以應(yīng)用為導(dǎo)向的“發(fā)酵工程實驗”教學(xué)改革與實踐

索玉凱，馬肖艷

（云南民族大學(xué)民族醫(yī)藥學(xué)院 云南 昆明 650500）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物技術(shù)已成為解決資源、環(huán)境、能源和糧食等全球性問題的有效手段。我國在“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃中也提出“生命科學(xué)已成為前沿科學(xué)研究活躍領(lǐng)域，發(fā)展生物經(jīng)濟是順應(yīng)全球生物技術(shù)加速演進趨勢、實現(xiàn)高水平科技自立自強的重要方向”[1]。發(fā)酵工程作為一門綜合性很強的課程，與食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等聯(lián)系密切，是生物技術(shù)科研成果走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵[2]。發(fā)酵工程實驗是聯(lián)系理論知識和實踐操作的橋梁，在加深學(xué)生對發(fā)酵工程理論認(rèn)知的同時，可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、科學(xué)精神和自我思考能力，掌握食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)所需的發(fā)酵技能[3，4]。因此，發(fā)酵工程實驗可為學(xué)生從事生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)科研生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)，也有助于高水平應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[5]。

發(fā)酵工程實驗作為一門多學(xué)科綜合交叉的課程，實驗內(nèi)容涉及生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)、基因工程等相關(guān)專業(yè)知識[6，7]。為了適應(yīng)生物技術(shù)的飛速發(fā)展，云南民族大學(xué)（以下簡稱“本?！保┰谏锛夹g(shù)專業(yè)開設(shè)了“發(fā)酵工程實驗”課程，內(nèi)容主要包括培養(yǎng)基優(yōu)化、菌株篩選、碳源種類對細(xì)胞生長的影響等驗證性實驗項目。這些實驗雖然能夠使學(xué)生掌握發(fā)酵相關(guān)的基本操作技能，但是每個實驗相對獨立，實驗內(nèi)容缺乏一定的連續(xù)性和系統(tǒng)性，同時還存在課時較少、試驗周期長等問題，導(dǎo)致學(xué)生的主動性和積極性在授課過程中會逐漸降低。為了激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，筆者結(jié)合近幾年的科研工作經(jīng)驗，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向進行了教學(xué)改革和實踐。

1 發(fā)酵工程實驗初始教學(xué)情況

1.1 發(fā)酵工程實驗的重要性

發(fā)酵工程是基于發(fā)酵工業(yè)，與化學(xué)工程相結(jié)合而產(chǎn)生的一門學(xué)科，其可以利用微生物的某些特定功能，通過現(xiàn)代工程技術(shù)手段生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接將微生物用于工業(yè)生產(chǎn)過程，是連接生命科學(xué)理論研究和實際應(yīng)用的橋梁[8]。發(fā)酵工程實驗可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，掌握發(fā)酵工業(yè)中常用的各種操作技能。作為當(dāng)今生物技術(shù)前沿領(lǐng)域的合成生物學(xué)和細(xì)胞工程等學(xué)科，主要是利用基因工程技術(shù)手段操縱基因，定向改造物種并生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，如果將其工業(yè)化生產(chǎn)，通常需要發(fā)酵工程技術(shù)的協(xié)助[9]。因此，開設(shè)發(fā)酵工程實驗課程，不僅可以深化學(xué)生對相關(guān)理論知識的認(rèn)知，還能為從事生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)相關(guān)工作打下堅實的基礎(chǔ)。

1.2 開設(shè)發(fā)酵工程實驗的目的

為了適應(yīng)生物技術(shù)專業(yè)發(fā)展的要求，培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才，本校生物技術(shù)專業(yè)自2019年開設(shè)了“發(fā)酵工程實驗”課程。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生要掌握發(fā)酵工程的基本原理和操作技能、發(fā)酵菌種的選育和生長規(guī)律測定、生物反應(yīng)器的工作原理、發(fā)酵產(chǎn)物的定性定量分析，并能夠利用所學(xué)知識獨立進行發(fā)酵實驗課程設(shè)計[10]。通過對本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的實踐操作能力、科學(xué)精神和自我思考能力得到充分鍛煉，具備從事生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)科研生產(chǎn)的能力。

1.3 實驗內(nèi)容設(shè)置

結(jié)合本校生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，并借鑒其他院校相關(guān)經(jīng)驗，本課程的總學(xué)時設(shè)定為36學(xué)時。由于實驗室設(shè)備較少、條件不完善和教師經(jīng)驗欠缺等原因，發(fā)酵工程實驗主要以活性菌株的分離鑒定、微生物發(fā)酵條件優(yōu)化、常見抗生素的發(fā)酵及測定、紅曲色素色價的測定等一些驗證性實驗為主。實驗的具體內(nèi)容為：土壤中蛋白酶產(chǎn)生菌的篩選（3學(xué)時）、蛋白酶產(chǎn)生菌的鑒定和保藏（3學(xué)時）、微生物產(chǎn)蛋白酶培養(yǎng)基優(yōu)化（3學(xué)時）、碳源種類對大腸桿菌生長的影響（3學(xué)時）、高效液相色譜的原理及使用方法（3學(xué)時）、氣相色譜的原理及使用方法（3學(xué)時）、四環(huán)素的定向發(fā)酵及效價測定（6學(xué)時）、紅曲的發(fā)酵及色素提?。?學(xué)時）、檸檬酸的發(fā)酵及產(chǎn)物提取（6學(xué)時）。通過對本課程設(shè)定實驗的學(xué)習(xí)，不僅可以使學(xué)生鞏固發(fā)酵工程所學(xué)的理論知識，還可以掌握從事生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的發(fā)酵操作技能。

2 發(fā)酵工程實驗教學(xué)存在的問題

在實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，由于本課程與生物產(chǎn)業(yè)實際生產(chǎn)過程聯(lián)系緊密，學(xué)生在初始階段對發(fā)酵實驗有著濃厚的興趣，不僅自發(fā)預(yù)習(xí)相關(guān)實驗內(nèi)容，課堂上的積極性和自主能動性也比較高。但是隨著實驗課程的開展，尤其是進行到第4～6個實驗時，學(xué)生的主動性和積極性會明顯降低，課堂參與度也隨之下降。通過總結(jié)，筆者認(rèn)為以上情況可能是由以下幾個原因?qū)е碌模?/p>

2.1 實驗內(nèi)容缺乏連續(xù)性

作為地方性院校，本專業(yè)教學(xué)實驗室的課程安排比較緊密，設(shè)備和條件也并不完善，因此主要開設(shè)培養(yǎng)基優(yōu)化、菌株篩選鑒定、碳源種類對微生物生長的影響、發(fā)酵產(chǎn)物定量分析等一些驗證性實驗，每個實驗相對獨立，缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。同時，由于微生物發(fā)酵周期比較長、課時較短、教學(xué)實驗室空間有限，導(dǎo)致學(xué)生無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗內(nèi)容，且很難得到理想的實驗結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生挫敗感并缺乏自信心。在這種情況下，學(xué)生會逐漸對本課程失去興趣，課堂參與度隨之下降。在期末的實驗考察中筆者也發(fā)現(xiàn)，一部分積極性不高的學(xué)生對實驗技能掌握不扎實，對實驗中多次強調(diào)的注意事項仍然操作不規(guī)范。

2.2 教學(xué)模式單一

發(fā)酵工程實驗周期較長，幾乎每個實驗都涉及培養(yǎng)基配制、pH調(diào)節(jié)、高溫高壓滅菌、菌種活化、培養(yǎng)發(fā)酵等步驟[11]。為了確保在有限的課時內(nèi)完成相關(guān)實驗內(nèi)容，教學(xué)過程中一般由教師主導(dǎo)，并由助教在課前準(zhǔn)備好所需的培養(yǎng)基、實驗耗材和菌種，教師在課上對實驗?zāi)康?、原理、操作等?nèi)容進行講解，隨后學(xué)生按照實驗步驟進行操作，并獲得實驗結(jié)果。在這種模式下，學(xué)生只能被動接受授課內(nèi)容，并按部就班地完成整個實驗過程，缺乏發(fā)現(xiàn)問題、自我思考、相互討論、解決問題的過程。筆者在期末考察中發(fā)現(xiàn)，基于題目中給出的培養(yǎng)基中各組分的摩爾濃度，部分學(xué)生仍不會計算相關(guān)組分的添加量，表明讓學(xué)生全程參與發(fā)酵實驗的過程是十分必要的。此外，學(xué)生的實驗方法和過程都一致，即使實驗失敗，也可以參照其他小組的結(jié)果進行實驗報告的撰寫，并不會對實驗失敗的原因進行反思和總結(jié)。

2.3 考核方式比較刻板

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，期末考核方式主要是基于實驗報告質(zhì)量和學(xué)生簽到率進行評價，在發(fā)酵工程實驗的考核中也是如此[12]。在這樣的考核模式下，學(xué)生只要確保每次課不缺席實驗，并按照教師要求認(rèn)真完成實驗報告的撰寫，就可以獲得比較不錯的考核結(jié)果，但是這并不能反映學(xué)生對理論知識和實驗操作技能的掌握程度。學(xué)生在實驗中遇到困難時，并不能利用之前實驗中重點講授并反復(fù)強調(diào)的實驗技能解決實際問題，表明傳統(tǒng)的考核方式無法督促學(xué)生在實驗中認(rèn)真學(xué)習(xí)。

3 發(fā)酵工程實驗教學(xué)的改革與優(yōu)化

3.1 優(yōu)化實驗內(nèi)容

自2021年開始，為了強化實驗教學(xué)的效果，本課程的總學(xué)時由36學(xué)時增加至48學(xué)時。筆者根據(jù)自己的科研工作經(jīng)驗及本校生物技術(shù)專業(yè)實驗室的現(xiàn)有條件，同時借鑒其他本科院校的課程改革經(jīng)驗，對本課程的實驗內(nèi)容進行了部分優(yōu)化調(diào)整。在咖啡濕法脫膠工藝的研究中，發(fā)現(xiàn)咖啡發(fā)酵過程中存在多種多樣的微生物，例如多種酵母菌可以產(chǎn)有機酸、乙醇或芳香類物質(zhì)，數(shù)十種霉菌可以分泌果膠酶、纖維素酶或半纖維素酶[13]。云南作為我國最大的咖啡種植區(qū)，咖啡種植面積、產(chǎn)量和產(chǎn)值均占全國98%以上，在國內(nèi)具有獨特的優(yōu)勢地位[14]。因此，基于云南小粒咖啡濕法發(fā)酵過程中分離到的微生物，筆者在教學(xué)中開展了以下實驗：咖啡發(fā)酵過程中微生物的分離及分子鑒定（6學(xué)時）、果膠酶產(chǎn)生菌的篩選及活力測定（6學(xué)時）、果膠酶發(fā)酵條件優(yōu)化（3學(xué)時）、菌種的保藏與復(fù)壯（3學(xué)時）、紫外誘變篩選高產(chǎn)果膠酶菌株（3學(xué)時）、酵母產(chǎn)香物質(zhì)的發(fā)酵及分析（6學(xué)時）、乙醇厭氧發(fā)酵（6學(xué)時）、利用酵母菌降解咖啡廢水有機物（9學(xué)時）；同時在測定微生物發(fā)酵產(chǎn)物的過程中，講授了HPLC的原理及使用方法（3學(xué)時）和氣相色譜的原理及使用方法（3學(xué)時）。其中，“利用酵母菌降解咖啡廢水有機物”是綜合性實驗，在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體、基于前期分離到的酵母菌和霉菌進行實驗設(shè)計，并檢測發(fā)酵前后廢水中有機物含量的變化。在這種模式下，各實驗之間具有較好的連續(xù)性和系統(tǒng)性，同時科研實驗室的儀器設(shè)備可以為發(fā)酵工程實驗教學(xué)的順利進行提供保障，學(xué)生可以自始至終參與整個實驗過程，從而解決了教學(xué)實驗室空間、時間有限的問題。對于優(yōu)化后的實驗內(nèi)容，各實驗的應(yīng)用性也較為明顯，霉菌發(fā)酵的果膠酶可以用于咖啡脫膠，酵母產(chǎn)生的芳香物質(zhì)可以為咖啡增添獨特的風(fēng)味，乙醇的厭氧發(fā)酵可以與咖啡廢棄物的資源化利用相關(guān)聯(lián)。以上實驗設(shè)計可以很好地吸引學(xué)生興趣，同時激發(fā)他們的主動性和積極性。此外，實驗內(nèi)容還涉及了厭氧發(fā)酵過程，不僅使學(xué)生明白了厭氧環(huán)境如何影響微生物發(fā)酵產(chǎn)物的積累，還可以加強學(xué)生對工業(yè)中常用厭氧工藝的了解。

3.2 改變教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生興趣

為了增強學(xué)生對實驗的積極性，教師應(yīng)該將學(xué)生被動接受的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體、教師進行指導(dǎo)的模式，使學(xué)生全身心參與到教學(xué)的過程中[15]。以學(xué)生為中心的教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，使學(xué)習(xí)過程由“填鴨式學(xué)習(xí)”變?yōu)橹鲃忧笾?，從而加強學(xué)生認(rèn)識問題和解決問題的能力[16]。學(xué)生應(yīng)該在課前預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，課堂提出問題并積極思考、討論，對課程內(nèi)容有較為全面深刻的了解。為了讓學(xué)生適應(yīng)“發(fā)現(xiàn)問題、查找文獻、討論分析、解決問題”的教學(xué)模式，必須充分調(diào)動其學(xué)習(xí)的積極性和主動性，筆者將以“酵母產(chǎn)香物質(zhì)的發(fā)酵及分析”實驗為例，進行教學(xué)模式的優(yōu)化探討。在進行本實驗的前兩天，讓學(xué)生品嘗不同發(fā)酵工藝生產(chǎn)的咖啡，并說明咖啡風(fēng)味的不同是由于微生物差異導(dǎo)致的，從而借助年輕人對咖啡飲品的喜愛，調(diào)動學(xué)生課下查詢相關(guān)文獻和發(fā)酵工藝的積極性。上課時，學(xué)生要選擇酵母進行發(fā)酵測試，但是選擇哪株酵母由各小組自己討論決定（10分鐘內(nèi)），從而讓學(xué)生充分參與到實驗設(shè)計之中。在這個過程中，學(xué)生要基于初始酵母培養(yǎng)物的氣味，努力說服其他組員為什么選某（幾）個酵母，從而鍛煉學(xué)生的自我思考和語言表達能力。在實驗中，由于選擇的酵母各不相同，各個小組會積極地完成實驗，并對實驗結(jié)果進行比較，從而實現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)、實時互動。因此，通過優(yōu)化教學(xué)模式，讓每個學(xué)生積極參與到實驗的全過程，可以更好地調(diào)動學(xué)生熱情，加強他們對實驗課的積極性。

3.3 注重融入課程思政內(nèi)容

課程思政是以構(gòu)建全員、全程、全方位育人格局的形式將課程內(nèi)容與思想政治理論相結(jié)合，把“立德樹人”作為教育的根本任務(wù)[17]。發(fā)酵工程實驗作為生物技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的重要組成部分，對專業(yè)人才的素質(zhì)培養(yǎng)與提升有著顯著的影響。為了培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞纳锛夹g(shù)人才，教師不僅要掌握扎實的專業(yè)知識和技能，還要具備良好的道德修養(yǎng)、職業(yè)道德、強烈的愛國主義思想和社會責(zé)任感。發(fā)酵工程實驗作為一門實踐性課程，蘊含著實事求是的辯證唯物主義思想內(nèi)涵，可以對理論知識進行實驗驗證，從而在整個教學(xué)過程中貫徹辯證唯物主義思想。通過觀察實驗現(xiàn)象、積極討論實驗結(jié)果可以培養(yǎng)學(xué)生客觀辯證的專業(yè)素養(yǎng)；針對實驗中遇到的問題，各小組間或小組內(nèi)積極溝通探討，可以培養(yǎng)學(xué)生相互協(xié)作、不畏困難的優(yōu)秀品質(zhì)；通過讓學(xué)生自主設(shè)計實驗，分析實驗中遇到的問題并提出解決方案，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，將課程思政融入發(fā)酵工程實驗教學(xué)，有助于學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識和操作技能，并形成科學(xué)的世界觀、人生觀、價值觀。

3.4 考核模式注重多元化

基于實驗報告質(zhì)量和學(xué)生簽到率的考核模式不能反映學(xué)生對實驗技能的掌握情況。通過優(yōu)化考核制度，注重對學(xué)生參與度的考量，形成多元化、科學(xué)的評價體系，可以有效提高實驗教學(xué)的效果[18]。在本次教改中，簽到情況占期末成績的10%，實驗報告占30%，在上課過程中由助教輔助教師記錄好學(xué)生的平時表現(xiàn)，由此形成的實驗過程性評價占30%，各小組根據(jù)實驗結(jié)果進行的組間互評占10%，期末技能考核占20%。期末考試主要考核學(xué)生對實驗技能的掌握，每個學(xué)生抽簽，并對要求的內(nèi)容進行現(xiàn)場操作。此外，由于各小組在實驗中只是實驗內(nèi)容相同，發(fā)酵所使用的菌株不同，導(dǎo)致實驗結(jié)果也存在一定的差異，這樣在一定程度上杜絕了學(xué)生抄襲。如果由于懶惰、不認(rèn)真等問題導(dǎo)致實驗失敗，學(xué)生也無法借鑒其他小組的結(jié)果，這種“危機感”也會促使學(xué)生進行課后反思，并在下一次實驗中避免出現(xiàn)類似錯誤。因此，這種多元化的考核機制，不僅可以督促學(xué)生參與到實驗的各個環(huán)節(jié)，還可以客觀公正地反映學(xué)生對實驗的掌握情況。

4 結(jié)論

發(fā)酵工程實驗是聯(lián)系理論知識和生產(chǎn)實踐的紐帶，可以培養(yǎng)學(xué)生從事生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)科研生產(chǎn)的發(fā)酵技能。本文結(jié)合筆者自身的科研工作經(jīng)驗和本專業(yè)實驗室現(xiàn)有設(shè)備狀況，對實驗課程的教學(xué)內(nèi)容、模式和考核標(biāo)準(zhǔn)進行了探索優(yōu)化，并注重融入課程思政內(nèi)容。在隨后的實踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性的實驗設(shè)計可以較好地調(diào)動學(xué)生興趣，學(xué)生在整個實驗過程中都能保持一定的積極性和主動性，同時思考能力、科學(xué)精神和語言表達能力也得到了極大的鍛煉。因此，只有在實驗教學(xué)中不斷改革和完善教學(xué)方法，注重鍛煉學(xué)生的自主性和動手實踐能力，才能適應(yīng)生物技術(shù)專業(yè)日新月異的發(fā)展，并培養(yǎng)出適合產(chǎn)業(yè)需求的人才。