多層次教學(xué)法在代謝控制發(fā)酵實(shí)踐課程中的應(yīng)用

劉慧燕， 方海田， 潘 琳

(寧夏大學(xué) 食品與葡萄酒學(xué)院 寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021)

提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高校深化教育教學(xué)改革的核心目標(biāo)，而將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿于高校人才培養(yǎng)的全過(guò)程，就是要著重提高學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)能力。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育融合作為一種新的教育理念，它的核心內(nèi)涵是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力[1]。高校是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的搖籃，需要更新教育觀念，革新人才培養(yǎng)模式，在專業(yè)教育中融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，以培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)和社會(huì)需要的人才。

代謝控制發(fā)酵課程是寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)(生物工程方向)的核心課程，課程內(nèi)容是以工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的代謝調(diào)控為主線，介紹微生物生理生化和分子生物學(xué)知識(shí)在微生物發(fā)酵過(guò)程中的代謝調(diào)節(jié)和發(fā)酵規(guī)律，在食品生物工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著重要作用。本課程實(shí)踐性很強(qiáng)，傳統(tǒng)的講授方法不容易理解和掌握，尤其實(shí)踐操作部分，需要學(xué)生提前認(rèn)真預(yù)習(xí)、反復(fù)練習(xí)和實(shí)踐操作。

針對(duì)以上情況，課程組教師成員改革原有的實(shí)踐教學(xué)模式，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導(dǎo)向，采用多層次實(shí)踐教學(xué)模式，對(duì)實(shí)踐教學(xué)部分進(jìn)行重構(gòu)和設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程內(nèi)容與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)內(nèi)容的結(jié)合與嵌入，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為寧夏地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和能力的人才。

1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導(dǎo)向的多層次實(shí)踐教學(xué)法的實(shí)施

1.1 優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)、設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)

對(duì)代謝控制與發(fā)酵課程實(shí)踐部分進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置多層次的實(shí)踐教學(xué)模式，使學(xué)生容易掌握理解，同時(shí)設(shè)置創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實(shí)踐章節(jié)，實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)講授，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)課程教學(xué)中。

圖1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導(dǎo)向的代謝控制發(fā)酵實(shí)踐課程多層次教學(xué)法的實(shí)施Figure 1 Application of multiple teaching mode oriented by creation and innovation education in the practice teaching process of metabolic control fermentation

改革后的代謝控制發(fā)酵實(shí)踐課程分為4個(gè)模塊，若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目既獨(dú)立，又循序漸進(jìn)。在“以學(xué)習(xí)者為中心”[2-5]的理念指導(dǎo)下，旨在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度、扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技能和勇于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。本課程組教師的角色已發(fā)生了轉(zhuǎn)變，成為實(shí)踐創(chuàng)業(yè)能力體系構(gòu)建的“導(dǎo)航者”，積極利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的驅(qū)動(dòng)作用，引入慕課及其他網(wǎng)上資源探索創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育發(fā)展的新思路、新方法、新動(dòng)向，同時(shí)將一些不容易理解的實(shí)踐內(nèi)容項(xiàng)目化，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程完全交給學(xué)生完成。實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)由參觀式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢?wèn)題引導(dǎo)式”實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)之前課程組教師與企業(yè)導(dǎo)師探討實(shí)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，提出與實(shí)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展或生產(chǎn)線需要探討解決的實(shí)際問(wèn)題，要求學(xué)生在實(shí)習(xí)過(guò)程中思考這些問(wèn)題，并在實(shí)習(xí)之后提交的實(shí)習(xí)報(bào)告中提出解決辦法。

1.2 以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育為導(dǎo)向，實(shí)施多層次實(shí)踐教學(xué)模式

因?yàn)榇x控制發(fā)酵實(shí)驗(yàn)實(shí)用性、操作性極強(qiáng)，不連貫實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展不利于學(xué)生完全理解和掌握課程內(nèi)容，所以需要多層次遞進(jìn)式的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。教師根據(jù)實(shí)踐內(nèi)容精心設(shè)計(jì)，將內(nèi)容模塊化，每個(gè)模塊之間層層遞進(jìn)，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的內(nèi)容逐步融入實(shí)踐模塊，使學(xué)生逐步具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維和能力。教師通過(guò)手機(jī)教學(xué)平臺(tái)提前建設(shè)班級(jí)群，將這些實(shí)踐資源推送給學(xué)生，學(xué)生利用平臺(tái)可以了解實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃、實(shí)踐模塊內(nèi)容以及具體實(shí)踐項(xiàng)目，熟悉代謝控制發(fā)酵的實(shí)踐內(nèi)容和即將采用新的教學(xué)方法，并在教師的指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

1.2.1 利用慕課資源與仿真軟件提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)

MOOC利用互聯(lián)網(wǎng)共享的便捷性[6-7]，可為本課程教學(xué)提供線上優(yōu)質(zhì)課程資源。課程采用互聯(lián)網(wǎng)慕課資源與仿真軟件進(jìn)行提前預(yù)習(xí)，教師將精選的慕課資源和其他互聯(lián)網(wǎng)課程資源以及課程實(shí)踐計(jì)劃提前推送給學(xué)生，讓學(xué)生預(yù)習(xí)和熟悉操作步驟，然后分組討論實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)和每一步操作的注意事項(xiàng)。學(xué)生自己可以通過(guò)慕課課程資源中的課后測(cè)試、作業(yè)、討論等方式及時(shí)鞏固所學(xué)的知識(shí)，教師也可實(shí)時(shí)了解學(xué)生的進(jìn)度和學(xué)習(xí)情況，并提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

虛擬仿真軟件的應(yīng)用可以豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[8-10]，有利于學(xué)生在仿真環(huán)境下完成知識(shí)的積累和實(shí)踐能力的提升。代謝控制發(fā)酵實(shí)驗(yàn)課程仿真軟件是在北京歐貝爾公司3D軟件的基礎(chǔ)上，按照課程實(shí)驗(yàn)大綱要求和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵車間實(shí)際情況進(jìn)行適應(yīng)性的教學(xué)調(diào)整，軟件中設(shè)置了發(fā)酵設(shè)備的運(yùn)行原理以及工藝參數(shù)的調(diào)整策略，可以模擬實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，學(xué)生可以深入了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作步驟及其操作要點(diǎn)，逼真的軟件界面設(shè)計(jì)會(huì)讓學(xué)生有親手實(shí)際操作的感覺(jué)，逐漸消除了真實(shí)設(shè)備的神秘感，增加了學(xué)生的積極性，學(xué)生可以反復(fù)對(duì)仿真軟件進(jìn)行操作，為實(shí)際的創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

應(yīng)用一：在本課程實(shí)驗(yàn)六“200 L發(fā)酵罐過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)”中先利用了虛擬仿真軟件提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生分組討論實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案，查閱大量資料，反復(fù)探討實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵點(diǎn)控制及控制策略，并利用仿真軟件模擬實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。在此過(guò)程中掌握發(fā)酵動(dòng)態(tài)，并進(jìn)行雜菌的檢查、產(chǎn)物測(cè)定中間補(bǔ)料方法和分階段控制等，最后使用PPT匯報(bào)本組實(shí)驗(yàn)情況，教師進(jìn)行最終評(píng)定，給出優(yōu)化思路。推薦其中3組同學(xué)參加了“第二屆全國(guó)大學(xué)生食品工程虛擬仿真大賽”，全部獲得二等獎(jiǎng)。

1.2.2 利用小型實(shí)驗(yàn)發(fā)酵罐開(kāi)展單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立操作能力

全自動(dòng)小型發(fā)酵罐作為一種常見(jiàn)的生物反應(yīng)器[11]，在高校及科研單位中被廣泛用于小型試驗(yàn)研究，也作為生物工程的典型設(shè)備用于教學(xué)。寧夏大學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里有5 L和10 L的全自動(dòng)小型發(fā)酵罐，其形體雖小，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；學(xué)生雖然提前利用仿真軟件預(yù)習(xí)了小型發(fā)酵罐的使用，但實(shí)際的操作與仿真軟件有很大的差別，操作需仔細(xì)認(rèn)真。當(dāng)學(xué)生們進(jìn)入中試實(shí)驗(yàn)室，面對(duì)真實(shí)的發(fā)酵設(shè)備、復(fù)雜的管路和眾多的控制節(jié)點(diǎn)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)手忙腳亂、無(wú)所適從的情況，而對(duì)小型發(fā)酵罐的相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)會(huì)避免這種情況的發(fā)生。

應(yīng)用二：在本課程實(shí)驗(yàn)三“發(fā)酵罐的空罐滅菌”的教學(xué)中，就先利用5 L和10 L的全自動(dòng)小型發(fā)酵罐進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)之前，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生分組討論并制定出小組實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)施步驟，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提前預(yù)習(xí)罐體清洗方法、空消兼保壓試驗(yàn)條件及發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖等，以便實(shí)驗(yàn)順利開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)前后教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的討論題，包括：該實(shí)驗(yàn)?zāi)K回顧、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)討論和實(shí)驗(yàn)總結(jié)和討論，認(rèn)真總結(jié)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和原因，并提出解決方案，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究的能力。

1.2.3 利用中試車間發(fā)酵生產(chǎn)線實(shí)操訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作創(chuàng)新精神

中試車間是技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線的中間環(huán)節(jié)，中試要解決從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究中的各種技術(shù)問(wèn)題[12-14]。為了進(jìn)一步模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)狀況，熟練掌握現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)，需充分利用實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵中試設(shè)備，如本課程在進(jìn)行“10-20-200 L異亮氨酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制”過(guò)程中，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生嚴(yán)格把握生產(chǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)，并對(duì)異亮氨酸發(fā)酵技術(shù)操作、參數(shù)控制等關(guān)鍵操作步驟進(jìn)行操作演示，引導(dǎo)學(xué)生在清楚操作原理基礎(chǔ)上掌握生產(chǎn)設(shè)備的操作過(guò)程，而且學(xué)會(huì)在發(fā)酵生產(chǎn)條件改變時(shí)，根據(jù)在線檢測(cè)的結(jié)果對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行分析，了解發(fā)酵不同時(shí)期各項(xiàng)指標(biāo)的變化，并掌握如何對(duì)生產(chǎn)工藝和操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本環(huán)節(jié)要求同學(xué)自己解決從小試到中試過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，甚至需要考察相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)，以便更好地解決問(wèn)題，同時(shí)使自己的探索成果更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索的創(chuàng)新精神，提高解決工業(yè)化大生產(chǎn)中實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.2.4 產(chǎn)學(xué)研實(shí)習(xí)基地實(shí)踐，培養(yǎng)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力

產(chǎn)學(xué)研基地實(shí)踐，可以逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新主體之間的深度合作，通過(guò)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同研發(fā)、共享成果，形成集生產(chǎn)開(kāi)發(fā)、人才培養(yǎng)、科學(xué)研究于一體的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新系統(tǒng)[13,15]。本專業(yè)相關(guān)發(fā)酵課程共設(shè)置了3周的綜合實(shí)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生到寧夏相關(guān)的產(chǎn)學(xué)研基地直接參與企業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)，并按小組配備企業(yè)指導(dǎo)教師，讓學(xué)生參與關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)際操作。

應(yīng)用三：在去當(dāng)?shù)匕被嵘a(chǎn)企業(yè)實(shí)習(xí)前把谷氨酸代謝發(fā)酵調(diào)控生產(chǎn)作為預(yù)習(xí)作業(yè)布置給學(xué)生，先建立理性認(rèn)識(shí)，然后在現(xiàn)場(chǎng)采用啟發(fā)提問(wèn)的方法引導(dǎo)學(xué)生思考，最后在企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下逐步揭示出調(diào)控原理。隨著實(shí)習(xí)內(nèi)容深入，企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)發(fā)酵行業(yè)存在的技術(shù)難題進(jìn)行攻關(guān)，在今后的學(xué)習(xí)和科研中規(guī)劃解決制約行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，進(jìn)一步提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。引導(dǎo)學(xué)生從為了競(jìng)賽而進(jìn)行的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)市場(chǎng)的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的市場(chǎng)價(jià)值，為學(xué)生搭建實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高峰的項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化的競(jìng)演平臺(tái)。

2 第一、第二課堂有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)

第二課堂是圍繞高校立德樹(shù)人的根本任務(wù)所開(kāi)展的新型綜合素質(zhì)教育模式[16-17]，是實(shí)現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的重要途徑和手段。通過(guò)第一、第二課堂教學(xué)相結(jié)合，能夠形成一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)體系，讓大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)質(zhì)量得到提升[18-19]。本課程在以學(xué)生為中心的教與學(xué)模式下，參照“知識(shí)獲取→意識(shí)提升→能力增強(qiáng)”的培養(yǎng)模式[6]，在學(xué)習(xí)創(chuàng)業(yè)知識(shí)、掌握創(chuàng)新技能的基礎(chǔ)上，組織創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)。本課程將每一個(gè)實(shí)踐模塊依據(jù)其特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目和科研訓(xùn)練項(xiàng)目，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施，如各類虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、食品科技創(chuàng)新大賽、作品設(shè)計(jì)、社會(huì)實(shí)踐、創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目等。3年來(lái)，95%左右的食品科學(xué)與工程專業(yè)(生物工程方向)學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自發(fā)組成科研小組，積極參加與本課程內(nèi)容相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：“挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)青春”“互聯(lián)網(wǎng)+”、虛擬仿真大賽和實(shí)驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)路演等多種形式的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽和實(shí)踐活動(dòng)。

應(yīng)用四：運(yùn)用本課程實(shí)驗(yàn)五“取樣與發(fā)酵產(chǎn)物分析”中實(shí)踐內(nèi)容和方法，結(jié)合相關(guān)的營(yíng)銷策略，設(shè)計(jì)了“‘杞養(yǎng)天下’枸杞發(fā)酵系列保健產(chǎn)品的研銷”創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，7位本科生組隊(duì)參加了自治區(qū)“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”活動(dòng)，項(xiàng)目是以寧夏枸杞為原料，通過(guò)混合菌種發(fā)酵技術(shù)得到安全性較高的枸杞酵素。進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)研究，控制發(fā)酵因素如pH值、溫度、通風(fēng)、攪拌等，在發(fā)酵的過(guò)程中對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣分析，并監(jiān)測(cè)菌種之間消長(zhǎng)情況，從而得到最優(yōu)的枸杞發(fā)酵工藝參數(shù)，獲得了理想的目標(biāo)產(chǎn)物，研制出營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、風(fēng)味獨(dú)特、符合大眾消費(fèi)潮流的枸杞酵素及其系列保健發(fā)酵產(chǎn)品，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)研和銷售策劃。項(xiàng)目獲校級(jí)和自治區(qū)銀獎(jiǎng)，并被推薦參加了國(guó)家級(jí)競(jìng)賽，獲優(yōu)秀獎(jiǎng)。通過(guò)精心設(shè)置的全過(guò)程化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了第一、第二課堂的無(wú)縫對(duì)接和有機(jī)結(jié)合，激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)激情和意識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)。

3 實(shí)施效果與展望

以雙創(chuàng)教育為導(dǎo)向的多層次教學(xué)法在“代謝控制發(fā)酵”實(shí)踐課程中應(yīng)用的3年中，本課程不及格率由原來(lái)的20%降低到2%，學(xué)生也提高了自主學(xué)習(xí)的積極性。本課程組教師利用課程設(shè)置不同層次和類型的競(jìng)賽與實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與其中，成果豐碩。在高校加強(qiáng)新工科和深入推進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，需要不斷探索與完善雙創(chuàng)教育與專業(yè)教育開(kāi)展方式和實(shí)施思路，將本課程的多層次教學(xué)模式改革成果進(jìn)行推廣和應(yīng)用，在專業(yè)教育中融入雙創(chuàng)教育，多方面多角度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，以適應(yīng)科技發(fā)展與地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)高質(zhì)量人才的需要。