhì)疑等方式了解學生對實驗原理和操作的理解，促使學生獨立思考。如發(fā)酵罐原位滅菌時為什么要先進行夾套滅菌而不是直接通蒸汽進行滅菌？細菌纖維素的發(fā)酵制備時，細菌菌體被包裹在纖維素網(wǎng)絡中，采用哪種方法測定菌體生物量更合適等。實驗結(jié)束后強調(diào)對實驗過程和實驗結(jié)果的分析討論。學生的實驗報告必須對實驗中出現(xiàn)的問題、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果進行分析，并對實驗進行總結(jié)，指出需要進一步改進的地方。實驗報告重點考核學生對實驗結(jié)果的分析討論能力，結(jié)果分析有理有據(jù)，對實驗結(jié)果的討論不是試驗結(jié)果的重述，而是以結(jié)果為基礎的邏輯推論。這樣以學生為主，老師為輔的教學方式，不僅提高了學生的積極性，培養(yǎng)了他們對實驗認真負責的態(tài)度，也提高了他們分析和解決問題的能力，為后續(xù)加入導師課題組開展科研工作和學習奠定了良好的基礎。

（三）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力是研究生階段需要培養(yǎng)和訓練的重要能力之一，因此實驗過程特別注重學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如在使用機械攪拌式發(fā)酵罐時，實驗不追求所有小組結(jié)果的一致性，而是鼓勵不同小組采用不同類型的攪拌漿，考察其對實驗結(jié)果的影響，并分析為什么會有不同的影響。研究生入學后最迫切的愿望是盡快地掌握與以后科研工作相關的理論知識和各項實驗操作技術，為將來的工作打下良好的基礎。實驗過程中我們盡可能加入新的實驗技術。如細菌纖維素發(fā)酵中，采用傳統(tǒng)的方法分析細菌生長規(guī)律有一定的難度，實驗采用熒光標記法對菌體進行熒光標記，然后在熒光顯微鏡下進行計數(shù)得出菌體的生長規(guī)律。讓學生學習熒光標記的方法和熒光顯微鏡的使用，為學生以后的工作和科研打下一定基礎。

（四）課程考核

發(fā)酵工藝學實驗是一門對研究生進行綜合能力培養(yǎng)和訓練的課程。該課程采用平時成績、實驗報告、考試成績相結(jié)合的多元化考評方式。平時成績占40分，實驗報告占30分，考試成績占30分。平時成績主要包括預習報告、課堂提問、實驗操作、安全衛(wèi)生等。學生在實驗前預習并寫出預習報告，教師根據(jù)報告和課堂提問進行評定，實驗過程中主要考察學生實驗操作、實驗現(xiàn)象觀察、實驗結(jié)果分析和解決問題的能力。實驗報告主要考察學生對于實驗數(shù)據(jù)的記錄情況、寫作的規(guī)范性、對實驗結(jié)果分析總結(jié)的能力。考試內(nèi)容主要涉及實驗原理、實驗步驟、注意事項、現(xiàn)象分析、實驗設計等內(nèi)容，以學生是否掌握基本知識和基本技能為原則，重點考核學生分析問題、解決問題的能力和動手能力。實驗考試不僅可以讓學生系統(tǒng)地分析總結(jié)實驗，還可以考察學生對于理論知識掌握情況以及理論聯(lián)系實際的能力。當然考試只采用單一的筆試來評價學生對本門課程的掌握程度是不夠的，今后的教學中要增加實際操作能力的考試。

四、結(jié)束語

通過為碩士研究生開設發(fā)酵工藝學實驗課程，使研究生在較短的時間內(nèi)迅速掌握發(fā)酵工藝學的主要實驗技術，減少了研究生間知識結(jié)構(gòu)的差異，做到了理論聯(lián)系實際，激發(fā)了研究生對所學專業(yè)的濃厚興趣，強化了學生動手能力和思維創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，為研究生的課題研究創(chuàng)造了良好的條件與基礎，深受學生們的喜愛。由于我們開設這門課程的時間較短，教學經(jīng)驗還比較缺乏，在今后的實驗教學中，我們將進一步優(yōu)化改進教學內(nèi)容、教學方法，強化學生的綜合實踐技能，培養(yǎng)學生的科學思維能力和創(chuàng)新精神，逐步提高教學質(zhì)量。