教師科研項目引入食品微生物學實驗課程
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摘要：以“泡菜中降解亞硝酸鹽乳酸菌的篩選及生物學功能研究”為主線，構建了食品微生物學綜合實驗的教學內容，在教學方法、教學模式、考核方式等方面進行了探索和實踐，取得較好的教學效果。基于科研課題形成的實驗教學，既鍛煉了學生的微生物基礎實驗技能，又培養(yǎng)了學生初步的科學研究能力。
關鍵詞：科研項目；食品微生物學實驗；科教融合；實踐
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及生產(chǎn)力的提高，各行各業(yè)對創(chuàng)新型人才的需求急劇增加。高校是培養(yǎng)高級專業(yè)人才的搖籃，肩負著義不容辭的責任。實踐教學是高等教育重要的組成部分，是培養(yǎng)大學生實踐創(chuàng)新能力的重要途徑。2000年后，教育部先后頒發(fā)了《關于進一步加強和改進普通高等學校實踐教學工作的若干意見》《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》《全面提高高等教育質量的若干意見》等文件，明確指出要大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，全面推進素質教育［1］。科研和教學是推動高校發(fā)展的雙翼，教學是大學之根本任務，科研是促進教學的重要手段，二者相互促進，缺一不可。在大學教育環(huán)境下，要以教學為本，讓科研成果促進教學，實現(xiàn)科教融合。食品微生物學實驗課是食品科學與工程、食品質量與安全專業(yè)的一門重要專業(yè)核心課程。食品微生物學實驗課是一門實驗課程，是食品微生物學的重要組成部分，其主要目標是使學生掌握食品微生物學實驗的基本操作技能，加深學生對食品微生物學基本概念和原理的理解。對于食品科學類學生和食品領域從業(yè)人員來說，食品微生物學實驗是必備的實驗技能［2］。該課程主要包含微生物基礎實驗、食品微生物學檢驗技術、微生物發(fā)酵實驗技術等。從類型上又可以分為驗證性實驗、綜合設計性實驗，其中綜合設計性實驗是多個基礎驗證性實驗的連續(xù)開展，可以提升學生的綜合實驗能力，使學生的創(chuàng)新思維得到提升。傳統(tǒng)食品微生物學實驗教學項目的設置受制于理論課程，驗證性實驗項目過多，且容易忽略實驗項目之間的有機聯(lián)系，各項目之間相對獨立，缺乏內在聯(lián)系，嚴重制約著學生綜合解決問題能力和創(chuàng)新能力的提高［3－4］。探索將整個微生物學基礎實驗課程設計為綜合性研究型實驗，將本科微生物實驗教學向探索型、研究型發(fā)展，對于提高學生的科學研究思維有著積極的作用。為了深化實驗教學改革，整合食品微生物相關實驗，利用任課教師的科研項目開設新型綜合實驗，使學生既學會基礎實驗操作，又能初步接觸科學研究理念，營造創(chuàng)新性氛圍，以提升實驗教學水平，激發(fā)學生的研究興趣，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力。為了提高學生的綜合實驗技能，提高學生設計、分析及解決實驗中出現(xiàn)問題的能力，食品微生物學實驗嘗試引入郭志華老師的安徽省教育廳優(yōu)秀人才項目“泡菜中降解亞硝酸鹽乳酸菌的篩選及生物學功能研究”作為綜合設計性實驗案例，將微生物學基本實驗技術和方法與教師的科研項目巧妙整合在一起，形成一種綜合性、研究性微生物學實驗課程教學模式，大大激發(fā)了學生的學習興趣。通過此次教學改革，取得了良好的實驗教學效果，為進一步深化食品微生物實驗教學改革提供了參考。
食品微生物學實驗是以微生物為研究對象的實驗課程，操作多，技能要求高，國內食品專業(yè)一般都開設了食品微生物學實驗課，開設的課程內容主要包括基礎實驗和綜合實驗兩類?；A實驗大多是簡單的驗證性實驗，培養(yǎng)學生嚴格、規(guī)范和準確地進行各類操作，包括操作訓練和微生物的特征觀察等，前者包括材料準備、滅菌以及微生物的分離、培養(yǎng)、染色和顯微鏡觀察等，后者包括微生物的計數(shù)、生理生化特征和生物學活性研究等。綜合實驗是綜合運用基礎實驗技能和方法，大多為測定或分離等工作，如稀釋培養(yǎng)測數(shù)法（MPN）測定水中總大腸菌群等。這些教學內容主要在教師全程指導下完成，工作不連續(xù)，內容比較零散，結果可預期，不利于學生對知識整體性和系統(tǒng)性的把握，不能充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，忽視了學生創(chuàng)新能力和實踐素質的培養(yǎng)［5］。因此，在實驗課學時有限、教學內容多、學科不斷發(fā)展的情況下，對食品微生物學實驗教學進行改革勢在必行。以科研提升教學，將科研實驗轉化為教學內容，并進一步實現(xiàn)教學內容向科研工作的延伸，對于學生了解最新實驗技術與手段、提高創(chuàng)新能力具有不可比擬的作用［6］?！芭莶酥薪到鈦喯跛猁}乳酸菌的篩選及生物學功能研究”科研項目具有微生物實驗的代表性、安全性、可行性、趣味性、先進性等優(yōu)點，不僅能鍛煉學生微生物的實驗操作，而且能增加學生對食品微生物學實驗的興趣。
2以“泡菜中降解亞硝酸鹽乳酸菌的篩選及生物學功能研究”
為主線的微生物綜合實驗教學內容泡菜是以新鮮蔬菜為原料，在乳酸菌和酵母菌等菌群的作用下通過厭氧發(fā)酵生成的一種發(fā)酵食品［7］。泡菜在腌制過程中不可避免地會產(chǎn)生亞硝酸鹽，過量的亞硝酸鹽能夠與胃內食物中的仲胺類物質相互作用，轉化為亞硝胺，而亞硝胺具有強烈的致癌作用。大量研究表明，乳酸菌在泡菜發(fā)酵過程中具有降低亞硝酸鹽含量的作用。這是由于乳酸菌產(chǎn)生的亞硝酸還原酶和代謝產(chǎn)物乳酸可以降解和清除亞硝酸鹽。此項目主要是從泡菜中篩選降解亞硝酸鹽的乳酸菌并進行菌株鑒定，研究乳酸菌產(chǎn)酸能力、降低亞硝酸鹽能力、耐酸性、耐膽鹽、抑菌性和耐藥性等生物學特性，為生產(chǎn)優(yōu)質、安全泡菜提供優(yōu)良發(fā)酵劑。此科研項目的實驗流程如圖1所示。根據(jù)文獻資料和實驗教學的客觀情況，對部分實驗內容進行了完善，使之成為食品微生物綜合研究實驗（表1）：既分離和觀察乳酸菌，也分離和觀察在泡菜發(fā)酵中存在的酵母菌；既觀察個體形態(tài)、菌落特征等表型特征，又采用分子生物學和生物信息學技術相結合，用16SrRNA序列鑒定乳酸菌；用實驗中分離的乳酸菌制作泡菜，研究乳酸菌在泡菜中的作用；同時檢測乳酸菌的安全性。這是一個比較完整、系統(tǒng)的微生物學研究課題，突出微生物學知識之間相輔相成的關聯(lián)特征，包括食品微生物學基礎實驗、發(fā)酵實驗和微生物檢驗實驗。實驗內容貼近生活、有趣、安全，具有一定的探究性。這個實驗采用食品微生物經(jīng)典方法和研究路線，解決了有代表性的微生物學問題，研究過程較為完整和系統(tǒng)，實驗結果具有一定的開放性，著力于培養(yǎng)和訓練學生的科研創(chuàng)新能力，兼具安全、有趣等特征，適合在本科生食品微生物學實驗課程中開設。
2．1微生物基礎實驗
將培養(yǎng)基制備技術、無菌操作技術、顯微鏡技術、微生物分離技術、純培養(yǎng)技術、染色制片技術以及微生物生理生化指標測定技術等食品微生物學的基本實驗技術與科研項目分類整合，按由淺入深的順序編排實驗課程內容，使基礎實驗連貫成科學研究，合理安排學時，對學生進行基本實驗技能的訓練，使學生經(jīng)過這一環(huán)節(jié)的學習訓練能掌握較全面的微生物實驗基本原理和基本實驗技能，為今后的工作和科學研究打好基礎［8］。
2．2微生物分子基礎實驗
微生物分類鑒定是微生物學科研工作的基礎，微生物鑒定包括形態(tài)特征觀察、理化性質檢測和分子鑒定，其中基于16SrRNA遺傳特征的分子鑒定是目前微生物學實驗教學不可缺少的內容，用代表性片段同源性序列分析進行微生物鑒定，實驗內容包括提取微生物基因組、PCR方法擴增代表性片段、測序、序列分析、數(shù)據(jù)庫比對與分析等。
2．3微生物發(fā)酵實驗
用分離到的乳酸菌和酵母菌制作泡菜，研究它們在泡菜發(fā)酵中的活性，并比較自然發(fā)酵泡菜和篩選菌株接種泡菜的亞硝酸鹽含量。
2．4微生物學檢驗實驗
微生物學檢驗是食品微生物學的重要部分，根據(jù)國家標準GB／T4789．2—2016《食品微生物學檢驗菌落總數(shù)測定》檢測泡菜中乳酸菌的數(shù)量，從耐藥性、有害代謝物2個方面評價分離的乳酸菌。實驗教學的關鍵是讓學生理解實驗原理，領會實驗操作中需注意的細節(jié)，掌握實驗操作中關鍵的技術環(huán)節(jié)［9］。以教師科研項目為主線，把微生物學實驗貫穿在一起，使學生既鍛煉了微生物學基礎實驗技能，又完成一個“科研項目”。
3教學方法
3．1發(fā)揮網(wǎng)絡平臺優(yōu)勢，實現(xiàn)線上線下混合教學
提前將全班同學分成實驗小組，每4～6人為1個小組。課前由教師通過e會學平臺布置微課觀看任務給學生，微課視頻會詳細講解實驗目的、實驗原理、實驗步驟等教學內容。學生觀看微課，并結合實驗指導教材獨立完成實驗內容的學習。教師通過e會學平臺了解每個學生的學習情況［10］。實驗教學前，要求每小組派出1名同學簡單介紹自己的實驗方案及實驗注意事項，教師及時講解指導。學生實驗期間，教師對出現(xiàn)的問題給予指導，保證實驗的順利進行。
3．2開放微生物實驗室，讓學生自己準備實驗
實驗前期準備工作異常煩瑣，教師除了要檢查實驗藥品、配制實驗試劑、消毒實驗器皿、擺放實驗用品、調試實驗儀器等外，還要進行多次預實驗，以確保實驗結果的準確性［11］。學生參與實驗前期的準備工作，不僅可以熟悉和掌握基本的實驗操作技能，而且可以加深對實驗機理的理解，熟悉實驗步驟以及相關儀器的原理與使用方法，學生要明確實驗耗材的種類、規(guī)格和數(shù)量，調動學生的積極性與主動性。例如，“泡菜中降解亞硝酸鹽乳酸菌的篩選”和“亞硝酸鹽含量的測定”實驗中，前期準備工作包括對氨基苯磺酸溶液、萘基乙二胺溶液、亞硝酸鈉標準溶液的配制和分裝以及分光光度計的調試等；“乳酸菌基因組的提取、16SrDNA的擴增及序列比對”實驗中，前期準備工作包括吸頭、吸頭盒、離心管等耗材的準備，超凈臺的消毒，凝膠的制備及電泳技術。另外，由學生進行實驗前期準備工作，不僅可以讓教師有充足的精力投入實驗備課階段，提高教學質量，而且可以激發(fā)學生的實驗興趣［12］。
4食品微生物學實驗考核模式
由于實驗課程變成科學研究，不能簡單地用一次考試來評價成績，應當側重考查學生的知識綜合運用能力，分析問題、解決問題的能力以及實踐能力和創(chuàng)新能力等。為了保證考核的公平性和合理性，可以將成績分成2個部分：①實驗過程，約占60％，由教師打分。教師依據(jù)學生在實驗完成過程中的參與程度、操作水平、貢獻大小、數(shù)據(jù)分析能力、解決問題能力等方面在各個實驗結束時對學生進行評價，各階段成績之和即為這部分的總成績。②論文質量，約占40％。由于整個微生物實驗是一個課題研究，全部實驗完成后，每組要完成一篇研究論文（或報告），每個小組對研究結果要進行分析，教師要依據(jù)學生的論文質量、研究結果、成果創(chuàng)新性等方面進行評價。這種考核方式能夠客觀、公正地評價學生的科研能力［13］。
5教學效果
5．1該實驗能加強學生理論課與實踐課的緊密結合
科研項目引入實驗教學，實驗信息量大，手段多樣，包括食品微生物學的基礎實驗、發(fā)酵實驗和微生物學檢驗。在實驗過程中，將孤立的微生物實驗串聯(lián)成一個科研項目，同時該實驗還能夠將實驗與相關學科前沿知識聯(lián)系起來。在2018、2019級食品科學與工程專業(yè)、食品質量與安全專業(yè)共5個班級中進行探索，獲得了許多寶貴的實踐經(jīng)驗。學生一致反映自己的食品微生物學實驗操作能力得到了有效鍛煉，食品微生物學知識得到了進一步升華，指導教師對實驗結果也非常滿意，獲得了學院領導和教師的認可與好評。
5．2學生自主學習的積極性大幅度提高
興趣是學習的最大動力，只有學生感興趣，才會主動花時間和精力鉆研所學內容［14］。實驗內容來自教師的科研項目，同時又貼近生活，學生興趣濃厚，能主動對實驗進行深入探索。另外，盡管教師提供了實驗步驟，但是科研實驗結果的不確定性吸引學生能深入研究，這就需要學生掌握更多的理論知識，學習更多的實驗方法和技巧，有利于其深入理解理論知識，把握其內在聯(lián)系。實踐表明，科研與實驗教學相結合不僅加深了實驗課教學內容的深度和廣度，而且培養(yǎng)了學生的科研能力、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和工作作風，消除了學生對科研工作的畏懼和神秘感，大大提高了學生對科研的興趣和自信心［15－16］。食品專業(yè)約50％的學生從大二下學期開始進入實驗室跟教師做科研，積極參加微生物學相關課題。“石榴皮多酚的抑菌活性及抑菌機理的研究”獲得安徽省第三屆生命科學競賽二等獎；“乳酸菌生物膜的篩選及對重金屬的吸附研究”“殼聚糖固定化天冬氨酸酶基因工程菌合成L－天冬氨酸的研究”“紅872安徽農業(yè)科學2022年茶菌中降解亞硝酸鹽乳酸菌的分離及生物特性研究”等項目獲得安徽省第二屆大學生生命科學競賽三等獎。
6結語
整個實驗教學過程完全以學生為主體，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，學生了解了科學研究的過程、方法和手段，很好地培養(yǎng)了學生的團隊合作精神、實踐動手能力、分析問題解決問題能力和初步的科學研究能力。在完成實驗教學任務的過程中，同時完成了一個科研項目，使學生接觸到相關領域的研究熱點和前沿，提高了學生的學習興趣；將理論知識與實踐技能有機地結合起來，有效提高了學生的動手能力、知識綜合運用能力、分析問題解決問題的能力，使學生很好地理解科學研究的意義和方法，培養(yǎng)學生的團隊合作精神、創(chuàng)新意識和初步開展科學研究的能力，為以后從事微生物學相關研究和工作奠定基礎。基于科研課題形成的實驗教學開設食品微生物學綜合實驗是一個系統(tǒng)工程，在以后的教學過程中需要在教學觀念、內容設置、教學方式和結果評定等方面進一步協(xié)調和改革，及時收集學生的反饋，制訂相應的措施。教師科研項目轉化成實驗教學的科教融合，有望在鍛煉學生微生物學基礎實驗技能，培養(yǎng)本科生初步的科學研究能力等方面發(fā)揮重要作用。
作者:郭志華 單位:宿州學院生物與食品工程學院
