發(fā)酵工程課程教改實(shí)踐與探討

戴德慧，胡偉蓮

（浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州310023）

發(fā)酵工程主要是研究利用微生物細(xì)胞代謝過程的內(nèi)在規(guī)律，并以此來制備生產(chǎn)人們需要的物品的一門學(xué)科。它在現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中處于極其重要的地位，是其他生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵和必由之路［1］。該課程內(nèi)容豐富、涉及面廣，在生物工程專業(yè)教學(xué)中舉足輕重。如何在有限的課時(shí)內(nèi)使學(xué)生掌握發(fā)酵工程最基本的內(nèi)容，提高他們?cè)趯?shí)踐中分析問題、解決問題的能力，并為今后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是教師需要認(rèn)真思考的問題［2］。浙江科技學(xué)院（以下簡稱浙科院）生物工程專業(yè)自2001年開辦以來，經(jīng)過10年來教學(xué)體系的改革和完善，已建立起一支師資力量雄厚、學(xué)術(shù)思想活躍、結(jié)構(gòu)合理的教師隊(duì)伍。尤其在最近幾年內(nèi)，浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)中心等平臺(tái)先后建立，對(duì)發(fā)酵工程教學(xué)體系有較大的促進(jìn)作用。但筆者也認(rèn)識(shí)到，發(fā)酵工程課程的應(yīng)用操作性較強(qiáng)，課程教學(xué)需要更進(jìn)一步探索和深化。尤其是浙科院成為首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)本科院校，如何在新形勢(shì)下培養(yǎng)造就具有創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的生物工程技術(shù)人才，對(duì)發(fā)酵工程課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，只有不斷地對(duì)發(fā)酵工程課程教學(xué)體系進(jìn)行探索與實(shí)踐，才能適應(yīng)新形勢(shì)下的生物工程應(yīng)用型高級(jí)專業(yè)人才的培養(yǎng)。本文結(jié)合卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的背景及應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，通過優(yōu)化課程內(nèi)容體系、改進(jìn)教學(xué)方式及課程實(shí)踐教學(xué)等方面探索與分析，推動(dòng)發(fā)酵工程課程的教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 調(diào)整課程體系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1.1 調(diào)整課程體系

浙科院生物工程專業(yè)發(fā)酵工程課程在2008年前學(xué)時(shí)數(shù)定為54學(xué)時(shí)，在學(xué)生修完微生物學(xué)、生物化學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課之后，于入學(xué)后的第六學(xué)期開設(shè)。內(nèi)容主要包括發(fā)酵工程上游、中游技術(shù)。但是，由于課程內(nèi)容量太大，學(xué)生普遍反應(yīng)在較短的學(xué)時(shí)內(nèi)很難扎實(shí)掌握和靈活應(yīng)用課程知識(shí)?？紤]到發(fā)酵工程在整個(gè)生物工程專業(yè)知識(shí)體系中的重要地位，在對(duì)兄弟院校教學(xué)資料進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合本專業(yè)的課程設(shè)置特點(diǎn)，對(duì)課程體系進(jìn)行了調(diào)整，將原先的發(fā)酵工程課程分成工業(yè)微生物育種學(xué)、發(fā)酵工程2門課程，各定為32個(gè)學(xué)時(shí)。并與已開設(shè)的生物分離工程和生化生產(chǎn)工藝學(xué)組成發(fā)酵工程課程群，分別側(cè)重于菌種選育與保藏、發(fā)酵工藝原理、產(chǎn)物提取與純化、發(fā)酵應(yīng)用實(shí)例4個(gè)方向。其中工業(yè)微生物育種學(xué)、發(fā)酵工程、生物分離工程于入學(xué)后的第六學(xué)期開設(shè)，生化生產(chǎn)工藝學(xué)于入學(xué)后的第七學(xué)期開設(shè)。逐步形成了完整的發(fā)酵工程課程群。

1.2 選擇適合的教材

教材是教與學(xué)之間的橋梁，好的教材不僅可以提高教學(xué)效率，還可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［3］。選擇具有系統(tǒng)、完整的知識(shí)體系和反映本學(xué)科領(lǐng)域最新成就的優(yōu)秀教材，是確保教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵［4］。目前，發(fā)酵工程教材很多，任何一本都有各自獨(dú)特的風(fēng)格和內(nèi)容的側(cè)重，為了拓寬學(xué)生掌握發(fā)酵工程方面的知識(shí)，結(jié)合生物工程教學(xué)的自身特點(diǎn)，在教材上，選用了俞俊棠主編的《新編生物工藝學(xué)》。同時(shí)，給學(xué)生介紹多種側(cè)重點(diǎn)不同的參考書，如曹軍衛(wèi)主編的《微生物工程》、吳松剛主編的《微生物工程》、張星元主編的《發(fā)酵原理》、梅樂和主編的《生化生產(chǎn)工藝學(xué)》、儲(chǔ)炬主編的《現(xiàn)代生物工藝學(xué)》等。

1.3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

生物技術(shù)是當(dāng)前世界最前沿的學(xué)科技術(shù)，生物科技日新月異，怎樣在教學(xué)中緊跟科技發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的人才一直是各高校生物類課程教學(xué)中教師經(jīng)常思索的問題［5］。該課程教學(xué)內(nèi)容以俞俊棠主編的《新編生物工藝學(xué)》為主，同時(shí)根據(jù)浙科院卓越工程師及應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求，結(jié)合當(dāng)前生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與前沿，在編排教學(xué)內(nèi)容時(shí)，通過閱讀國內(nèi)外相關(guān)的專業(yè)學(xué)術(shù)期刊，如《Science》《Microbiolgy》《Applied and Environmental Microbiology》《微生物學(xué)報(bào)》《生物工程學(xué)報(bào)》《菌物學(xué)報(bào)》《中國食品學(xué)報(bào)》等，收集與課堂教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的最新文獻(xiàn)，加入到授課內(nèi)容中。這樣做，不僅可拓寬學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可促進(jìn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的深化與拓展，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造有利的條件。如在講述發(fā)酵培養(yǎng)基中的代謝抑制劑時(shí)，以目前研究較熱的三孢布拉氏霉菌發(fā)酵生產(chǎn)番茄紅素為例，討論為什么通過加入番茄紅素環(huán)化酶（咪唑、煙堿等）可以使三孢布拉氏霉從積累β－胡蘿卜素改為積累番茄紅素。

2 重視教學(xué)方法和手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

2.1 重視教學(xué)方法的多樣化、科學(xué)化

實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法多樣化、科學(xué)化，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是一種以單純講授為主的填鴨式教學(xué)模式，雖然這種方法教師容易控制教學(xué)的進(jìn)程，能夠使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)獲得大量系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)。但是，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性難以發(fā)揮，容易出現(xiàn)教師滿堂灌、學(xué)生被動(dòng)聽的局面。發(fā)酵工程課程是在學(xué)生學(xué)完有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)及微生物學(xué)等基礎(chǔ)課之后開設(shè)的，學(xué)生已經(jīng)具備了發(fā)酵工程的一些基礎(chǔ)知識(shí)，如生物大分子的結(jié)構(gòu)，代謝及其調(diào)節(jié)，菌種的選育，培養(yǎng)基的配制，微生物的培養(yǎng)等。采用啟發(fā)式、問題式、討論互動(dòng)式等教學(xué)方式與講授法相結(jié)合，能使學(xué)生在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上，主動(dòng)及快速深化到該課程的教學(xué)內(nèi)容中來，極大地改善了師生之間的授課模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。例如營養(yǎng)缺陷型菌株在前期課程微生物學(xué)中已經(jīng)講授過，學(xué)生對(duì)該菌株的概念和選育已經(jīng)比較清楚，但該菌株在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用卻不清楚。在授課過程中，以營養(yǎng)缺陷型菌株的性質(zhì)為啟發(fā)點(diǎn)，討論其在氨基酸、有機(jī)酸、核苷酸等代謝控制發(fā)酵中的應(yīng)用，加深了學(xué)生對(duì)營養(yǎng)缺陷型菌株應(yīng)用的掌握。

2.2 重視現(xiàn)代化教學(xué)手段

發(fā)酵工程課程與實(shí)際生產(chǎn)過程聯(lián)系緊密，傳統(tǒng)教學(xué)中粉筆加黑板的模式難以提高學(xué)生的抽象思維和邏輯思維能力。利用多媒體課件教學(xué)，可以簡化課堂教學(xué)程序，提高教學(xué)效率。特別對(duì)于課程中語言和文字不易表達(dá)的復(fù)雜過程，例如培養(yǎng)基的滅菌方法及設(shè)備，空氣除菌等工藝流程和操作技術(shù)，如果僅靠課堂的講授，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，教學(xué)效果較差。而將其工藝過程制成動(dòng)畫或?qū)⒐S實(shí)際工藝過程及操作制成電影短片穿插于課堂多媒體教學(xué)中。整個(gè)工藝過程就變得形象且直觀，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高了教學(xué)的效果。同時(shí)，在多媒體教學(xué)過程中，教師要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生有更多機(jī)會(huì)參與，做到腦動(dòng)、手動(dòng)、口動(dòng)，而不是被動(dòng)觀看和接受知識(shí)，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性［6］。例如在講授微生物培養(yǎng)基的實(shí)罐滅菌時(shí)，利用Flash圖，學(xué)生可以身臨其境地體會(huì)滅菌過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)：在配料桶內(nèi)將培養(yǎng)基配制好后，一臺(tái)往復(fù)泵將桶內(nèi)培養(yǎng)基打入到發(fā)酵罐內(nèi)至70%的裝填度，開啟發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌槳；然后開啟夾套蒸汽閥，緩慢引進(jìn)蒸汽，使料液升溫至80℃左右后關(guān)閉夾套蒸汽閥門；開三路（空氣、出料、取樣）進(jìn)汽閥，開排汽閥；當(dāng)溫度升到110℃時(shí)，控制進(jìn)出汽閥門直至121℃（表壓0.1～0.15MPa），開始保溫，倒計(jì)時(shí)30min；保溫結(jié)束后，關(guān)閉過濾器排汽閥、進(jìn)汽閥；關(guān)閉夾套下水道閥，開啟冷卻水進(jìn)回水閥；待罐壓低于過濾器壓力時(shí)，開啟空氣進(jìn)氣閥引入無菌空氣；隨后引入冷卻水，保持罐壓0.03MPa以上，將培養(yǎng)基溫度降至培養(yǎng)溫度。整個(gè)Flash流程清晰，學(xué)生們身臨其境，在觀看過程中，學(xué)生會(huì)不斷提出一些問題，如：為什么發(fā)酵罐不多裝點(diǎn)？為什么要先在夾套通蒸氣預(yù)熱？為什么滅菌完了以后冷卻的時(shí)候要通入無菌空氣等。教學(xué)氣氛熱烈，效果非常好。

2.3 完善考核制度

目前，單憑期末考試很難評(píng)價(jià)學(xué)生知識(shí)掌握的情況，且通過“一考定成敗”的方式會(huì)增加學(xué)生在期末考試的投機(jī)性，只注重學(xué)期末考試前復(fù)習(xí)，而不重視平時(shí)課后及課堂的學(xué)習(xí)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為此，筆者采用綜合成績作為評(píng)價(jià)學(xué)生最后課程成績的考核方法。規(guī)定平時(shí)成績占綜合成績的15%，其中平時(shí)完成作業(yè)或報(bào)告占10分，出勤占5分。在課程結(jié)束前，要求學(xué)生完成一篇與課程有關(guān)的綜述論文或一篇英文學(xué)術(shù)文章的翻譯。課程綜述論文題目可以自擬，但不能抄襲現(xiàn)成的論文，參考文獻(xiàn)必須在15篇以上；英文翻譯盡量要求是近三年內(nèi)SCI收錄的，影響因子在2.0以上的文章。這部分內(nèi)容占總成績的15%。期末試卷卷面為100分，按總成績的70%去計(jì)算。這種考核方式一方面對(duì)學(xué)生有一個(gè)約束作用，注重平時(shí)課堂知識(shí)的積累；另一方面，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)文獻(xiàn)的檢索，專業(yè)外文文獻(xiàn)的閱讀，以及學(xué)術(shù)論文的撰寫。在近三年的實(shí)施過程中，大部分學(xué)生的中外文文獻(xiàn)檢索水平得到較高的提升，專業(yè)綜述寫作水平也有明顯的提高，逐步掌握了專業(yè)論文的寫作方法與技巧。

3 強(qiáng)化應(yīng)用型工科背景，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

1992年，浙科院就被教育部確定為中德合作培養(yǎng)高等應(yīng)用型人才的試點(diǎn)院校；2006年，明確提出了國際化背景下高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)的方向；2010年，成為首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)本科院校。研究如何培養(yǎng)造就具有創(chuàng)新能力強(qiáng)、學(xué)以致用、全面發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，是浙科院各工科各專業(yè)教學(xué)改革的方向［7－8］。生物工程專業(yè)是世界優(yōu)先發(fā)展的高科技領(lǐng)域之一，而中國的生物工程發(fā)展和國際先進(jìn)水平相比仍有較大的差距，這可能和專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)有很大關(guān)系［9］。發(fā)酵工程具有較高的實(shí)踐性與應(yīng)用性，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是該課程教學(xué)改革內(nèi)容中的重要一項(xiàng)。

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是培養(yǎng)訓(xùn)練專業(yè)應(yīng)用技術(shù)和操作技能的場所，是理論與實(shí)踐結(jié)合的紐帶［10］。如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣與主觀能動(dòng)性，是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。在近十年來的教學(xué)實(shí)踐過程中，筆者對(duì)發(fā)酵工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容進(jìn)行了幾次調(diào)整。形成了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與綜合大實(shí)驗(yàn)并重并存，并逐步加強(qiáng)綜合性大實(shí)驗(yàn)的課程教學(xué)思路。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)發(fā)酵工程的不同階段開設(shè)實(shí)驗(yàn)，目前開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)有質(zhì)粒的提取、檢測(cè)與酶切鑒定、食用菌多糖的提取與純化、紅曲霉原生質(zhì)體制備與育種等，涵蓋發(fā)酵工藝過程的不同階段，涉及菌種的選育、培養(yǎng)基配制、滅菌、種子擴(kuò)大培養(yǎng)、固液態(tài)發(fā)酵等。綜合性大實(shí)驗(yàn)安排貼近于生產(chǎn)實(shí)際的發(fā)酵工藝，主要開設(shè)有全果汁發(fā)酵型果酒的釀造及米醋深層速釀制造技術(shù)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。由指導(dǎo)教師提前兩周給出實(shí)驗(yàn)流程圖及要求，讓學(xué)生查閱相關(guān)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。教師認(rèn)為實(shí)驗(yàn)方案可行后，由學(xué)生自己選擇和組裝實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具有一定的自主性、連貫性，不僅使學(xué)生深刻掌握實(shí)驗(yàn)原理及工藝過程，而且增加了實(shí)際操作鍛煉的機(jī)會(huì)，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

3.2 現(xiàn)場教學(xué)

工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的首要目標(biāo)是能服務(wù)于企業(yè)，能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。因此，開展生產(chǎn)實(shí)踐、把課堂搬到生產(chǎn)現(xiàn)場是一個(gè)非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。這種教學(xué)過程重在理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)際生產(chǎn)中強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)，并可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性。浙科院生化學(xué)院與許多知名的生物技術(shù)企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系，為本課程的現(xiàn)場教學(xué)提供了充足的資源。為了充分做好現(xiàn)場教學(xué)這一環(huán)節(jié)，常安排學(xué)生到一些發(fā)酵企業(yè)參觀，在生產(chǎn)現(xiàn)場，教師以課程中所學(xué)習(xí)的理論為依據(jù)，對(duì)具體生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)的選擇進(jìn)行分析講解。學(xué)生在現(xiàn)場的教學(xué)過程中就自己感興趣的專業(yè)問題與教師和企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行交流，從而加深了對(duì)于所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高了教學(xué)效率。但由于現(xiàn)場教學(xué)的時(shí)間較為有限，生產(chǎn)過程中許多細(xì)節(jié)很難全面分析與講授，為此，仿真軟件的學(xué)習(xí)是現(xiàn)場教學(xué)的有益的補(bǔ)充。如購買的啤酒工藝仿真實(shí)習(xí)軟件，既有理論課件學(xué)習(xí)部分，也包含仿真交互操作部分，學(xué)生通過對(duì)這套軟件的操作，既可以掌握啤酒釀造的必備知識(shí)，也可以獨(dú)立完成對(duì)整個(gè)工藝流程的實(shí)際操作，通過對(duì)釀造過程中的眾多參數(shù)指標(biāo)的操作和調(diào)整，可以掌握啤酒生產(chǎn)的全過程。

4 結(jié) 語

在生物技術(shù)迅速發(fā)展的形勢(shì)下，如何緊跟學(xué)科快速發(fā)展的步伐，培養(yǎng)造就具有創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高素質(zhì)生物工程技術(shù)人才，對(duì)生物工程專業(yè)課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。發(fā)酵工程作為生物工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，搞好該課程的教學(xué)，對(duì)于生物工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要的意義。為此，筆者對(duì)發(fā)酵工程課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了探索與改革，目前已取得了較好的效果。

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