生物工程發(fā)酵實驗課程設(shè)計
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摘要:高校科技創(chuàng)新能力和人才培養(yǎng)質(zhì)量同等重要，實踐課程對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起了重要作用，而發(fā)酵實驗是生物工程專業(yè)課程體系中重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過幾年的教學(xué)改革實踐，逐漸形成了以促進科技創(chuàng)新為導(dǎo)向，教學(xué)、就業(yè)和科研相結(jié)合，應(yīng)用性和實踐性強的實驗課程體系，并對實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及評價體系進行了改進和創(chuàng)新，提高了學(xué)生利用專業(yè)基礎(chǔ)知識分析和解決問題的科技創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞:發(fā)酵實驗;實驗教學(xué);科技創(chuàng)新
1以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力為目標，構(gòu)建應(yīng)用性和實踐性強的實驗課程體系
我校地處內(nèi)蒙古包頭，周邊的制藥企業(yè)較多，據(jù)統(tǒng)計生物專業(yè)的學(xué)生有60%以上就業(yè)于內(nèi)蒙周邊的與專業(yè)對口的制藥公司，這一就業(yè)方向要求發(fā)酵實驗課程必須與實際產(chǎn)生結(jié)合更緊密，這樣學(xué)生通過實驗，進一步鞏固學(xué)生對理論知識的理解和掌握［6－7］。這樣的話，學(xué)生可提前對生產(chǎn)工藝有初步了解，才能更快的適應(yīng)工作要求;同時生物工程考研的學(xué)生也較多，生物工程專業(yè)多名專任教師在生物質(zhì)能源化利用重點實驗室從事微生物方向的研究，所以發(fā)酵實驗也要體現(xiàn)科技研究成果，使教學(xué)和科研相結(jié)合，也使整個專業(yè)的學(xué)生都對科技創(chuàng)新有所了解，而不是只有部分學(xué)生可以接觸科研。這也為將為可能從事研發(fā)工作和讀研的學(xué)生奠定了堅實的科技創(chuàng)新基礎(chǔ)。因此，課程的教學(xué)目標圍繞科技創(chuàng)新和就業(yè)創(chuàng)業(yè)展開。在整個實驗課程改革實施過程中注重多給以學(xué)生創(chuàng)新思維的鼓勵和支持，注重學(xué)生科技創(chuàng)新能力及科研素養(yǎng)的養(yǎng)成和提高，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力［8－9］。
2搭建生物工程發(fā)酵科技創(chuàng)新平臺，優(yōu)化和完善實驗教學(xué)大綱和教學(xué)模式
為了充分發(fā)揮我系人才和學(xué)科優(yōu)勢，搭建了生物工程發(fā)酵科技創(chuàng)新平臺，在多年的實驗教學(xué)改革中，發(fā)酵實驗教學(xué)大綱進行不斷的優(yōu)化和調(diào)整始終為科技創(chuàng)新平臺的建設(shè)為中心，2015年開始執(zhí)行改革后的的實驗教學(xué)計劃，取得了良好的教學(xué)效果。生物工程發(fā)酵實驗的改革創(chuàng)新主要由以下內(nèi)容。
2.1增加實驗內(nèi)容和實驗課時
發(fā)酵實驗是以科技創(chuàng)新和就業(yè)創(chuàng)業(yè)方向為導(dǎo)向，依據(jù)生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程的特點和流程，安排了以金色鏈霉菌作為實驗菌種，把菌種的傳代培養(yǎng)、發(fā)酵種子培養(yǎng)、搖瓶發(fā)酵、發(fā)酵罐發(fā)酵一個系列過程連續(xù)起來，使學(xué)生清晰的掌握實際的生物產(chǎn)品發(fā)酵過程操作所涉及到的基本環(huán)節(jié)。為了進一步提高學(xué)生對發(fā)酵實驗的重視程度，改革后的人才培養(yǎng)方案增加了課程的學(xué)時數(shù)，由32學(xué)時增加至40學(xué)時。內(nèi)容在原有金霉素發(fā)酵實驗的基礎(chǔ)上，又增加了青霉素生產(chǎn)的仿真模擬和厭氧發(fā)酵的實驗，厭氧發(fā)酵即啤酒的發(fā)酵，而且實驗室新購置了一套半自動化的中式啤酒生產(chǎn)裝置，這樣學(xué)生可以更系統(tǒng)的了解和掌握發(fā)酵的過程。此外，還以生物工程重點實驗室的研究方向開設(shè)了降解木質(zhì)素的菌種降解蘆葦并制漿的實驗，使學(xué)生進一步了解微生物在工業(yè)上的應(yīng)用前景。
2.1.1啤酒教學(xué)內(nèi)容與設(shè)備
(1)教學(xué)內(nèi)容啤酒實驗教學(xué)的目的是提升學(xué)生系統(tǒng)的應(yīng)用專業(yè)知識，提高學(xué)生的工程實踐能力，同時，還要培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新和獨立思考的能力。啤酒發(fā)酵是可以采用不同原料的，所以在教學(xué)中，采用自選原料設(shè)計來產(chǎn)生新產(chǎn)品;不同方式的糖化設(shè)計、不同發(fā)酵時間和壓力的設(shè)置;以及對酒花的添加量，次數(shù)和時間進行設(shè)計來改變啤酒的口味。發(fā)酵過程中定時取樣分析發(fā)酵液中糖度、酒精、雙乙酰等物質(zhì)的變化;發(fā)酵后對啤酒進行色度、泡沫、香氣、口味、其他異味等方面的風(fēng)味評價［10］。使學(xué)生對啤酒發(fā)酵有了系統(tǒng)的了解，并掌握了啤酒發(fā)酵的工藝和設(shè)備的使用。尤其是能喝到自己設(shè)計和釀造出來的產(chǎn)品，學(xué)生學(xué)習(xí)和實干的積極性都非常高，積極主動的去設(shè)計方案，解決問題，從而形成學(xué)生獨立思考、自主操作的創(chuàng)新設(shè)計型實驗教學(xué)方案。(2)教學(xué)設(shè)備學(xué)院為啤酒設(shè)備配備了單獨實驗室，實驗室的設(shè)備有粉碎機一臺，70L的糊化鍋1臺，100L糖化鍋一臺;100L過濾槽一臺，4個100L錐形發(fā)酵罐，一臺制冷機，消毒車，啤酒灌裝機和純水系統(tǒng)等。中式裝置和實驗室的小實驗相比，不確定性很大，在操作過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，比如粉碎顆粒大小，糖化鍋堵塞，糊鍋，發(fā)酵過程中不保壓等，都需要現(xiàn)場解決，這樣不僅鍛煉了學(xué)生的操作能力，還提高學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。糊化鍋和糖化鍋在使用時要高溫煮沸，設(shè)備要用3%的NaOH或3%的H2O2進行清洗和消毒。NaOH和H2O2具有一定的腐蝕性或氧化性，在清洗消毒時需認真檢查管線的連接，確定是否有泄露等［11］;使用氧氣罐時注意防明火;通過這些操作來提高學(xué)生的安全意識。2.1.2仿真模擬實驗金霉素的實驗只是實驗室三角燒瓶的培養(yǎng)和發(fā)酵，與實際生產(chǎn)有很大的差距，所以又配套了青霉素生產(chǎn)的仿真模擬實驗課程，學(xué)生每5人一組，一人一機，操作時間利用課余時間，只要在規(guī)定的時間內(nèi)完成整個操作即可。
2.2在實驗課中建立翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式
翻轉(zhuǎn)課堂是一種混合使用技術(shù)和親自動手活動的教學(xué)環(huán)境，在翻轉(zhuǎn)課堂中(典型的課堂講解時間由實驗和課內(nèi)討論等活動代替)而課堂講解則以視頻等其他媒介形式由學(xué)生在課外活動時間完成［12－13］。以前我們的實驗課都是教師準備好實驗材料及相關(guān)用品等，教師講解實驗原理和方法及操作步驟，學(xué)生按照實驗步驟開始做實驗。這樣的話，導(dǎo)致部分學(xué)生沒有認真聽講，實驗過程中錯誤頻出。傳統(tǒng)的教學(xué)模式，缺乏學(xué)生的主動參與，尤其對于生物發(fā)酵實驗課學(xué)生不能真正地互動起來，學(xué)生只知道做什么，不知道為什么，實驗也只能是機械地操作，而且講授又占據(jù)了大部分課堂時間。針對這種情況，我們建立了主動的課堂教學(xué)模式，即翻轉(zhuǎn)課堂的模式，但翻轉(zhuǎn)課堂不應(yīng)是簡單地將課堂授課內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課堂之外，而是要將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)做一個全新的設(shè)計，讓學(xué)生真正了解實驗內(nèi)容，對實驗感興趣。(1)提前講授。以往老師是在開始實驗時進行單個實驗的講解，學(xué)生不知道下一個實驗要做什么，而發(fā)酵實驗多是連續(xù)性的綜合實驗，所以學(xué)生會感到盲目。因此應(yīng)在開實驗課之前，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，對所開的實驗課進行串講，把各個實驗做成PPT發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生系統(tǒng)的了解實驗內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上學(xué)生自己去查閱相關(guān)資料，豐富實驗內(nèi)容，拓展實驗思路。(2)預(yù)習(xí)實驗過程。在開實驗課之前，要對每個實驗進行預(yù)實驗，可以把學(xué)生分成若干組和老師一起來開展預(yù)實驗，提前了解操作過程以及過程中可能出現(xiàn)的問題，這些學(xué)生可以在實驗課中協(xié)助老師指導(dǎo)其他學(xué)生，每個實驗可以找不同的學(xué)生完成預(yù)實驗，這樣每位同學(xué)都有機會參與預(yù)實驗，在實驗中成為助教的角色。這種方法可以大大的提高學(xué)生參與實驗的積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、自覺性，提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力［14］。(3)分工合作。發(fā)酵實驗是每2人一組共同完成，在實驗操作過程中，需要學(xué)生間分工合作。學(xué)生在此環(huán)節(jié)中不僅熟悉操作流程，還可以共同探索，有利于開發(fā)每一位學(xué)生的創(chuàng)造潛能，提高教學(xué)效率;更有利于培養(yǎng)學(xué)生社會合作精神與人際交往能力。因為實驗是連續(xù)的，一環(huán)扣一環(huán)，前面的實驗沒做好，直接影響著下一個實驗的開展，例如菌種沒有培養(yǎng)好就會影響金霉素的發(fā)酵等，因此學(xué)生操作時更加注意，責(zé)任心增強，這樣就培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作意識［8］。(4)開設(shè)時間。這一學(xué)期既有發(fā)酵實驗也有生產(chǎn)實習(xí)，實驗和實習(xí)交叉開展，這樣學(xué)生把實驗內(nèi)容和前期查閱的質(zhì)料在實習(xí)中得到驗證，也能提高實習(xí)效率，同時還能補充實驗方法和內(nèi)容，充分發(fā)揮其想象力和創(chuàng)造力，起到事半功倍的效果。因此，這種課堂教學(xué)模式增加了學(xué)生思考、動手和互動的機會，增強了學(xué)生實驗的積極性和主動性，提高了實驗教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作意識，提高學(xué)生的思維能力和科技創(chuàng)新能力。
3創(chuàng)新課程考核模式
發(fā)酵實驗最后的結(jié)果體現(xiàn)是實驗報告，在以前的教學(xué)中，實驗報告占的成績了較大的比例，學(xué)生抄襲現(xiàn)象很嚴重，而且實驗中的錯誤學(xué)生并沒有認識到。實驗課的考核評定比理論課程復(fù)雜，改革后的考核模式是綜合評定，包括4個方面:(1)平時成績。包括出勤情況、對待實驗態(tài)度和實驗室衛(wèi)生安全及對各種實驗項目的參與程度都在考核之列［11］。對于主動申請參與預(yù)實驗的，在實驗過程中能體現(xiàn)解決問題的主動性、創(chuàng)新性的學(xué)生均給予加分。這部分成績占20%。(2)實驗技能。實驗技能成績是考核的主要部分，是對學(xué)生實驗技能掌握程度的把握，考察學(xué)生對于實驗?zāi)康摹?nèi)容是否清楚，操作過程是否熟練，以每人抽取一個操作過程進行口述和演示的方式進行考核。實驗技能考核占50%。(3)實驗報告。為了提高學(xué)生對實驗結(jié)果的表達與分析能力，要求學(xué)生將實驗結(jié)果以及實驗過程中出現(xiàn)的各種問題進行分析，將實驗數(shù)據(jù)用統(tǒng)計等方法進行分析，并以圖表表現(xiàn)出來。對實驗中出現(xiàn)的問題，例如發(fā)酵不成功或產(chǎn)物較少等找出原因。采用這樣的考核形式，可以提高學(xué)生對發(fā)酵實驗課程的重視程度，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新技能。
4實驗的教學(xué)效果
在教學(xué)與科研就業(yè)相結(jié)合的原則指導(dǎo)下，我們建立的這種實驗教學(xué)與科研就業(yè)有機融合改革創(chuàng)新，有力地推動了學(xué)生創(chuàng)新活動的開展，收到了明顯的成效［15］。實驗?zāi)Ｊ皆趦蓪脤W(xué)生的實驗過程中進行不斷的創(chuàng)新改進，并對這120名學(xué)生進行調(diào)查，有90%的學(xué)生認為這種實驗創(chuàng)新提高了學(xué)習(xí)主動性、去工廠實習(xí)感覺到有備而來，更好的熟悉了生產(chǎn)流程，還能有利于提出問題和發(fā)現(xiàn)問題。另外有35%學(xué)生認為實驗使他們對科學(xué)研究產(chǎn)生了興趣，并準備提前進實驗室開展畢業(yè)論文。總之，融入這種翻轉(zhuǎn)課堂的項目式教學(xué)改革獲得了參加實際體驗的學(xué)生的認可。
5結(jié)語
實驗教學(xué)是生物工程教學(xué)工作中的一個重要環(huán)節(jié)，是理論與實踐相結(jié)合的連接點。為了充分發(fā)揮我系人才和學(xué)科優(yōu)勢，從2008年以來，搭建了生物工程發(fā)酵科技創(chuàng)新平臺，以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力為目標，構(gòu)建了應(yīng)用性和實踐性強的實驗課程體系。生物工程系對發(fā)酵實驗教學(xué)體系不斷補充和完善，通過明確課程的重要性、精心選定課程內(nèi)容、加強考核等措施，提高了學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識和協(xié)作精神，尤其提高了學(xué)生利用專業(yè)基礎(chǔ)知識分析問題和解決問題的科技創(chuàng)新能力。當然這種模式也有不完善之處，如實驗條件還相對不足，部分學(xué)生態(tài)度不認真，學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)處理能力較差，學(xué)生的實驗結(jié)果參差不齊，甚至部分學(xué)生的實驗失敗等，這些都需要通過進一步的改革促進發(fā)展，在師生的共同努力下不斷解決和完善［14］。
參考文獻
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［2］黃曉玫，李鴻飛，黃濤.強化培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的探索與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31(2):1－4.
［3］李志義.對大學(xué)教學(xué)的"三思"［J］.中國高等教育，2009，44(7):26－28.
作者：盧慶華 李雅麗 王蕾 趙宏宇 單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
