以大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的“發(fā)酵工程”課程教學(xué)改革

摘 要 創(chuàng)新能力是當(dāng)代大學(xué)生勝任國家發(fā)展和民族復(fù)興重任的重要素質(zhì)，高校應(yīng)高度重視大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。“發(fā)酵工程”是面向生物工程專業(yè)本科生開設(shè)的綜合性專業(yè)課程，其教學(xué)效果將直接影響學(xué)生的綜合素質(zhì)?；诖?，將教學(xué)過程與大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練融合，依據(jù)課程知識體系和特征設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方法，探索增強學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和專業(yè)自信、提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的“發(fā)酵工程”課程教學(xué)改革措施，以期為培養(yǎng)具有強基礎(chǔ)、厚實踐素質(zhì)的創(chuàng)新人才提供參考。

關(guān)鍵詞 發(fā)酵工程；創(chuàng)新素質(zhì)；教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.25.036

Teaching Reform of "Fermentation Engineering" Course Based on

College Students' Innovation Training Guidance

CUI Peiwu， TAN Zhaoyang， LIU Xiangqian

（College of Pharmacy， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha， Hunan 410208）

Abstract Innovation ability is an important quality for contemporary college students to shoulder the responsibility of national development and national rejuvenation， and universities should attach great importance to the cultivation of college students' innovation ability. Fermentation Engineering "is a comprehensive professional course designed for undergraduate students majoring in biotechnology， and its teaching effectiveness will directly affect students' overall quality. Based on this， the teaching process will be integrated with innovation training for college students， and corresponding teaching methods will be designed according to the course knowledge system and characteristics. The "Fermentation Engineering" course teaching reform measures will be explored to enhance students' learning initiative and professional confidence， improve their professional quality and innovation ability， in order to provide reference for cultivating innovative talents with strong foundation and practical qualities.

Keywords fermentation engineering; innovation quality; teaching reform

面對新形勢下的機遇與挑戰(zhàn)，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要性和迫切性更加突出，因此，肩負人才培養(yǎng)重任的高校應(yīng)更加重視創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。我國早在2007年便啟動了大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃，并將其作為國家實施“高等教育質(zhì)量工程”的重要內(nèi)容和教育部推動創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工作的重要改革措施[1]。啟動大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的主要目的在于加強大學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，促進學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新素質(zhì)的提升[2-3]。創(chuàng)新訓(xùn)練的前提在于掌握扎實的專業(yè)知識，進而實現(xiàn)運用專業(yè)理論和實踐技能的升華。生物工程技術(shù)已廣泛滲透到醫(yī)藥、食品、環(huán)保、能源、化工、材料等多個學(xué)科領(lǐng)域，并逐步成為推動發(fā)展綠色經(jīng)濟的重要動力，因此，生物工程專業(yè)人才的培養(yǎng)將對于社會和諧發(fā)展和國家綜合競爭力提升發(fā)揮重要作用。“發(fā)酵工程”是生物工程專業(yè)的特色專業(yè)課程，課程以運用生物學(xué)和工程學(xué)技術(shù)充分挖掘和利用生物細胞代謝潛力實現(xiàn)目標產(chǎn)物高效、綠色合成的相關(guān)知識為特色，為升華學(xué)生生物工程專業(yè)思想、提升學(xué)生專業(yè)技能的關(guān)鍵課程[4-5]，因此，本課程教學(xué)過程中學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的訓(xùn)練對于學(xué)生專業(yè)技能和綜合素質(zhì)的提升非常重要。

1 “發(fā)酵工程”課程的性質(zhì)及教學(xué)要求

“發(fā)酵工程”是面向生物工程等相關(guān)專業(yè)本科生開設(shè)的必修專業(yè)課，也是一門實踐特征很強的應(yīng)用型課程。本課程是傳授生物工程技術(shù)由實驗室水平放大至生產(chǎn)規(guī)模所需相關(guān)知識和技能的核心課程，以發(fā)酵工藝流程為主線，要求學(xué)生系統(tǒng)掌握發(fā)酵工業(yè)菌種的選育、培養(yǎng)與保藏和好氧、厭氧發(fā)酵工藝的設(shè)計、調(diào)控與管理等相關(guān)知識和實踐技能，同時具備從分子、細胞、個體、群體角度去分析發(fā)酵原理及機制的相關(guān)技能，并能跟蹤生物工程行業(yè)前沿動態(tài)、主動發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題并思考和設(shè)計解決方案，最終實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)知識、實踐素質(zhì)、職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的協(xié)同培養(yǎng)?；谏鲜稣n程性質(zhì)和教學(xué)要求，在教學(xué)環(huán)節(jié)務(wù)必時刻重視學(xué)生工程素質(zhì)和思維的訓(xùn)練，通過教學(xué)過程的科學(xué)設(shè)計實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)興趣的提升和專業(yè)思維的發(fā)散訓(xùn)練，進而實現(xiàn)教學(xué)效果的提升，尤其要注重抽象知識的形象化以及知識載體的設(shè)計[6-8]。

2 基于大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練引導(dǎo)的“發(fā)酵工程”課程教學(xué)改革策略

2.1 課程改革思路、教學(xué)設(shè)計及教學(xué)效果評價方法

“發(fā)酵工程”課程的主要特征在于課程知識的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、實踐性和創(chuàng)新性，故本課程的教學(xué)改革思路以提升學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標，教學(xué)設(shè)計著重思考將相關(guān)素質(zhì)訓(xùn)練的目標融入課程教學(xué)過程。大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練是升華學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識、強化創(chuàng)新能力訓(xùn)練的重要途徑，也是本課程教學(xué)效果的重要體現(xiàn)，故應(yīng)在課程教學(xué)過程中主動思考、融入大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練意識，實現(xiàn)創(chuàng)新訓(xùn)練助推學(xué)習(xí)效果提升，專業(yè)素質(zhì)與創(chuàng)新能力同步培養(yǎng)的效果。

本課程教學(xué)過程采用知識背景導(dǎo)入、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、學(xué)習(xí)要求和效果反饋的四環(huán)節(jié)設(shè)計模式，以實現(xiàn)理論與實踐融入、技術(shù)與工程結(jié)合的科教融合式教學(xué)。知識背景導(dǎo)入旨在引導(dǎo)學(xué)生了解、熟悉本課程相關(guān)知識在實際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用價值，進而實現(xiàn)對課程知識的立體化認識和理解，培養(yǎng)主動關(guān)注、發(fā)現(xiàn)專業(yè)問題并思考解決方案的學(xué)習(xí)習(xí)慣。“發(fā)酵工程”課程知識源于青霉素的規(guī)?；a(chǎn)，現(xiàn)已擴展到各種生物制品、天然藥物、生物醫(yī)學(xué)材料等各種大分子、小分子及細胞產(chǎn)品的合成和制備領(lǐng)域，通過對此類產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的介紹可引導(dǎo)學(xué)生快速理解學(xué)習(xí)本課程的目的、要求和課程內(nèi)容，同時提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計體現(xiàn)在對知識背景導(dǎo)入環(huán)節(jié)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程的總結(jié)、梳理和分析，進而呈現(xiàn)各章節(jié)知識之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生實現(xiàn)對本課程知識內(nèi)容“菌→培養(yǎng)→放大→過程調(diào)控→過程管理→下游工藝”知識主線的深刻認識，對課程學(xué)習(xí)的意義及課程知識內(nèi)容設(shè)計等方面理解也進一步加強。學(xué)生了解課程知識內(nèi)容后，要進一步明確對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)要求，同時教師在教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動聯(lián)系課程知識相關(guān)的行業(yè)難題，啟發(fā)學(xué)生主動思考、發(fā)現(xiàn)自己的興趣和特長，量身定制學(xué)習(xí)方法，同時在實施過程中及時與任課教師、同學(xué)溝通交流，實現(xiàn)學(xué)習(xí)效果和效率的協(xié)同提升。

本課程教學(xué)目標重在實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)知識、實踐素質(zhì)、創(chuàng)新能力的協(xié)同訓(xùn)練和提升，故針對課程的考核評價方法也應(yīng)在上述各方面有所體現(xiàn)，基于此，本課程的教學(xué)效果評價結(jié)合了課程考試成績（50%）、與課程知識相關(guān)的創(chuàng)新實驗設(shè)計、項目實施、訓(xùn)練成果及創(chuàng)新思維評價（30%）、個人職業(yè)發(fā)展規(guī)劃的再設(shè)計（10%）、對本課程的認識與反思（10%）等內(nèi)容，這樣可實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)參與度、主動性的顯著提升，學(xué)生會主動、理性思考自己的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并對課程學(xué)習(xí)過程中仍未解決的問題提出新的見解。

2.2 本課程教學(xué)過程中大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的融入策略

結(jié)合本教學(xué)設(shè)計和課程知識鏈條，可將“發(fā)酵工程”課程教學(xué)目標細化為學(xué)習(xí)、掌握具有工業(yè)應(yīng)用價值的微生物菌種挖掘及選育，微生物培養(yǎng)及發(fā)酵方案的設(shè)計、實施方法及調(diào)控，發(fā)酵工藝過程的控制、放大和產(chǎn)品的下游處理工藝設(shè)計相關(guān)的原理、知識及實踐技能和創(chuàng)新素質(zhì)。教師基于此教學(xué)目標，引導(dǎo)學(xué)生在了解課程相關(guān)知識背景和發(fā)酵工程技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用背景的基礎(chǔ)上聯(lián)系行業(yè)發(fā)展難題主動思考，啟發(fā)科研選題思維，進而實現(xiàn)課程知識在學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練選題方面的內(nèi)化。如以抗菌藥研發(fā)為例，可由Alexander Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素的科研故事導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)微生物次級代謝產(chǎn)物對于抗菌藥研發(fā)的重要性，進而啟發(fā)學(xué)生圍繞高活性抗菌化合物生產(chǎn)菌株的分離和選育、目標菌株合成抗菌化合物的培養(yǎng)基優(yōu)化及發(fā)酵工藝設(shè)計、發(fā)酵過程調(diào)控及放大、目標產(chǎn)物的分離提取工藝設(shè)計為思路進行創(chuàng)新訓(xùn)練課題的設(shè)計，尤其在面對突發(fā)流行性疾病、超級細菌等新威脅的挑戰(zhàn)時要有敢于勇?lián)厝巍⒁赃^硬的專業(yè)知識和創(chuàng)新素質(zhì)戰(zhàn)勝各種困難的決心和毅力。經(jīng)過多個知識章節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生很容易實現(xiàn)對課程知識鏈條的系統(tǒng)化理解，同時相關(guān)內(nèi)容對于實現(xiàn)課程目標的重要性也深入腦海。此外，大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練也可為教學(xué)內(nèi)容設(shè)計提供更豐富的素材，賦予課程知識點新的活力和載體。如在培養(yǎng)基設(shè)計相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)過程中，教師可充分對比微生物發(fā)酵產(chǎn)生氨基酸和微生物發(fā)酵合成茯苓三萜兩種發(fā)酵工藝過程中目標產(chǎn)物合成途徑的差異，以及對營養(yǎng)需求的異同，使學(xué)生深刻理解培養(yǎng)基設(shè)計思路，同時引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生物化學(xué)課程的“氨基酸代謝”和“次級代謝”相關(guān)章節(jié)知識，達到了專業(yè)思維發(fā)散同步訓(xùn)練的效果?；谏鲜稣n程教學(xué)設(shè)計，本團隊執(zhí)教的“發(fā)酵工程”課程逐步成為生物工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)熱度快速上升的課程，也成為學(xué)生在就業(yè)、升學(xué)等環(huán)節(jié)關(guān)注熱度最高的學(xué)科領(lǐng)域。筆者認為與學(xué)生成長關(guān)聯(lián)度最高的教學(xué)設(shè)計重在寓學(xué)于樂、學(xué)以致用、教學(xué)相長和情懷育人，故課程背景知識的導(dǎo)入和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練與課程教學(xué)內(nèi)容的密切結(jié)合非常必要。

3 “發(fā)酵工程”課程衍生的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練設(shè)計及育人效果分析

3.1 “發(fā)酵工程”課程衍生的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練設(shè)計

“發(fā)酵工程”課程的實踐性、應(yīng)用性特征非常適合進行大學(xué)生訓(xùn)練設(shè)計，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練又可加深學(xué)生對該課程知識鏈條的理解，故將本課程教學(xué)過程與大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計訓(xùn)練有機結(jié)合，可望成為強化學(xué)生專業(yè)素質(zhì)提升和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新嘗試。培養(yǎng)基設(shè)計和發(fā)酵調(diào)控是“發(fā)酵工程”課程知識鏈條中的重要內(nèi)容，為由出發(fā)菌株合成目標產(chǎn)物的必要環(huán)節(jié)，如單獨從微生物的營養(yǎng)需求、培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的合理組合、發(fā)酵過程對發(fā)酵參數(shù)的調(diào)控等角度介紹相關(guān)知識，很容易讓學(xué)生感到枯燥，也難以理解本部分知識的重要性?；诖?，本團隊在教學(xué)過程中結(jié)合藥用真菌茯苓活性物質(zhì)茯苓三萜的合成途徑及規(guī)律分析等知識載體，引導(dǎo)學(xué)生分析采用發(fā)酵工程技術(shù)合成藥用真菌活性物質(zhì)的必要性及難點，繼而進行大學(xué)生創(chuàng)新項目的實驗設(shè)計，并進一步通過專業(yè)文獻的梳理、解決專業(yè)問題所需的思維發(fā)散訓(xùn)練等實現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率的同步提升，且同步實現(xiàn)了學(xué)生對生物工程專業(yè)所學(xué)課程的有機整合，尤其在有關(guān)微生物菌株分離、選育、培養(yǎng)、生化代謝調(diào)控、目標基因挖掘及重組表達等方面形成了較完整的知識體系。

3.2 以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練引導(dǎo)的“發(fā)酵工程”課程教學(xué)效果分析

“發(fā)酵工程”課程的實踐性、應(yīng)用性特征決定了其教學(xué)效果將直接影響學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練，因此本課程的教學(xué)效果評價必須兼顧到學(xué)生的課程成績、專業(yè)素質(zhì)與創(chuàng)新思維、對本課程知識及其專業(yè)技能的延伸與分散等方面。從兩輪教學(xué)實施效果反饋可知，融入大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練元素的“發(fā)酵工程”課程教學(xué)可顯著增強學(xué)生對生物工程、生物醫(yī)藥等專業(yè)的認同，學(xué)習(xí)積極性顯著提升，且在不同年級的學(xué)生中發(fā)揮了較好的傳幫帶效應(yīng)。依托本課程知識筆者成功指導(dǎo)4個小組獲湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目立項，2個小組獲校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目立項，指導(dǎo)本科生在讀期間發(fā)表論文3篇、申請專利1項、獲省級“挑戰(zhàn)杯”獎勵2項，學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和科研潛質(zhì)得到了很好的鍛煉，學(xué)生對于工科課程內(nèi)容枯燥、難以理解、學(xué)習(xí)壓力大的印象得到大幅扭轉(zhuǎn)。

4 教學(xué)改革反思

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)思維和創(chuàng)新素質(zhì)的良好載體，與專業(yè)課程教學(xué)過程有機融合、相輔相成。在具體實施過程中，要充分挖掘課程知識背景和應(yīng)用實例，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、主動思考、主動探索來完成創(chuàng)新訓(xùn)練。本教學(xué)改革緊扣生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)需求，引導(dǎo)學(xué)生圍繞微生物源藥物發(fā)現(xiàn)及生物制造工藝需求進行大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練設(shè)計，進而賦予“發(fā)酵工程”課程知識豐富的立體化、形象化元素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，進而達到高效學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)的效果，為生物醫(yī)藥相關(guān)工科課程的教學(xué)改革探索提供了參考。

*通信作者：劉向前

基金項目：湖南省教育廳教改項目（湘教通[2023]352號- HNJG-20230531）；湖南中醫(yī)藥大學(xué)教改項目（2020-JG23）；湖南中醫(yī)藥大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)項目（校行教字[2023]4號）；湖南中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)位與研究生教育課題（校行研字[2024]3號）。

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