發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程融合與探究式教學(xué)模式探索

陳勇

摘 要：針對《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》課程的教學(xué)內(nèi)容重復(fù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，筆者依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程對2門課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化整合。在此基礎(chǔ)上，形成了探究式教學(xué)模式和新型實(shí)驗(yàn)體系。實(shí)踐表明，整合優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容貼近生產(chǎn)實(shí)際，切實(shí)使教材變?yōu)椤皩W(xué)材”；建立的探究式教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力，有利于更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)需求的應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：課程融合；教學(xué)研究；應(yīng)用型人才；探究式教學(xué)

中圖分類號 G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）15-146-03

Curriculum Integration of“Fermentation Technology”and“Bio-engineering Equipment”and the Application of Inquiry Teaching Pattern

Chen Yong

（Food Science and Engineering College，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China）

Abstract：Aimed to avoid the content repetition between“fermentation technology”and“bio-engineering equipment”and improve the traditional teaching method，we integrated these two courses based onthe industrial production process. On this basis，inquiry teaching patterns and the new experiment teaching system were constructed. Practice shows that the integrated teaching content is close to the industrial production process，and actually changes“the teaching material”into“the learning material”. Furthermore，the new inquiry teaching pattern not only stimulates students interest in learning，but also improves students' practice ability and innovation ability. Hence，inquiry teaching pattern for“fermentation technology”and“bio-engineering equipment”is favorable to cultivate the applied talents conforming to the factory need.

Key words：Curriculum integration；Teaching research；Applied talents；Inquiry teaching pattern

《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》是生物工程專業(yè)的2門老課程，其在生物工程專業(yè)課程體系中具有非常重要的地位。我院的發(fā)酵工藝學(xué)課程為24學(xué)時(shí)，生物工程設(shè)備課程為32學(xué)時(shí)，2門課程均單獨(dú)開設(shè)16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課程。目前，這2門課程存在教學(xué)內(nèi)容重復(fù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法教學(xué)效果不佳的問題。針對該問題，我們依托學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校工程，對發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程的理論教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革與實(shí)踐。

1 發(fā)酵工藝學(xué)與生物工程設(shè)備課程教學(xué)融合一體化

目前，各校發(fā)酵工藝學(xué)課程所使用的教材為《新編生物工藝學(xué)》、《生物工藝原理》、《發(fā)酵工藝原理》、《微生物工程工藝原理》和《微生物工程》等。生物工程設(shè)備課程以《生物工程設(shè)備》教材為主。發(fā)酵工藝學(xué)教學(xué)內(nèi)容以“理”為主，生物工程設(shè)備課程內(nèi)容以“工”為重。在近十年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，一方面學(xué)生對抽象的《發(fā)酵工藝學(xué)》和“冷漠”的《生物工程設(shè)備》的學(xué)習(xí)積極性明顯低于對生物化學(xué)和微生物學(xué)等課程的學(xué)習(xí)興趣，另一方面發(fā)現(xiàn)單獨(dú)講授“工藝學(xué)”和“設(shè)備”不利于學(xué)生在宏觀層面上理解工業(yè)發(fā)酵的生產(chǎn)過程。因此，我們提出了按照工業(yè)生產(chǎn)車間流程的順序優(yōu)化整合兩門課程，進(jìn)而形成了新的知識框架（圖1）。

圖1 原料至產(chǎn)品的工藝和設(shè)備教學(xué)內(nèi)容框架

以工業(yè)生產(chǎn)中“原料至產(chǎn)品”的生產(chǎn)過程為綱，可將發(fā)酵工藝學(xué)教學(xué)內(nèi)容和生物工程設(shè)備教學(xué)內(nèi)容在不同生產(chǎn)階段進(jìn)行優(yōu)化整合。具體內(nèi)容如下。

第一章講授各種微生物發(fā)酵產(chǎn)品所需的初始原料，具體包括（1）原料種類如谷物、黃豆餅粉、酵母粉、玉米、木薯等，同時(shí)也包括發(fā)酵工藝學(xué)中的糖類、有機(jī)酸、油脂、玉米漿、魚粉、酵母粉、蛋白胨等。（2）原料處理內(nèi)容包括除鐵和原料分級設(shè)備和工藝。（3）原料的粉碎包括干粉碎和濕粉碎設(shè)備與工藝。

第二章講授工業(yè)培養(yǎng)基。先講授發(fā)酵工藝學(xué)教材中培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，再以工業(yè)培養(yǎng)基和科研實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)基的差異過渡至工業(yè)培養(yǎng)基滅菌內(nèi)容。此處將發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行重新整合，避免重復(fù)。其內(nèi)容為分批滅菌和連續(xù)滅菌的理論、滅菌設(shè)備、工業(yè)滅菌操作和相關(guān)計(jì)算（如冷卻水用量等），以工業(yè)滅菌操作和計(jì)算為重點(diǎn)內(nèi)容。本章最后為滅菌實(shí)例講解，包括生物工程設(shè)備課程中的“淀粉質(zhì)生產(chǎn)酒精的原料處理”和“啤酒中麥芽汁的制備”，同時(shí)增加了“紅霉素發(fā)酵的滅菌流程”內(nèi)容。這樣就避免了微生物學(xué)、發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程中滅菌內(nèi)容的相互重復(fù)，同時(shí)強(qiáng)化了工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際操作技能和工業(yè)滅菌設(shè)備的學(xué)習(xí)，最后通過生產(chǎn)實(shí)例將所學(xué)知識融會貫通。

第三章講授種子的擴(kuò)大培養(yǎng)。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程，在培養(yǎng)基配制、滅菌后為種子培養(yǎng)和發(fā)酵階段。這部分主要以發(fā)酵工藝學(xué)課程內(nèi)容為主，包括種子培養(yǎng)的特點(diǎn)、目的，種子擴(kuò)大培養(yǎng)、影響種子質(zhì)量因素，同時(shí)增加“移種時(shí)機(jī)的判斷”。為使學(xué)生學(xué)習(xí)工藝的同時(shí)熟悉相關(guān)設(shè)備，我們提出在講授種子培養(yǎng)的同時(shí)采用圖示法簡略介紹種子培養(yǎng)罐結(jié)構(gòu)，使工藝與設(shè)備同時(shí)呈現(xiàn)給學(xué)生。

第四章為發(fā)酵車間的發(fā)酵工藝、發(fā)酵設(shè)備及檢測設(shè)備。本章節(jié)重點(diǎn)在于將工藝、設(shè)備、儀表檢測等教學(xué)內(nèi)容有機(jī)整合，解決之前單獨(dú)講授的缺點(diǎn)。首先，在案例教學(xué)的啟發(fā)下，我們提出以典型發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)例（如紅霉素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、啤酒發(fā)酵等）講解不同發(fā)酵工藝、與之對應(yīng)的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和檢測裝置，例如以紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)為例，首先講授紅霉素發(fā)酵工藝、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的罐結(jié)構(gòu)及罐上檢測設(shè)備，最后，基于發(fā)酵工藝學(xué)歸納出各參數(shù)（如pH、溶氧等）的變化規(guī)律、控制措施以及數(shù)據(jù)分析（如攪拌、溶氧、pH、OUR等參數(shù)相關(guān)性）。通過“設(shè)備”和“工藝”聯(lián)合講授，使課程接近于生產(chǎn)實(shí)踐，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

第五章為無菌空氣制備。本章內(nèi)容主要包括無菌空氣過濾除菌原理、過濾工藝及相關(guān)設(shè)計(jì)?！盁o菌空氣制備”為發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程共有內(nèi)容，融合后的教學(xué)內(nèi)容可避免課程內(nèi)容的重復(fù)。

第六章主要講授染菌分析。染菌預(yù)防和原因分析是工業(yè)發(fā)酵中非常重要的任務(wù)。本章內(nèi)容為發(fā)酵前期、中期和后期染菌后的處理方法、染菌原因分析。染菌原因分析涉及到較多的發(fā)酵設(shè)備知識如管道、通氣，軸封等。據(jù)此，我們將該章節(jié)與生物工程設(shè)備課程中的管道清洗殺菌內(nèi)容相互融合，將染菌和管道滅菌相聯(lián)系。這樣，一方面能夠更加有利于學(xué)生深入了解工業(yè)染菌、殺菌，另一方面避免了管道清洗殺菌內(nèi)容的相對枯燥。

第七章為生物工程設(shè)備課程的“工業(yè)生產(chǎn)放大”。該章節(jié)計(jì)算公式較多，因此要明確講解各公式的來源、公式的計(jì)算目的。最后，以實(shí)例講授工業(yè)放大過程。

第八章為產(chǎn)品的提取。過濾、離心、膜分離、萃取分離、色譜分離等基本分離原理、操作為生物分離工程課程的教學(xué)內(nèi)容。蒸餾設(shè)備、結(jié)晶設(shè)備等為化工原理課程中的內(nèi)容。為了避免課程內(nèi)容的重復(fù)，融合后教學(xué)內(nèi)容主要以工業(yè)生產(chǎn)中常用的過濾、離心和萃取和離子交換色譜為重點(diǎn)，突出工業(yè)設(shè)備操作方法、工作原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上知識框架優(yōu)化整合后的教學(xué)內(nèi)容不僅避免了發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備教學(xué)中出現(xiàn)的內(nèi)容重復(fù)問題，也使授課內(nèi)容更加貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，切實(shí)使“教材”變成“學(xué)材”，同時(shí)，也為我們開展探究式教學(xué)模式奠定了基礎(chǔ)。

2 探究式教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》均是理論與實(shí)踐并重的課程。傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容采用滿堂灌的教學(xué)方法。這種模式僅注重知識的傳授，忽視了學(xué)生的參與，使得與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的知識內(nèi)容變得枯燥。在考核形式方面，過于注重知識的考核。因此，這種傳統(tǒng)教學(xué)模式不利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，更不利于實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的提升。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面，已經(jīng)有較多教學(xué)改革的報(bào)道。喬長晟等提出了將設(shè)備課程授課地點(diǎn)由教室搬到專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、研究室或校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，而在課堂上利用啟發(fā)式、研討式的教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性[1]。劉雁南等強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)踐，重視實(shí)踐環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)以某種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)為主體構(gòu)建課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，涉及發(fā)酵工藝原理、生物分離技術(shù)、生物工程設(shè)備等知識[2]。項(xiàng)駟文等針對設(shè)備課程中計(jì)算公式多、結(jié)構(gòu)原理較多，傳統(tǒng)授課枯燥乏味的問題，將案例教學(xué)法引入課堂教學(xué)[3]，如發(fā)酵過程中染菌是最容易發(fā)生的事情，以檸檬酸生產(chǎn)為例，讓學(xué)生從設(shè)備的角度出發(fā)，探討哪些設(shè)備和部件可能引發(fā)染菌。崔月花、李云靜和郎亞軍分別探討了發(fā)酵工藝原理課程的教學(xué)改革，強(qiáng)調(diào)了課堂講授方式多樣性及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要性[4-6]。在此基礎(chǔ)上，我們提出了基于發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備融合后課程的探究式教學(xué)模式改革與實(shí)踐。

探究式教學(xué)法是教師提出問題，學(xué)生通過查閱資料、實(shí)驗(yàn)、思考和分析等過程后，自己發(fā)現(xiàn)并理解掌握原理的教學(xué)方法[7]。在探究式教學(xué)過程中，學(xué)生在問題的引導(dǎo)下，主動探索和掌握解決問題的方法，學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力都會得到提高。因此，將探究模式引入到教學(xué)過程中，可以極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，對培養(yǎng)學(xué)生的邏輯和創(chuàng)新能力具有重要的作用[8]。探究式教學(xué)分為2個方面：（1）任務(wù)驅(qū)動，明確探究方向。“任務(wù)驅(qū)動法”使學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)十分明確，學(xué)生緊緊圍繞這一目標(biāo)，探求相關(guān)的知識，在完成一個個任務(wù)中主動地獲得知識，逐步提高能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。（2）提供資源、平臺，自主探究學(xué)習(xí)。1996年美國公布的《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，將探究式教學(xué)列為學(xué)習(xí)科學(xué)的核心方法[9]。我國從20世紀(jì)70年代開始引入探究式教學(xué)理念并逐步推行，但探究教學(xué)真正引起多數(shù)研究者和教師的關(guān)注并在實(shí)踐中大面積實(shí)施則始于新一輪國家基礎(chǔ)教育課程改革[10]。

從探究式教學(xué)的2個方面來看，探究式教學(xué)適用于原理和實(shí)踐并重的《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》的教學(xué)過程?！栋l(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》均有16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程，因此，采用探究教學(xué)模式鼓勵學(xué)生開展實(shí)踐活動，才有可能將枯燥的理論轉(zhuǎn)變成自身的能力。

首先，這2門課程教學(xué)內(nèi)容整合模式為“工業(yè)生產(chǎn)車間”模式，這樣就可以依據(jù)企業(yè)“生產(chǎn)車間模式”設(shè)計(jì)探究性問題或任務(wù)，以學(xué)生為主體完成任務(wù)或解決問題。比如在第一章發(fā)酵初始原料中，我們讓學(xué)生通過查閱資料獲得多種工業(yè)發(fā)酵所用的培養(yǎng)基原料，并歸納出其特點(diǎn)。在培養(yǎng)基設(shè)計(jì)章節(jié)，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單細(xì)胞酵母發(fā)酵培養(yǎng)基正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)，自行探究了培養(yǎng)基成分對發(fā)酵的影響及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，最后結(jié)合理論課程講授，增加學(xué)生對知識的理解。在發(fā)酵罐和發(fā)酵工藝控制章節(jié)中，同樣結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程向?qū)W生下達(dá)任務(wù)：（1）通過查閱資料和參觀實(shí)習(xí)基地主動認(rèn)識發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及功能。（2）在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模發(fā)酵罐上自主完成抗生素發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。在自主學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅掌握了設(shè)備結(jié)構(gòu)，也學(xué)會了滅菌工藝和發(fā)酵過程控制等操作技能。通過這種自主學(xué)習(xí)的方式，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。這種探究式教學(xué)模式不僅使學(xué)生自主領(lǐng)悟基本原理，而且有利于提升實(shí)踐操作水平。在染菌分析和管道滅菌章節(jié)，讓學(xué)生分組對50L發(fā)酵罐的可能染菌位置進(jìn)行判斷，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。最后，依托學(xué)院的小型啤酒生產(chǎn)線和葡萄酒生產(chǎn)線以及其它相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)生分組自行完成啤酒和葡萄酒的發(fā)酵過程。通過這次綜合實(shí)驗(yàn)，考察學(xué)生理論知識和操作技能，其考核成績占該課程總成績的50%，這樣避免傳統(tǒng)考核中只注重知識考核的缺點(diǎn)。

在探究式教學(xué)中，教師不僅為學(xué)生提供一個自主探究學(xué)習(xí)的平臺，而且也是探究式教學(xué)實(shí)施的組織者和管理者。因此，在整個探究式教學(xué)中教師具有重要的作用。教師要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，同時(shí)鼓勵學(xué)生對自己提出的解決方法在實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)，從而證實(shí)自己的解決方法是否得當(dāng)。這種探究式教學(xué)模式也體現(xiàn)了“學(xué)生為主、能力為重”的教學(xué)目標(biāo)，能夠更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)的需求的應(yīng)用型人才。

3 結(jié)語

本教學(xué)改革不僅整合優(yōu)化課程內(nèi)容，而且構(gòu)建了“以學(xué)生為主”的探究式的教學(xué)模式，使學(xué)生以“技術(shù)員”的身份和“任務(wù)驅(qū)動模式”進(jìn)行思考和自主學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明，該教學(xué)改革有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力，能夠更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)的需求的應(yīng)用型人才。

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（責(zé)編：徐煥斗）