發(fā)酵工藝學和生物工程探究式教學

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《發(fā)酵工藝學》和《生物工程設備》是生物工程專業(yè)的2門老課程，其在生物工程專業(yè)課程體系中具有非常重要的地位。我院的發(fā)酵工藝學課程為24學時，生物工程設備課程為32學時，2門課程均單獨開設16學時實驗課程。目前，這2門課程存在教學內容重復和傳統(tǒng)教學方法教學效果不佳的問題。針對該問題，我們依托學校應用型人才培養(yǎng)特色名校工程，對發(fā)酵工藝學和生物工程設備課程的理論教學內容和教學方法進行了改革與實踐。

1發(fā)酵工藝學與生物工程設備課程教學融合一體化

目前，各校發(fā)酵工藝學課程所使用的教材為《新編生物工藝學》、《生物工藝原理》、《發(fā)酵工藝原理》、《微生物工程工藝原理》和《微生物工程》等。生物工程設備課程以《生物工程設備》教材為主。發(fā)酵工藝學教學內容以“理”為主，生物工程設備課程內容以“工”為重。在近十年的教學過程中發(fā)現(xiàn)，一方面學生對抽象的《發(fā)酵工藝學》和“冷漠”的《生物工程設備》的學習積極性明顯低于對生物化學和微生物學等課程的學習興趣，另一方面發(fā)現(xiàn)單獨講授“工藝學”和“設備”不利于學生在宏觀層面上理解工業(yè)發(fā)酵的生產(chǎn)過程。因此，我們提出了按照工業(yè)生產(chǎn)車間流程的順序優(yōu)化整合兩門課程，進而形成了新的知識框架。以工業(yè)生產(chǎn)中“原料至產(chǎn)品”的生產(chǎn)過程為綱，可將發(fā)酵工藝學教學內容和生物工程設備教學內容在不同生產(chǎn)階段進行優(yōu)化整合。具體內容如下。第一章講授各種微生物發(fā)酵產(chǎn)品所需的初始原料，具體包括

（1）原料種類如谷物、黃豆餅粉、酵母粉、玉米、木薯等，同時也包括發(fā)酵工藝學中的糖類、有機酸、油脂、玉米漿、魚粉、酵母粉、蛋白胨等。

（2）原料處理內容包括除鐵和原料分級設備和工藝。

（3）原料的粉碎包括干粉碎和濕粉碎設備與工藝。第二章講授工業(yè)培養(yǎng)基。先講授發(fā)酵工藝學教材中培養(yǎng)基的設計和優(yōu)化，再以工業(yè)培養(yǎng)基和科研實驗用培養(yǎng)基的差異過渡至工業(yè)培養(yǎng)基滅菌內容。此處將發(fā)酵工藝學和生物工程設備課程中的相關內容進行重新整合，避免重復。其內容為分批滅菌和連續(xù)滅菌的理論、滅菌設備、工業(yè)滅菌操作和相關計算（如冷卻水用量等），以工業(yè)滅菌操作和計算為重點內容。本章最后為滅菌實例講解，包括生物工程設備課程中的“淀粉質生產(chǎn)酒精的原料處理”和“啤酒中麥芽汁的制備”，同時增加了“紅霉素發(fā)酵的滅菌流程”內容。這樣就避免了微生物學、發(fā)酵工藝學和生物工程設備課程中滅菌內容的相互重復，同時強化了工業(yè)生產(chǎn)實際操作技能和工業(yè)滅菌設備的學習，最后通過生產(chǎn)實例將所學知識融會貫通。第三章講授種子的擴大培養(yǎng)。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程，在培養(yǎng)基配制、滅菌后為種子培養(yǎng)和發(fā)酵階段。這部分主要以發(fā)酵工藝學課程內容為主，包括種子培養(yǎng)的特點、目的，種子擴大培養(yǎng)、影響種子質量因素，同時增加“移種時機的判斷”。為使學生學習工藝的同時熟悉相關設備，我們提出在講授種子培養(yǎng)的同時采用圖示法簡略介紹種子培養(yǎng)罐結構，使工藝與設備同時呈現(xiàn)給學生。第四章為發(fā)酵車間的發(fā)酵工藝、發(fā)酵設備及檢測設備。本章節(jié)重點在于將工藝、設備、儀表檢測等教學內容有機整合，解決之前單獨講授的缺點。首先，在案例教學的啟發(fā)下，我們提出以典型發(fā)酵生產(chǎn)實例（如紅霉素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、啤酒發(fā)酵等）講解不同發(fā)酵工藝、與之對應的發(fā)酵罐結構和檢測裝置，例如以紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)為例，首先講授紅霉素發(fā)酵工藝、機械攪拌通風發(fā)酵罐的罐結構及罐上檢測設備，最后，基于發(fā)酵工藝學歸納出各參數(shù)（如pH、溶氧等）的變化規(guī)律、控制措施以及數(shù)據(jù)分析（如攪拌、溶氧、pH、OUR等參數(shù)相關性）。通過“設備”和“工藝”聯(lián)合講授，使課程接近于生產(chǎn)實踐，有利于學生綜合素質的提高。第五章為無菌空氣制備。本章內容主要包括無菌空氣過濾除菌原理、過濾工藝及相關設計?！盁o菌空氣制備”為發(fā)酵工藝學和生物工程設備課程共有內容，融合后的教學內容可避免課程內容的重復。第六章主要講授染菌分析。染菌預防和原因分析是工業(yè)發(fā)酵中非常重要的任務。本章內容為發(fā)酵前期、中期和后期染菌后的處理方法、染菌原因分析。染菌原因分析涉及到較多的發(fā)酵設備知識如管道、通氣，軸封等。據(jù)此，我們將該章節(jié)與生物工程設備課程中的管道清洗殺菌內容相互融合，將染菌和管道滅菌相聯(lián)系。這樣，一方面能夠更加有利于學生深入了解工業(yè)染菌、殺菌，另一方面避免了管道清洗殺菌內容的相對枯燥。第七章為生物工程設備課程的“工業(yè)生產(chǎn)放大”。該章節(jié)計算公式較多，因此要明確講解各公式的來源、公式的計算目的。最后，以實例講授工業(yè)放大過程。第八章為產(chǎn)品的提取。過濾、離心、膜分離、萃取分離、色譜分離等基本分離原理、操作為生物分離工程課程的教學內容。蒸餾設備、結晶設備等為化工原理課程中的內容。為了避免課程內容的重復，融合后教學內容主要以工業(yè)生產(chǎn)中常用的過濾、離心和萃取和離子交換色譜為重點，突出工業(yè)設備操作方法、工作原理和設備結構。根據(jù)以上知識框架優(yōu)化整合后的教學內容不僅避免了發(fā)酵工藝學和生物工程設備教學中出現(xiàn)的內容重復問題，也使授課內容更加貼近工業(yè)生產(chǎn)實際，切實使“教材”變成“學材”，同時，也為我們開展探究式教學模式奠定了基礎。

2探究式教學模式的改革與實踐

《發(fā)酵工藝學》和《生物工程設備》均是理論與實踐并重的課程。傳統(tǒng)教學中，教學內容采用滿堂灌的教學方法。這種模式僅注重知識的傳授，忽視了學生的參與，使得與工業(yè)生產(chǎn)相關的知識內容變得枯燥。在考核形式方面，過于注重知識的考核。因此，這種傳統(tǒng)教學模式不利于提高學生學習的興趣和主動性，更不利于實踐技能和創(chuàng)新能力的提升。在激發(fā)學生學習興趣方面，已經(jīng)有較多教學改革的報道。喬長晟等提出了將設備課程授課地點由教室搬到專業(yè)實驗室、研究室或校內實訓基地，而在課堂上利用啟發(fā)式、研討式的教學方法，調動學生的主觀能動性。劉雁南等強調理論聯(lián)系實踐，重視實踐環(huán)節(jié)。設計以某種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)為主體構建課程設計的教學內容，涉及發(fā)酵工藝原理、生物分離技術、生物工程設備等知識。項駟文等針對設備課程中計算公式多、結構原理較多，傳統(tǒng)授課枯燥乏味的問題，將案例教學法引入課堂教學，如發(fā)酵過程中染菌是最容易發(fā)生的事情，以檸檬酸生產(chǎn)為例，讓學生從設備的角度出發(fā)，探討哪些設備和部件可能引發(fā)染菌。崔月花、李云靜和郎亞軍分別探討了發(fā)酵工藝原理課程的教學改革，強調了課堂講授方式多樣性及實驗教學效果的重要性。在此基礎上，我們提出了基于發(fā)酵工藝學和生物工程設備融合后課程的探究式教學模式改革與實踐。探究式教學法是教師提出問題，學生通過查閱資料、實驗、思考和分析等過程后，自己發(fā)現(xiàn)并理解掌握原理的教學方法。在探究式教學過程中，學生在問題的引導下，主動探索和掌握解決問題的方法，學生的創(chuàng)新意識和能力都會得到提高。因此，將探究模式引入到教學過程中，可以極大激發(fā)學生的學習興趣和熱情，對培養(yǎng)學生的邏輯和創(chuàng)新能力具有重要的作用。探究式教學分為2個方面：

（1）任務驅動，明確探究方向?！叭蝿镇寗臃ā笔箤W生學習目標十分明確，學生緊緊圍繞這一目標，探求相關的知識，在完成一個個任務中主動地獲得知識，逐步提高能力，實現(xiàn)學習目標。

（2）提供資源、平臺，自主探究學習。1996年美國公布的《美國國家科學教育標準》，將探究式教學列為學習科學的核心方法。我國從20世紀70年代開始引入探究式教學理念并逐步推行，但探究教學真正引起多數(shù)研究者和教師的關注并在實踐中大面積實施則始于新一輪國家基礎教育課程改革。從探究式教學的2個方面來看，探究式教學適用于原理和實踐并重的《發(fā)酵工藝學》和《生物工程設備》的教學過程?！栋l(fā)酵工藝學》和《生物工程設備》均有16學時的實驗課程，因此，采用探究教學模式鼓勵學生開展實踐活動，才有可能將枯燥的理論轉變成自身的能力。首先，這2門課程教學內容整合模式為“工業(yè)生產(chǎn)車間”模式，這樣就可以依據(jù)企業(yè)“生產(chǎn)車間模式”設計探究性問題或任務，以學生為主體完成任務或解決問題。比如在第一章發(fā)酵初始原料中，我們讓學生通過查閱資料獲得多種工業(yè)發(fā)酵所用的培養(yǎng)基原料，并歸納出其特點。在培養(yǎng)基設計章節(jié)，讓學生自行設計實驗進行單細胞酵母發(fā)酵培養(yǎng)基正交優(yōu)化實驗和響應面優(yōu)化實驗。學生在完成任務的同時，自行探究了培養(yǎng)基成分對發(fā)酵的影響及優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)處理方法，最后結合理論課程講授，增加學生對知識的理解。在發(fā)酵罐和發(fā)酵工藝控制章節(jié)中，同樣結合實驗課程向學生下達任務：

（1）通過查閱資料和參觀實習基地主動認識發(fā)酵罐的結構及功能。

（2）在實驗室小規(guī)模發(fā)酵罐上自主完成抗生素發(fā)酵實驗。在自主學習過程中，學生不僅掌握了設備結構，也學會了滅菌工藝和發(fā)酵過程控制等操作技能。通過這種自主學習的方式，可以有效提高學生的學習興趣，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。這種探究式教學模式不僅使學生自主領悟基本原理，而且有利于提升實踐操作水平。在染菌分析和管道滅菌章節(jié)，讓學生分組對50L發(fā)酵罐的可能染菌位置進行判斷，充分調動學生的學習自主性。最后，依托學院的小型啤酒生產(chǎn)線和葡萄酒生產(chǎn)線以及其它相應的實驗設備，讓學生分組自行完成啤酒和葡萄酒的發(fā)酵過程。通過這次綜合實驗，考察學生理論知識和操作技能，其考核成績占該課程總成績的50%，這樣避免傳統(tǒng)考核中只注重知識考核的缺點。在探究式教學中，教師不僅為學生提供一個自主探究學習的平臺，而且也是探究式教學實施的組織者和管理者。因此，在整個探究式教學中教師具有重要的作用。教師要充分發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生自我學習能力、創(chuàng)新能力和獨立發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，同時鼓勵學生對自己提出的解決方法在實驗室開展實驗，從而證實自己的解決方法是否得當。這種探究式教學模式也體現(xiàn)了“學生為主、能力為重”的教學目標，能夠更好地培養(yǎng)出適應企業(yè)的需求的應用型人才。

3結語

本教學改革不僅整合優(yōu)化課程內容，而且構建了“以學生為主”的探究式的教學模式，使學生以“技術員”的身份和“任務驅動模式”進行思考和自主學習。實踐證明，該教學改革有利于激發(fā)學生學習興趣，提高學生動手能力和創(chuàng)新能力，能夠更好地培養(yǎng)出適應企業(yè)的需求的應用型人才。

作者：陳勇 單位：青島農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院