以工程素質(zhì)培養(yǎng)為導(dǎo)向的發(fā)酵設(shè)備實驗教學(xué)改革

王 衛(wèi)， 黎繼烈， 姚躍飛

(中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長沙 410004)

0 引 言

發(fā)酵設(shè)備課程實驗是微生物產(chǎn)業(yè)放大培養(yǎng)理論知識的實踐課程，也培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能及生產(chǎn)協(xié)作能力的重要環(huán)節(jié)，進(jìn)而使學(xué)生對本專業(yè)所涉及擴大生產(chǎn)問題產(chǎn)生興趣，以利于自主學(xué)習(xí)。作為設(shè)備結(jié)構(gòu)解析、實踐類實驗，限于實驗單臺套設(shè)備有限以及學(xué)生自主參與度不足，導(dǎo)致教學(xué)出現(xiàn)實驗報告趨同、甚至抄襲等問題。如何促進(jìn)學(xué)生參與實驗積極性，提高技能、工程素質(zhì)培養(yǎng)成為教改的出發(fā)點。

受微課、MOOC課堂方式的啟發(fā)，在發(fā)酵設(shè)備課程實驗中，將微視頻引入個人手機終端，進(jìn)行基礎(chǔ)應(yīng)知、應(yīng)會實驗教學(xué)；結(jié)合綜合創(chuàng)新性實驗體系的建設(shè)，進(jìn)行學(xué)生按車間崗位角色分組的安排，培養(yǎng)自覺、勤奮、實事求是、勇于探索和敢于擔(dān)當(dāng)?shù)木褚约皩δ骋粏栴}的觀察力、想象力及解決或決策能力[1-6]。在實驗實踐后，分享各自實驗數(shù)據(jù)，協(xié)作完成實驗報告，形成發(fā)酵過程設(shè)備與工藝的整體觀念，培養(yǎng)學(xué)生初步的分析和解決問題以及自主科研的能力。

1 發(fā)酵設(shè)備課程實驗的構(gòu)建

自2010年起，我校實施教學(xué)質(zhì)量年建設(shè)，將原來歸屬發(fā)酵設(shè)備課程的實踐環(huán)節(jié)-發(fā)酵設(shè)備課程實驗，獨立成為一門實驗課程，16學(xué)時。本著“均衡發(fā)展，各展所長”的理念，以培養(yǎng)工程素質(zhì)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)體系構(gòu)建[7]。將必要的基礎(chǔ)實驗(4學(xué)時)，視頻化，隨身化：錄制發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)、管路、閥門及控制界面使用說明的小視頻，錄制pH、DO電極標(biāo)定和實罐滅菌、火焰保護(hù)接種的視頻，并將之通過QQ群、微信分發(fā)到各位學(xué)生手機端，方便學(xué)生帶著疑問，自主學(xué)習(xí)，提高實驗效率；在設(shè)計性創(chuàng)新實驗(12學(xué)時)，按實際發(fā)酵車間崗位特色進(jìn)行角色扮演，仿照車間生產(chǎn)批報安排實驗，同一實驗組設(shè)立工藝、能耗和質(zhì)控3個崗位，相互依靠，相互監(jiān)督，相互印證，最終形成實驗報告。

1.1 實驗選題

適宜的實驗教學(xué)選題，是確保實驗順利完成的關(guān)鍵[8-9]。選題內(nèi)容一般采用教研室教師承擔(dān)的研究課題或往屆學(xué)生創(chuàng)新項目作為基礎(chǔ)，目前開出的實驗?zāi)K有：赤霉素發(fā)酵、靈芝多糖發(fā)酵、產(chǎn)纖維素酶菌發(fā)酵、PGA酶基因工程菌發(fā)酵、玉米生料酒精發(fā)酵、紅曲固態(tài)發(fā)酵等。以上實驗項目依托所轄實驗室3臺套5L和1臺套30L的在位滅菌全自動發(fā)酵罐進(jìn)行實驗驗證。學(xué)生需在實驗?zāi)K中擇一選定項目進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備或工藝變化，以方便數(shù)據(jù)比較，獲得結(jié)論。本校生物工程專業(yè)每屆學(xué)生約60人左右，按工廠車間角色(發(fā)酵過程控制、理化參數(shù)檢測、能耗及動力支持、無菌情況及菌形態(tài)變化)分成3～5人一組，共計12～15組。

選題確定后，進(jìn)入準(zhǔn)備預(yù)習(xí)報告階段。預(yù)習(xí)報告包括實驗?zāi)康摹⒉捎脤嶒灧椒?、已具備或缺少的實驗條件、實驗難點、人員安排及預(yù)期結(jié)果等。在此階段，實驗組內(nèi)進(jìn)行分工，并仿照工廠車間生產(chǎn)批報格式，按時列出所需填測的數(shù)據(jù)表，保證實驗實施時，組內(nèi)各同學(xué)明確任務(wù)和職責(zé)?！胺彩骂A(yù)則立，不預(yù)則廢”，強調(diào)實驗預(yù)習(xí)對實驗的重要性，原始數(shù)據(jù)表格必要性，要求教師審閱、批示預(yù)習(xí)報告，并返回學(xué)生修改。預(yù)習(xí)報告經(jīng)實驗老師批準(zhǔn)，方可進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)。

1.2 實驗方案的實施

實驗實施是整個實驗的重點，所有的結(jié)果和結(jié)論都是從實驗數(shù)據(jù)分析中獲得。實驗實施過程要以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度進(jìn)行，真實記錄實驗數(shù)據(jù)。由于時間、場地與設(shè)備的限制，盡量不要更改實驗方案。各組間類似實驗?zāi)K安排在同一時段，方便學(xué)生橫向比較，也能節(jié)省時間，減低實驗老師工作量。通過與實驗老師預(yù)約，整個實驗一般能在4周內(nèi)順利完結(jié)。

組內(nèi)實驗過程中帶入工廠職能角色能起到如下作用：① 培養(yǎng)工程素質(zhì)，明確設(shè)備工藝問題的工廠處理手段。② 以設(shè)備操作為核心，明晰過程限速途徑的流轉(zhuǎn)變化趨勢。③ 以實驗為紐帶，強調(diào)勞動紀(jì)律和協(xié)作的重要性，培養(yǎng)團(tuán)隊意識和組織管理技能。加強學(xué)生組織技能培養(yǎng)，除作為組長的同學(xué)外，組員之間的民主協(xié)商、討論，保留自我意見，執(zhí)行團(tuán)隊決議的執(zhí)行力亦十分重要，這將是工作狀態(tài)下的情商培養(yǎng)，讓學(xué)生提前感受職業(yè)角色。這種實驗組織下，學(xué)生以寬角度、多視野來觀察發(fā)酵設(shè)備對于發(fā)酵培養(yǎng)過程的作用，從而綜合確立設(shè)備設(shè)計與選型的尺度和標(biāo)準(zhǔn)，為將來的研究或生產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)。

1.3 實驗結(jié)論的表達(dá)

實驗結(jié)束后，應(yīng)及時整理實驗數(shù)據(jù)和撰寫實驗報告。實驗結(jié)果就是將實驗中所得到的分析數(shù)據(jù)整理歸納，其表達(dá)強調(diào)客觀真實，這時常常涉及到將實驗數(shù)據(jù)或制成表格或作圖加以分析，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握Excel、Origin、ChemBioOffice、Matlab等常用軟件。

實驗預(yù)測、結(jié)果分析以及下一步實驗方向的討論，應(yīng)是整個發(fā)酵設(shè)備課程實驗體系的拓展與精粹，實驗各組同學(xué)可利用當(dāng)前通暢的交互式網(wǎng)絡(luò)平臺(微信、QQ等)，采用辯論形式將實驗和相關(guān)討論不斷深入，借此使理論與實踐融合，使學(xué)生建立辯證、科學(xué)、包容的認(rèn)知體系[10-11]。

1.4 實驗報告的撰寫

實驗報告是課程實驗的書面成果，應(yīng)把握其科學(xué)性、規(guī)范性以及創(chuàng)造性[12-13]。要求學(xué)生掌握必要的科技論文寫作技巧，讓自己的實驗結(jié)果清晰、明確地表達(dá)，以利于分享、交流。通過對實驗數(shù)據(jù)的整理、分析和歸納，從中找出規(guī)律。

2 實驗考核與成績評定

發(fā)酵設(shè)備課程實驗主要目的是培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論解析或指導(dǎo)實踐的能力。因此，實驗成績不應(yīng)以實驗結(jié)果正確與否作為唯一根據(jù)，否則會引導(dǎo)學(xué)生選擇現(xiàn)有成熟的方法及實驗設(shè)計，以求結(jié)果的可靠性，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的目的。因此，實驗成績評定還要加入評價立題是否有新意，設(shè)計方案是否合理[14-16]，等內(nèi)容。另外，還將學(xué)生在實驗過程中操作能力及創(chuàng)新精神等內(nèi)容納入實驗成績中。將實驗數(shù)據(jù)與實驗分析、結(jié)論分離，實驗數(shù)據(jù)在實驗課后立即上交，學(xué)生用手機拍照對各自數(shù)據(jù)進(jìn)行留存，實驗結(jié)論依據(jù)數(shù)據(jù)思考或查閱相關(guān)資料獲得，避免實驗數(shù)據(jù)更改，報告抄襲；同時在實驗簽到本上記錄學(xué)生上交數(shù)據(jù)的先后次序，以此作為實驗過程成績的一項，督促學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)，積極實踐。

實驗后，增加15 min的抽選提問考試，鞏固實驗效果。采用一些開放性測試題，題目圍繞小型自動發(fā)酵罐實驗過程易出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步考核學(xué)生對發(fā)酵設(shè)備結(jié)構(gòu)的熟悉程度，成績計入立題報告，例如：利用發(fā)酵控溫系統(tǒng)管道將循環(huán)水導(dǎo)入發(fā)酵罐內(nèi)的閥門控制方案；發(fā)酵系統(tǒng)的空壓機設(shè)備故障，供氣量降低為正常值的50%，如何調(diào)整設(shè)備控制，降低發(fā)酵失敗風(fēng)險；全混式通風(fēng)攪拌器在發(fā)酵過程中攪拌槳葉脫離，如何進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整；針對小型發(fā)酵罐絲狀菌培養(yǎng)易繞軸及檔板的設(shè)備改動問題等。實驗小組成員充分討論，上交考核答案采用卷面和視頻兩種方式，強調(diào)實罐操作能力和工藝與設(shè)備結(jié)合能力。培養(yǎng)能做、會寫、懂結(jié)構(gòu)繪圖，逐步養(yǎng)成能討論、知協(xié)作、懂分享的團(tuán)隊精神。最終實驗成績按預(yù)習(xí)報告40%、實驗過程30% 和實驗報告30%的比例計算。

3 結(jié) 語

發(fā)酵設(shè)備課程實驗的工程問題是基因、細(xì)胞、環(huán)境3方面相互作用影響的最終結(jié)果，具有一定的波動性和難以預(yù)測性，學(xué)生獲取實驗結(jié)論與以往大部分理科實驗具有明確、清晰、可預(yù)期的結(jié)果不同，導(dǎo)致實驗積極性不高。在教學(xué)環(huán)節(jié)中特別注重這一方面，首先在通過錄制、分享設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、使用方法的小視頻，方便學(xué)生靈活、自主學(xué)習(xí)；綜合性實驗實施之初，認(rèn)真審定內(nèi)容，預(yù)先要求學(xué)生思考可能出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象；實驗中，強調(diào)認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)；實驗成績不僅憑實驗報告，還考察學(xué)生對工程設(shè)備問題的理解程度。建立容錯系統(tǒng)，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新，支持學(xué)生將基礎(chǔ)學(xué)科知識應(yīng)用于發(fā)酵設(shè)備或解決某一現(xiàn)實問題，提倡學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作，合力完成同一主題下的若干個分支實驗，以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識和團(tuán)隊精神；同時，亦建立誠實、誠信的實驗品質(zhì)，避免抄襲或臆造實驗數(shù)據(jù)。實驗教學(xué)改變以往循章按時的實驗教學(xué)方式，采用開放式實驗管理，既激發(fā)學(xué)生興趣和自主創(chuàng)新能力，又解決貴重實驗設(shè)備單臺套數(shù)少與學(xué)生集中實驗要求多的矛盾，提高了實驗室和設(shè)備的利用率，也完善了實驗室的管理。