生物工程發酵實驗課程設計
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摘要:高校科技創新能力和人才培養質量同等重要，實踐課程對創新能力的培養起了重要作用，而發酵實驗是生物工程專業課程體系中重要實踐環節之一。通過幾年的教學改革實踐，逐漸形成了以促進科技創新為導向，教學、就業和科研相結合，應用性和實踐性強的實驗課程體系，并對實驗教學內容、教學模式及評價體系進行了改進和創新，提高了學生利用專業基礎知識分析和解決問題的科技創新能力。
1以培養學生科技創新能力為目標，構建應用性和實踐性強的實驗課程體系
我校地處內蒙古包頭，周邊的制藥企業較多，據統計生物專業的學生有60%以上就業于內蒙周邊的與專業對口的制藥公司，這一就業方向要求發酵實驗課程必須與實際產生結合更緊密，這樣學生通過實驗，進一步鞏固學生對理論知識的理解和掌握［6－7］。這樣的話，學生可提前對生產工藝有初步了解，才能更快的適應工作要求;同時生物工程考研的學生也較多，生物工程專業多名專任教師在生物質能源化利用重點實驗室從事微生物方向的研究，所以發酵實驗也要體現科技研究成果，使教學和科研相結合，也使整個專業的學生都對科技創新有所了解，而不是只有部分學生可以接觸科研。這也為將為可能從事研發工作和讀研的學生奠定了堅實的科技創新基礎。因此，課程的教學目標圍繞科技創新和就業創業展開。在整個實驗課程改革實施過程中注重多給以學生創新思維的鼓勵和支持，注重學生科技創新能力及科研素養的養成和提高，培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力［8－9］。
2搭建生物工程發酵科技創新平臺，優化和完善實驗教學大綱和教學模式
為了充分發揮我系人才和學科優勢，搭建了生物工程發酵科技創新平臺，在多年的實驗教學改革中，發酵實驗教學大綱進行不斷的優化和調整始終為科技創新平臺的建設為中心，2015年開始執行改革后的的實驗教學計劃，取得了良好的教學效果。生物工程發酵實驗的改革創新主要由以下內容。
2.1增加實驗內容和實驗課時
發酵實驗是以科技創新和就業創業方向為導向，依據生物產品生產過程的特點和流程，安排了以金色鏈霉菌作為實驗菌種，把菌種的傳代培養、發酵種子培養、搖瓶發酵、發酵罐發酵一個系列過程連續起來，使學生清晰的掌握實際的生物產品發酵過程操作所涉及到的基本環節。為了進一步提高學生對發酵實驗的重視程度，改革后的人才培養方案增加了課程的學時數，由32學時增加至40學時。內容在原有金霉素發酵實驗的基礎上，又增加了青霉素生產的仿真模擬和厭氧發酵的實驗，厭氧發酵即啤酒的發酵，而且實驗室新購置了一套半自動化的中式啤酒生產裝置，這樣學生可以更系統的了解和掌握發酵的過程。此外，還以生物工程重點實驗室的研究方向開設了降解木質素的菌種降解蘆葦并制漿的實驗，使學生進一步了解微生物在工業上的應用前景。
2.1.1啤酒教學內容與設備
(1)教學內容啤酒實驗教學的目的是提升學生系統的應用專業知識，提高學生的工程實踐能力，同時，還要培養大學生創新和獨立思考的能力。啤酒發酵是可以采用不同原料的，所以在教學中，采用自選原料設計來產生新產品;不同方式的糖化設計、不同發酵時間和壓力的設置;以及對酒花的添加量，次數和時間進行設計來改變啤酒的口味。發酵過程中定時取樣分析發酵液中糖度、酒精、雙乙酰等物質的變化;發酵后對啤酒進行色度、泡沫、香氣、口味、其他異味等方面的風味評價［10］。使學生對啤酒發酵有了系統的了解，并掌握了啤酒發酵的工藝和設備的使用。尤其是能喝到自己設計和釀造出來的產品，學生學習和實干的積極性都非常高，積極主動的去設計方案，解決問題，從而形成學生獨立思考、自主操作的創新設計型實驗教學方案。(2)教學設備學院為啤酒設備配備了單獨實驗室，實驗室的設備有粉碎機一臺，70L的糊化鍋1臺，100L糖化鍋一臺;100L過濾槽一臺，4個100L錐形發酵罐，一臺制冷機，消毒車，啤酒灌裝機和純水系統等。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各種各樣的問題，比如粉碎顆粒大小，糖化鍋堵塞，糊鍋，發酵過程中不保壓等，都需要現場解決，這樣不僅鍛煉了學生的操作能力，還提高學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和發酵，與實際生產有很大的差距，所以又配套了青霉素生產的仿真模擬實驗課程，學生每5人一組，一人一機，操作時間利用課余時間，只要在規定的時間內完成整個操作即可。
2.2在實驗課中建立翻轉課堂的教學模式
翻轉課堂是一種混合使用技術和親自動手活動的教學環境，在翻轉課堂中(典型的課堂講解時間由實驗和課內討論等活動代替)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用品等，教師講解實驗原理和方法及操作步驟，學生按照實驗步驟開始做實驗。這樣的話，導致部分學生沒有認真聽講，實驗過程中錯誤頻出。傳統的教學模式，缺乏學生的主動參與，尤其對于生物發酵實驗課學生不能真正地互動起來，學生只知道做什么，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模式，即翻轉課堂的模式，但翻轉課堂不應是簡單地將課堂授課內容轉移到課堂之外，而是要將傳統的實驗教學做一個全新的設計，讓學生真正了解實驗內容，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，學生不知道下一個實驗要做什么，而發酵實驗多是連續性的綜合實驗，所以學生會感到盲目。因此應在開實驗課之前，采用翻轉課堂的形式，對所開的實驗課進行串講，把各個實驗做成PPT發給學生，讓學生系統的了解實驗內容。在此基礎上學生自己去查閱相關資料，豐富實驗內容，拓展實驗思路。(2)預習實驗過程。在開實驗課之前，要對每個實驗進行預實驗，可以把學生分成若干組和老師一起來開展預實驗，提前了解操作過程以及過程中可能出現的問題，這些學生可以在實驗課中協助老師指導其他學生，每個實驗可以找不同的學生完成預實驗，這樣每位同學都有機會參與預實驗，在實驗中成為助教的角色。這種方法可以大大的提高學生參與實驗的積極性，激發學生學習的積極性、提高學生學習的主動性、自覺性，提高學生的思維能力和創新能力［14］。(3)分工合作。發酵實驗是每2人一組共同完成，在實驗操作過程中，需要學生間分工合作。學生在此環節中不僅熟悉操作流程，還可以共同探索，有利于開發每一位學生的創造潛能，提高教學效率;更有利于培養學生社會合作精神與人際交往能力。因為實驗是連續的，一環扣一環，前面的實驗沒做好，直接影響著下一個實驗的開展，例如菌種沒有培養好就會影響金霉素的發酵等，因此學生操作時更加注意，責任心增強，這樣就培養了學生的團隊合作意識［8］。(4)開設時間。這一學期既有發酵實驗也有生產實習，實驗和實習交叉開展，這樣學生把實驗內容和前期查閱的質料在實習中得到驗證，也能提高實習效率，同時還能補充實驗方法和內容，充分發揮其想象力和創造力，起到事半功倍的效果。因此，這種課堂教學模式增加了學生思考、動手和互動的機會，增強了學生實驗的積極性和主動性，提高了實驗教學效果，培養了學生的團隊合作意識，提高學生的思維能力和科技創新能力。
3創新課程考核模式
發酵實驗最后的結果體現是實驗報告，在以前的教學中，實驗報告占的成績了較大的比例，學生抄襲現象很嚴重，而且實驗中的錯誤學生并沒有認識到。實驗課的考核評定比理論課程復雜，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、對待實驗態度和實驗室衛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實驗的，在實驗過程中能體現解決問題的主動性、創新性的學生均給予加分。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，是對學生實驗技能掌握程度的把握，考察學生對于實驗目的、內容是否清楚，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。為了提高學生對實驗結果的表達與分析能力，要求學生將實驗結果以及實驗過程中出現的各種問題進行分析，將實驗數據用統計等方法進行分析，并以圖表表現出來。對實驗中出現的問題，例如發酵不成功或產物較少等找出原因。采用這樣的考核形式，可以提高學生對發酵實驗課程的重視程度，調動學生的學習積極性，提高學生的實踐創新技能。
4實驗的教學效果
在教學與科研就業相結合的原則指導下，我們建立的這種實驗教學與科研就業有機融合改革創新，有力地推動了學生創新活動的開展，收到了明顯的成效［15］。實驗模式在兩屆學生的實驗過程中進行不斷的創新改進，并對這120名學生進行調查，有90%的學生認為這種實驗創新提高了學習主動性、去工廠實習感覺到有備而來，更好的熟悉了生產流程，還能有利于提出問題和發現問題。另外有35%學生認為實驗使他們對科學研究產生了興趣，并準備提前進實驗室開展畢業論文。總之，融入這種翻轉課堂的項目式教學改革獲得了參加實際體驗的學生的認可。
5結語
實驗教學是生物工程教學工作中的一個重要環節，是理論與實踐相結合的連接點。為了充分發揮我系人才和學科優勢，從2008年以來，搭建了生物工程發酵科技創新平臺，以培養學生科技創新能力為目標，構建了應用性和實踐性強的實驗課程體系。生物工程系對發酵實驗教學體系不斷補充和完善，通過明確課程的重要性、精心選定課程內容、加強考核等措施，提高了學生的動手能力、創新意識和協作精神，尤其提高了學生利用專業基礎知識分析問題和解決問題的科技創新能力。當然這種模式也有不完善之處，如實驗條件還相對不足，部分學生態度不認真，學生的實驗數據處理能力較差，學生的實驗結果參差不齊，甚至部分學生的實驗失敗等，這些都需要通過進一步的改革促進發展，在師生的共同努力下不斷解決和完善［14］。
參考文獻
［1］韓立敏.“發酵工程”教學的研究與思考［J］.生物學雜志，2010，27(2):105－107．
［2］黃曉玫，李鴻飛，黃濤.強化培養學生實踐能力和創新能力的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2014，31(2):1－4.
［3］李志義.對大學教學的"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：內蒙古科技大學生命科學與技術學院
