案例教學(xué)法在發(fā)酵工程課程中的應(yīng)用

劉修濤，熊鵬

（山東理工大學(xué) 生命與醫(yī)藥學(xué)院，山東 淄博 255000）

隨著國家“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略的提出，利用低碳環(huán)保的生物合成方法進(jìn)行化學(xué)品的高效合成，已成為當(dāng)前的研究發(fā)展趨勢(shì).發(fā)酵工程是一門專門研究化學(xué)品生物合成與放大的綜合性課程，兼具有理論性與實(shí)踐性的特點(diǎn).作為生物工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，發(fā)酵工程課程的設(shè)置符合當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，貼合社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)與行業(yè)需求，在本專業(yè)內(nèi)的重要性越來越高.學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，由于尚未參與教學(xué)實(shí)訓(xùn)或生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，容易給其造成課程內(nèi)容枯燥、知識(shí)點(diǎn)抽象的印象，因此傳統(tǒng)的課堂灌輸法難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)不到理想的教學(xué)效果.發(fā)酵工程作為實(shí)驗(yàn)室科研走向?qū)嶋H生產(chǎn)的橋梁性課程，其中存在著大量的鮮活案例.將案例教學(xué)法在發(fā)酵工程課程中進(jìn)行應(yīng)用，能有效拉近課本知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)之間的距離，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)感受，培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新實(shí)踐能力，從而實(shí)現(xiàn)課堂效率的提高與學(xué)生專業(yè)知識(shí)技能的有效提升.

1 案例教學(xué)法和發(fā)酵工程課程概述

1.1 案例教學(xué)法概述

案例教學(xué)法是以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，教學(xué)案例為基礎(chǔ)的一種課堂教學(xué)模式，通過對(duì)真實(shí)事件或情境模式的分析討論，使學(xué)生熟悉并掌握相關(guān)的知識(shí)與技能.該模式提倡將課堂還給學(xué)生，教師扮演課堂設(shè)計(jì)者與推動(dòng)者的角色，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表和交流觀點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生積極討論，并適時(shí)地將案例內(nèi)容升華為課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力[1].案例教學(xué)法歷史悠久，兩千多年前古希臘教育學(xué)家蘇格拉底論述道理時(shí)采用的“啟發(fā)式問答法”，已經(jīng)具備案例教學(xué)法的基本雛形.我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，許多經(jīng)典典籍如《莊子》《論語》《左傳》等，在闡明道理時(shí)所采用的敘事或比喻方法，也具備了案例教學(xué)法的顯著特征[2].現(xiàn)代案例教學(xué)法最早于19 世紀(jì)60 年代，由哈佛大學(xué)法學(xué)院院長(zhǎng)蘭德爾提出，他強(qiáng)調(diào)了典型案例在法律教育課程中的重要性[3].時(shí)至今日，案例教學(xué)法在理論性與實(shí)踐性兼具的課程中應(yīng)用廣泛，并具備顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）能夠促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考，課堂中通過引入最真實(shí)、最典型的案例，促使學(xué)生利用學(xué)過的理論知識(shí)進(jìn)行案例剖析、解讀、驗(yàn)證和交流，將抽象的理論知識(shí)拿到實(shí)際生產(chǎn)中，消除理論與實(shí)踐之間的隔膜，理論指導(dǎo)實(shí)踐，讓學(xué)生在一次又一次的思想碰撞中完成獨(dú)立思考的過程與重點(diǎn)知識(shí)的掌握[4]；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，案例教學(xué)法對(duì)教師的角色提出更高的要求，要求教師能夠提供涵蓋多方面知識(shí)點(diǎn)的典型案例，同時(shí)在案例教學(xué)中又要做到把控全程，能夠積極引導(dǎo)學(xué)生投入其中，并完成關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的總結(jié)概括[5].整個(gè)過程中，教師既能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的弱點(diǎn)，又能獲得學(xué)生大量的一手材料，從而實(shí)現(xiàn)課堂效率與學(xué)生能力的同步提升[6].

1.2 發(fā)酵工程課程概述

發(fā)酵工程是高等院校生物工程有關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)必修課程，該課程以生物化學(xué)、工業(yè)微生物學(xué)、生物化工原理等相關(guān)課程知識(shí)為支撐[7].在系統(tǒng)學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)上，又為學(xué)生更好地理解和掌握生化分離工程、生物工藝學(xué)、生物催化與生物轉(zhuǎn)化、生物反應(yīng)器的多尺度放大、生物反應(yīng)工程等后續(xù)課程奠定基礎(chǔ).發(fā)酵工程囊括了發(fā)酵工業(yè)的菌種選育、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)、工業(yè)種子制備、無菌技術(shù)、發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制、發(fā)酵經(jīng)濟(jì)學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)還涉及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、發(fā)酵工業(yè)中氧的供需、發(fā)酵罐的放大與設(shè)計(jì)、發(fā)酵工程控制等理論性較強(qiáng)的知識(shí)[8].課程內(nèi)容以發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過程中各分支領(lǐng)域共性的工藝基本原理和生產(chǎn)技術(shù)為主，兼具理論性與實(shí)踐性.通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握發(fā)酵工業(yè)的典型過程、基本原理、基本技術(shù)以及基本實(shí)驗(yàn)操作技能，了解該學(xué)科的發(fā)展方向，能夠理論聯(lián)系實(shí)際地去分析和解決發(fā)酵過程中出現(xiàn)的具體問題，為學(xué)生今后從事相關(guān)新產(chǎn)品或新工藝的研究與開發(fā)打下良好的理論與技術(shù)基礎(chǔ)[9].

2 案例教學(xué)法在發(fā)酵工程課程中的應(yīng)用

發(fā)酵工程課程在講授過程中以微生物發(fā)酵生產(chǎn)的全過程為主線，重點(diǎn)闡明各個(gè)階段、各種產(chǎn)品的生產(chǎn)原理與技術(shù)，講解理論知識(shí)的同時(shí)，又重點(diǎn)突出生產(chǎn)的工藝操作與控制技術(shù)等實(shí)際問題[10].該課程涵蓋的知識(shí)面廣，理論公式較多，課程內(nèi)容比較抽象，且學(xué)生沒有見過實(shí)際的發(fā)酵設(shè)備，容易對(duì)課程感到厭倦，難以調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，加大了發(fā)酵工程課程的教學(xué)難度.而案例教學(xué)法給學(xué)生提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)討論情境，能夠?qū)⒄n本中的理論知識(shí)變成能夠?qū)嶋H接觸的案例，其典型生動(dòng)、直觀多樣的特點(diǎn)，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可.

2.1 虛擬仿真的案例教學(xué)方法

發(fā)酵工程課程涉及很多化學(xué)品的生產(chǎn)過程，如白酒釀造、陳醋釀造、啤酒生產(chǎn)、琥珀酸的生物合成等.課本內(nèi)容描述比較枯燥，為使學(xué)生更加真實(shí)地了解實(shí)際生產(chǎn)過程，最好的方法是帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入工廠認(rèn)識(shí)實(shí)際生產(chǎn)，感受實(shí)際操作環(huán)境.為此本課程提出利用虛擬仿真系統(tǒng)為學(xué)生提供一個(gè)三維的、高交互操作的、高度仿真的、全程參與式的認(rèn)知學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生在平臺(tái)上練習(xí)，熟悉和鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí).同時(shí)提出生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)的實(shí)際問題，讓學(xué)生在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行模擬，了解不當(dāng)操作造成的實(shí)際后果，并組織學(xué)生集體交流，提出完整的解決方案，并再次在平臺(tái)上進(jìn)行解決方案的驗(yàn)證.利用該反饋式操作，能有效加深學(xué)生的印象，提高學(xué)生解決問題的能力.

如利用食醋固態(tài)釀造虛擬平臺(tái)，讓學(xué)生操作3D 生產(chǎn)車間場(chǎng)景內(nèi)的角色，首先認(rèn)識(shí)食醋工廠內(nèi)部的蒸糧車間、拌曲車間、酒精發(fā)酵車間、輔料拌和車間、醋酸發(fā)酵車間、熏醅車間、淋醋車間的布局與構(gòu)造，并通過虛擬場(chǎng)景交互式操作，熟悉食醋釀造過程中的原料處理、攤晾下曲、酒精發(fā)酵、輔料拌和、醋酸發(fā)酵、熏醅、淋醋、陳放等關(guān)鍵工藝流程.學(xué)生在了解主要技術(shù)操作后，結(jié)合他們實(shí)際掌握與領(lǐng)悟情況，向?qū)W生提出釀造過程中會(huì)面臨的實(shí)際問題，如原料粉碎細(xì)度不達(dá)標(biāo)、下曲溫度不合適、不同季節(jié)醋酸菌種接火量的差異、淋醋溫度設(shè)置不當(dāng)?shù)?然后每4～6 名學(xué)生成立1 個(gè)小組，每個(gè)小組選取一種問題案例進(jìn)行解讀.學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研、虛擬仿真驗(yàn)證、PPT 制作等，最終以小組的形式進(jìn)行匯報(bào)和交流.交流的內(nèi)容包括不同操作對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響，產(chǎn)生這種影響的主要原因，如何實(shí)現(xiàn)有效規(guī)避等.同時(shí)在案例分享交流過程中，教師引入理論知識(shí)的解讀與總結(jié)，如下曲溫度實(shí)際反映的是發(fā)酵過程的溫度選擇，并由此引申出溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制措施等.

該虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用，有效解決了發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)、發(fā)酵過程控制、發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制3 部分的教學(xué)內(nèi)容.具體表現(xiàn)為：（1）發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)方面.虛擬仿真平臺(tái)作為一項(xiàng)食醋固態(tài)發(fā)酵實(shí)例的模擬，其中虛擬食醋工廠內(nèi)各個(gè)車間的布局與構(gòu)造，形象展示了各車間的內(nèi)在聯(lián)系，展示了發(fā)酵工廠的設(shè)備類型與簡(jiǎn)況，展示了車間管路的設(shè)計(jì)與布置、產(chǎn)品生產(chǎn)的完整工藝流程.這些具象化的展示，進(jìn)行發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)的教學(xué)時(shí)，為發(fā)酵工廠的總圖布置、車間設(shè)備布置與管道設(shè)計(jì)、發(fā)酵工藝流程設(shè)計(jì)等內(nèi)容提供了良好的素材，并有效地輔助完成了該部分的講解.（2）發(fā)酵過程控制方面.在虛擬仿真平臺(tái)中，通過讓學(xué)生模擬食醋固態(tài)釀造過程中的“兩發(fā)酵”（酒精發(fā)酵與醋酸發(fā)酵）階段，掌握原料經(jīng)由自然微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)榘氤善肪契?，半成品酒醪?jīng)由醋酸菌發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)榇姿岬倪^程，并進(jìn)一步掌握發(fā)酵過程控制教學(xué)內(nèi)容中的發(fā)酵過程的代謝調(diào)控等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容.在“兩發(fā)酵”階段，讓學(xué)生進(jìn)行溫度控制的模擬，進(jìn)行敞口發(fā)酵向封缸發(fā)酵轉(zhuǎn)化的模擬，認(rèn)識(shí)溫控不合理或發(fā)酵條件不合適對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并由此完成發(fā)酵過程控制教學(xué)內(nèi)容中的溫度及溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的講授.（3）發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制方面.讓學(xué)生利用虛擬仿真平臺(tái)模擬進(jìn)行淋醋工作，即用煮沸的水或醋將醋醅中的醋酸及有益成分過濾出來.隨后讓學(xué)生模擬進(jìn)行醋的陳釀過程，即“夏伏曬、冬撈冰”的釀造過程，最終得到成品醋.這一系列仿真模擬操作，展示了發(fā)酵產(chǎn)物提取與精制的工藝流程，讓學(xué)生在模擬中了解到工藝細(xì)節(jié)，進(jìn)一步加深理論知識(shí)，推動(dòng)該部分教學(xué)內(nèi)容的高效掌握.

虛擬仿真的案例教學(xué)方法活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的獨(dú)立思考.在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，教學(xué)案例也讓學(xué)生了解到我國幾千年的釀醋文化、釀酒文化等，感受了中國發(fā)酵文化的博大精深，培養(yǎng)了學(xué)生的文化自信，踐行了課程思政.

2.2 實(shí)操輔助的案例教學(xué)方式

發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化、發(fā)酵工程控制、發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)等是發(fā)酵工程課程中非常重要的內(nèi)容.在這些章節(jié)的講述過程中，既有理論計(jì)算（如正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、極差分析等），又涉及一些工程化的認(rèn)知（如溫度控制過程中所需夾套或蛇管的樣式，補(bǔ)料過程中補(bǔ)料泵的工作方式，發(fā)酵罐內(nèi)部消泡漿或攪拌槳的構(gòu)造等[11]）.

利用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基優(yōu)化的講解中，由于涉及到的計(jì)算量較大，很多學(xué)生對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案表示難理解，同時(shí)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果表示疑惑.為促進(jìn)該部分知識(shí)的講解，通過與發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)課教師進(jìn)行溝通，將該部分內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)課聯(lián)動(dòng)進(jìn)行講解.在理論課中，教師以培養(yǎng)基實(shí)例優(yōu)化過程中的三水平、四因素需求為導(dǎo)入，讓學(xué)生以此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì).學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)三水平、四因素的需求共81 種組合方式，需要進(jìn)行81 次實(shí)驗(yàn).如此大的實(shí)驗(yàn)量，讓學(xué)生有了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的需求.教師此時(shí)引入正交實(shí)驗(yàn)的原理講解，同時(shí)提出正交表的設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生才能更好地理解正交表的均勻分散性與整齊可比性.學(xué)生在理解正交實(shí)驗(yàn)的原理后，教師讓學(xué)生利用正交原理再次進(jìn)行三水平、四因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，在正交原理的指導(dǎo)下，只需要進(jìn)行8 次實(shí)驗(yàn)便可確定最優(yōu)因素水平組合.為了進(jìn)一步加深和鞏固學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握，將學(xué)生分為10 組，其中一組利用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行因素水平的設(shè)計(jì)，另外9 組利用原始方法進(jìn)行因素水平的設(shè)計(jì).完成理論設(shè)計(jì)后，在實(shí)驗(yàn)課中，將理論設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，以驗(yàn)證正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)效果.通過該實(shí)操輔助的方法，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到正交實(shí)驗(yàn)在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、減輕實(shí)驗(yàn)工作量方面的重要性，并加速學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的掌握.

在發(fā)酵工程控制及發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的講解中，由于學(xué)生沒有接觸過實(shí)際的發(fā)酵設(shè)備，均表示內(nèi)容比較抽象，僅依靠上課時(shí)課件的圖片，難以很好地理解和想象.而親自實(shí)踐是透徹認(rèn)識(shí)事物的重要途徑之一，為此在發(fā)酵工程課程中引入2 臺(tái)5 L 全自動(dòng)機(jī)械攪拌不銹鋼發(fā)酵罐作為教學(xué)模型.在講授相關(guān)內(nèi)容時(shí)，教師將學(xué)生帶至專業(yè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué).教學(xué)過程中，一邊和學(xué)生共同操作，一邊進(jìn)行講解.以講授為主，共同操作為輔，將理論帶入實(shí)際，主要是促進(jìn)抽象或復(fù)雜知識(shí)的理解，提高學(xué)生的具象化認(rèn)識(shí).在講解過程中，學(xué)生可以對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行全方位的拆解、組裝與試運(yùn)行，逆向了解發(fā)酵罐的各個(gè)部位與連接方式.同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)發(fā)酵罐的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如攪拌葉輪直徑Di、擋板寬度B、攪拌葉間距S、下攪拌葉與罐底距離C及關(guān)鍵比例參數(shù)S/Di、C/Di等，讓學(xué)生對(duì)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本理論有全方位立體化的了解.學(xué)生通過實(shí)踐的方式獲取關(guān)鍵參數(shù)后，由此向?qū)W生提出發(fā)酵工廠生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)的實(shí)際需求.讓學(xué)生根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)熱情況、需氧情況、生產(chǎn)規(guī)模等，進(jìn)行發(fā)酵罐冷卻裝置、攪拌槳形態(tài)、罐體樣式及尺寸、管路布局等的設(shè)計(jì).在設(shè)計(jì)過程中，將學(xué)生分成若干小組，每組4～6 人，組內(nèi)每名學(xué)生負(fù)責(zé)發(fā)酵罐的一部分設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行組內(nèi)的討論與整合，最終每小組形成整套的設(shè)計(jì)方案，然后在課堂上進(jìn)行小組展示與討論.學(xué)生在設(shè)計(jì)與交流過程中，不斷地進(jìn)行思想碰撞，理論結(jié)合實(shí)際，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵知識(shí)的掌握與鞏固.

3 案例教學(xué)法的應(yīng)用成效

案例教學(xué)法的應(yīng)用充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，應(yīng)用成效在學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)及學(xué)生的第二課堂中有明顯的體現(xiàn)，具體表現(xiàn)為：（1）在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，2016，2017 級(jí)學(xué)生的平均成績(jī)分別為79.3，80.1，掛科率分別為1.4%，2.6%；在案例教學(xué)法的教學(xué)模式下，2018，2019 級(jí)學(xué)生的平均成績(jī)分別為83.2，82.8，掛科率均為0，學(xué)生的平均成績(jī)上漲且掛科率明顯下降.（2）第二課堂是指學(xué)生在非上課時(shí)間，自愿選擇一名導(dǎo)師，進(jìn)入相應(yīng)科研實(shí)驗(yàn)室，接受科研訓(xùn)練，進(jìn)行科研工作.這可以鍛煉學(xué)生的科研思維能力，提高學(xué)生對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí).在案例教學(xué)法應(yīng)用之前，學(xué)生積極性不高，選擇發(fā)酵工程相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)室作為第二課堂的學(xué)生比例為22%；在案例教學(xué)法應(yīng)用之后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，選擇發(fā)酵工程相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)室作為第二課堂的學(xué)生比例提高至67%，較之前提高了3 倍.由此可見，案例教學(xué)法的應(yīng)用，對(duì)學(xué)習(xí)成績(jī)的提升有促進(jìn)作用，對(duì)推動(dòng)學(xué)生第二課堂的開展也有積極作用.

發(fā)酵工程課程作為生物工程專業(yè)內(nèi)理論與實(shí)際結(jié)合比較密切的課程之一，在本專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中占據(jù)著重要地位[12].案例教學(xué)法的實(shí)施，凸顯了學(xué)生在本課程中的主體性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐技能.同時(shí)案例教學(xué)法的引入，也需要配套的考核方式改革.傳統(tǒng)的教學(xué)考核過程中，總成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（30%）+期末考試成績(jī)（70%），很多內(nèi)容強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的死記硬背.而當(dāng)前學(xué)生的考核方式變革為總成績(jī)=課堂展示（25%）+論文撰寫（20%）+平時(shí)成績(jī)（15%）+期末考試成績(jī)（40%）.其中，期末試卷的命題大大降低了客觀題（名詞解釋等）的比例，增加了生產(chǎn)實(shí)例方面的題目，為學(xué)生提供了展示自己創(chuàng)新能力的空間.案例教學(xué)法的實(shí)施，讓學(xué)生把課堂上學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)主動(dòng)利用有效的案例連成線，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的有效掌握.通過課堂上的相互交流與展示，又將知識(shí)串成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容的融會(huì)貫通，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的個(gè)人能力，實(shí)現(xiàn)了“傳統(tǒng)傳授式課堂”向“自主學(xué)習(xí)式課堂”的轉(zhuǎn)變.