淺談理科專業發酵工程創新實驗課程建設

淺談理科專業發酵工程創新實驗課程建設

　　淺談理科專業發酵工程創新實驗課程建設

　　張慧莉，馮麗

　�。ㄊ�河子大學生命科學學院，新疆石河子832003）

　　摘要：發酵工程是一門實踐性很強的學科，為滿足社會對應用型、技能型產業化人才的需求，培養學生的專業實踐技能，本文對發酵工程實驗的教學大綱、教學內容、教學方式、考核評價以及實驗平臺建設等方面的改革提出了建議。

　　關鍵詞：發酵工程；實驗教學；課程

　　作者簡介：張慧莉（1978-），女（漢族），甘肅臨洮人，博士，講師，研究方向：發酵工程。

　　發酵工程是發酵工業的支撐學科，也是整個生物工程的核心。隨著生物技術的發展，發酵工程的技術和理論已經廣泛應用于生物制藥、食品化工、環境化工等領域。通過發酵工程課程的學習，不僅能夠掌握發酵工程的原理及發酵控制過程優化，而且對系統地了解生物技術及其工業化應用具有重要意義。對于理科專業，發酵工程在增強學生的工程意識、提高學生的科學素養，為生物學科理科專業的學生奠定工程學科的概念和基礎方面起到重要作用。作為一門實踐性很強的學科，發酵工程學科取得的每一個進步都和實驗技術的發展密切相關。因此學習發酵工程，不僅要掌握堅實的基礎理論知識，更要熟練地掌握實驗操作技能，從而在實驗中發現并解決問題，加速發酵產品的開發。培養創新人才需要在課程設置上增加社會調查實踐、綜合實驗訓練和課程綜合設計等實踐教學環節學分，促進理論與實踐的緊密結合。為滿足社會對應用型、技能型產業化人才的需求，必須提高對發酵工程實驗的重視程度，并把傳統的實驗教學內容轉向綜合研究型、應用創新型模式。

　　一、建立層次合理的實驗教學模式

　　發酵工程學課程是理科生物技術專業必修專業基礎課之一，課程內容主要包括原料和菌種制備、發酵設備、發酵過程參數檢測及發酵工藝控制、發酵產品的分離純化等內容，貫穿了整個發酵工程學的主線。但理科專業開設的發酵工程及實驗課程普遍學時較少，只能開設簡單的基礎性的實驗，無法開展稍復雜的綜合性設計性實驗，不利于培養學生理論與實踐相結合解決發酵工程實際問題的能力。因此，非常有必要在人才培養方案中增加發酵工程實驗課學時，修改實驗教學大綱，擴充和豐富實驗教學內容，在條件成熟時單獨開設發酵工程綜合實驗課。

　　傳統的理科專業所開設的發酵工程實驗教學過于偏重基礎性和驗證性實驗，難以調動學生興趣、積極性和探索求新的愿望。同時，由于實驗條件和設備的缺乏，實驗教學系統性和層次性不夠，實驗項目的設置缺乏將同一學科的各個知識點串聯起來的實驗培訓，缺乏讓學生進行系統地學習、綜合運用所學知識與技能的主線。這樣實驗內容難以有挑戰性，學生難以發生興趣或產生求索的欲望，從而不重視實驗，達不到預期目標。傳統的發酵工程單元實驗教學內容主要包括常見儀器設備的使用、培養基的配制、接種技術、菌種活化、菌體染色及形態觀察、菌種選育及保藏等。在修訂實驗教學大綱時，可考慮改變傳統的單元實驗教學模式，設置基礎性綜合實驗和研究型綜合實驗，每個實驗都涵蓋發酵工程中的基本操作技術，包括菌種的制備，擴大培養，發酵罐和培養基的消毒滅菌、接種技術、發酵參數測定、產物的分離純化等，使學生能夠對發酵工程的知識點綜合運用，融會貫通，對發酵工程中的工程技術問題和生物學基礎知識有更深刻的認識。

　　二、設置創新性綜合性實驗教學內容

　　根據實驗室的設備和實驗條件，依據實驗學時的設置，可考慮開設三類綜合實驗，第一類為傳統發酵制品實驗，例如淀粉酶發酵實驗、乳酸發酵實驗、葡萄酒發酵實驗；第二類為經典發酵綜合實驗：例如谷氨酸發酵實驗；第三類為新型產品發酵綜合實驗，例如普魯蘭多糖發酵實驗。傳統發酵制品實驗規模較小，可依據學時靈活設置，實驗內容貼近生活，容易激發學生對發酵工程課程的興趣。大型經典發酵實驗，貫穿整個谷氨酸工業生產過程，將對工業發酵工藝流程進行實驗室完全再現，包含十個小型實驗，即谷氨酸菌種活化及擴大培養，谷氨酸菌種質量檢測，谷氨酸脫羧酶的制備，發酵罐的構造及空消，發酵培養基的制備及實消，谷氨酸的中糖發酵及控制，發酵過程中谷氨酸含量測定，發酵過程中還原糖的測定，發酵過程中菌濃度測定及菌體形態觀察，谷氨酸的離子交換回收，谷氨酸的等電回收及結晶。學生通過實驗可以掌握谷氨酸這種經典發酵產品的生產過程，通過不同的實驗單元培訓，對發酵生產有整體性認識。新型產品發酵綜合實驗根據課程組教師的科研課題內容設計，例如普魯蘭多糖發酵綜合實驗，包括菌種活化及擴大培養，發酵罐分批發酵法生產普魯蘭多糖，發酵過程中還原糖的測定，普魯蘭多糖含量的測定，發酵過程菌體形態觀察，發酵液的除菌，普魯蘭多糖分離提取。新型產品發酵過程設置一定的挑戰性，發酵原料的選擇，(www.baimashangsha.com)發酵過程控制方式和產物的分離純化都由學生自主查閱資料并選擇實施。

　　三種不同類型的實驗，能使學生初步掌握一種完整的發酵產品的生產過程，對發酵工程實驗形成一個系統的認識，培養學生的專業應用技能。另外，新型發酵產品綜合實驗，能使學生了解新的工業發酵產品的研發過程，學生在參與實驗過程中，學習如何查閱資料，如何對實驗結果和成敗原因進行分析，可以提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，培養學生良好的科學素質和創新能力。

　　三、合理安排實驗教學時間

　　微生物的發酵周期比較長，實驗需連續進行，常常需要夜間維護看罐，常規的教學計劃很難進行系統合理的安排，只能集中安排。發酵工程實驗課程安排在大學四年級上學期，學生課程相對較少，鑒于發酵工程實驗的特殊性和便于開展綜合性實驗，應采用集中排課的方式，可以每周8～12個學時，連續2～3周，以保證實驗的連續性。集中排課有利于學生在一段時間內將注意力集中，投入實驗狀態，綜合應用已學的理論與技術知識完成實驗，也使學生初步了解發酵工程科研特點，為以后的畢業論文打好基礎。

　　四、實驗教學方法和過程管理

　　在實驗之前，對實驗內容、時間安排、分組設置制定詳細的表格發給同學，便于同學們按照時間表自覺主動地完成實驗的準備和實施。在整個實驗過程中，發酵罐的清洗、培養基的配置、滅菌操作到實驗材料的準備、菌種的活化及擴培、上罐接種以及最后實驗結果的檢測等全部由學生自主完成。教師對實驗內容提供必要的講解，提示實驗過程中的注意事項，啟發其對所學理論知識的思考，激發學生的創造性思維和動手能力，主動思考實驗原理及操作要點，加深對理論知識的理解；對于實驗中所用的大型設備在試驗開始之前進行集中操作培訓，確保在試驗中學生能夠獨立正確操作，實驗設備能夠運行良好。每次實驗進行之前，教師必須強調實驗室安全問題，規范實驗室使用、藥品使用等規章制度。實驗分組以6～8名同學一組，設置組長，在不同的實驗階段，組長由小組內每個同學輪流擔任，組長負責人員任務分配和協調以及實驗記錄的提交。學生實驗過程中小組成員共同商議實驗的進程及具體安排，并做好書面的人員安排記錄。這樣的分組方式和組長輪換制度使學生能夠互相配合，激發每個成員的積極性，培養學生的團隊精神。另外，對于實驗技能單元采用新型教學手段，如拍攝視頻短片和動畫演示給學生，使學生能夠理解和鞏固相關知識和技術。

　　五、設計實驗課程考核體系

　　對實驗過程的考核是保證實驗教學質量和效果的重要環節，根據實驗體系中各種類型的實驗項目和內容的實施特點，應注重對學生實驗過程實驗方法和解決問題能力的全方位綜合性考核。

　　對于綜合性實驗，在每個小實驗結束后，由小組成員共同填寫實驗記錄結果，對實驗結果進行分析，并討論下一個實驗方案，寫出書面的實驗計劃安排。全部實驗結束后，每個小組撰寫實驗報告，格式按照正式生物科技論文寫作的稿件要求，包括題目、摘要、關鍵詞、引言、實驗材料和方法、結果、討論、參考文獻、附錄等內容，教師應在撰寫之前對實驗報告的格式和寫作方法進行介紹，提供模板。每個小組成員都要寫出實驗心得體會，同時制作幻燈片在實驗報告會上向全班同學展示。實驗成績由實驗出勤率、實驗結果、實驗報告的質量、實驗心得體會以及實驗報告展示答辯等多方面組成。這樣的考核方式，有利于學生體驗科學研究的各個環節以及練習科技論文寫作方法。

　　六、建設完善的實驗教學平臺

　　由于各方面的原因，我院的實驗設備和實驗條件較匱乏，尤其是微生物實驗室和發酵工程實驗室設備過于陳舊，僅能開設基礎實驗項目，綜合性實驗項目所需的條件不足。實驗室有二聯體不銹鋼機械攪拌發酵罐及相關附屬設備，高速管式離心機和小型噴霧干燥機等分離設備，具備一定的基礎。但非常缺乏發酵過程所需的各類實驗室基本儀器，小型發酵罐配套設備如葡萄糖測定傳感器、發酵尾氣分析儀，以及下游分離所需的小試型微濾/超濾管式膜分離系統。另外發酵罐過少限制了本科實驗教學，購置更多的小型發酵罐，便于學生分組進行實驗。由此有必要在未來加強相關的應用微生物與發酵工程基礎教學和研究實驗平臺建設。建立專門的發酵工程實驗平臺，作為發酵工程綜合實驗和校內實訓基地。我院目前每年都有校級和國家級大學生科研訓練計劃，鼓勵本科生參與科研項目，發酵工程實驗教學平臺也可設置開放實驗室，作為大學生創新創業訓練和科研訓練的平臺。

　　在校內建立完善的發酵工程綜合實驗室和實訓基地，加大開放性實驗的力度，不僅可以幫助相關本科學生拓寬學生知識面，了解企業研發流程，掌握過硬的專業實踐技能，還可以通過平臺培養研究生，使之成為發酵工程技術研究和技術創新平臺。另外，在此基礎上，與周邊地區的大型制藥企業、發酵企業合作，設立校外實習基地，通過參觀和講解，學生可以了解企業的發展歷程、產品種類、生產流程、營銷方式，以及新產品的研發流程等，學習書本上學不到的知識，加深對發酵理論和知識的理解，增加學生對現代發酵企業的認識。

　　參考文獻：

　　[1]陳堅，堵國成，張東旭。發酵工程實驗技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

　　[2]晏磊，陳朋，張爽。發酵工程實驗教學改革與實效分析[J].甘肅科技，2011，27（19）。

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