創(chuàng)新設計型生物工程工藝大實驗研究

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目前，我國高等教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面仍存在諸多限制，如應試教育、教學內容陳舊、以教材為中心的教學方法和單一考核方式等［1］。針對這些問題，在高等教育改革中，需要循序漸進，不斷地改革教育觀念和教育方法，從而提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質量。生物工程專業(yè)，是進行生物技術和工程工藝的理論和技能的培訓，培養(yǎng)從事生物發(fā)酵、制藥以及環(huán)境生物處理和食品加工等過程和設備的生產、研究、開發(fā)、設計等的高級工程技術人才，是技術性、綜合性和通用性都很強的專業(yè)。為了強化大學生對所學的系統(tǒng)性專業(yè)知識的掌握，并提高他們的工程實踐能力，提升其實踐操作環(huán)節(jié)分析問題和解決問題的能力，江南大學生物工程學院對三年級即將結束的學生，進行工藝大實驗的綜合培訓與指導。雖然工藝大實驗能夠提升學生對生物工程專業(yè)知識的系統(tǒng)掌握，提高他們的工程實踐能力，但仍存在一些有關培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力和獨立思考能力方面的問題。如大工藝實驗采用的工藝流程和技術參數都是按照工業(yè)生產實際情況而制定的，學生沒有參與設計，所以他們獨立思考的空間較少［6］。為了加強學生的動手能力，拓展他們的獨立思考空間，對大工藝實驗的教學方法進行了改進，采用多種原料工藝的中試大實驗，增加了自選原料設計并制作新產品、以小組為單位的設備操作現場考核和綜合實驗PPT展示的專家考核的內容，從而形成了以學生獨立思考、獨自操作和獨立演講匯報為核心的創(chuàng)新設計型工藝大實驗教學方案。

1新工藝大實驗的教學內容

我校制定的工藝大實驗包括厭氧發(fā)酵生產實驗和好氧通風發(fā)酵生產實驗兩大類，其中，厭氧生產實驗是啤酒或黃酒的制作，而好氧通風實驗是檸檬酸、氨基酸或是一些重組菌的發(fā)酵生產。為期3周的內容包括:原料的分析檢測，發(fā)酵過程各個參數的跟蹤檢測，發(fā)酵產品的分析或品評等。為了增強學生獨立思考和設計的能力，強化對生產工藝和控制參數的認識，在教學方案中，增加了自選原料設計并制作新產品的實驗內容和以小組為單位進行匯報展示的新考核方式。

1.1工藝大實驗的任務與安排

啤酒釀造工藝大實驗的主要內容包括200L啤酒釀造的綜合實驗、啤酒酵母的分離保藏和鑒定、啤酒原料分析比較綜合實驗和自選原料的特色啤酒釀造實驗4大模塊。200L啤酒釀造周期較長，為期3周，包括菌株活化、擴培、原料的預處理和發(fā)酵過程監(jiān)測等，要求每組成員，進行合理安排，分工合作，使各個模塊能夠相互協(xié)同。每個小組包括4位同學，自行安排各個實驗的時間和設計實驗方案，他們在這3周均必須保持較高的工作強度，才能順利完成既定的實驗任務。此外，為了使實驗內容能夠順利進行，安排研究生助教協(xié)助解決學生遇到的問題。

1.2中試規(guī)模的工業(yè)化生產實驗

200L啤酒釀造的中試生產實驗是采用一套半自動化啤酒釀造設備，模擬現代啤酒的釀造工藝。進行中試生產實驗事實，將2～3個小組合并為一個大組，每個大組選擇一個獨特的原料配方進行實驗，包括純大麥麥芽、焦香麥芽(黑啤)、大麥麥芽與小麥麥芽混合、大麥麥芽和青稞芽混合、添加不同輔料(大米、玉米淀粉或加玉米糖漿)等原料使用方案。這些方案的應用，使學生能夠掌握不同類型啤酒的釀造工藝，同時認識不同啤酒釀造原料對啤酒質量和口感的影響。中試生產的實驗任務包括酵母擴培培養(yǎng)基制作、酵母擴培、發(fā)酵罐設備的清洗、原料和輔料的處理、釀造過程的設備操作和發(fā)酵過程的參數監(jiān)測等。每天跟蹤檢測的指標包括啤酒酵母細胞數、啤酒酵母芽生率、雙乙酰含量、發(fā)酵液外觀，發(fā)酵后期增加分析酒精度、發(fā)酵度和高級醇酯等。從酵母培養(yǎng)到啤酒發(fā)酵成熟，一般為期3周，實驗內容涉及菌株、原料、設備和發(fā)酵工藝及最后階段的口感品評。涵蓋啤酒釀造的各方面，包含微生物學、發(fā)酵工業(yè)分析、發(fā)酵設備以及釀酒工藝學等學科知識，具有綜合性和實踐操作性較強的教學特色。

1.3輔助實驗在新教學方案中應用

工藝大實驗過程中，同時安排了有關菌株和原料的輔助實驗，加強學生對工業(yè)原料和工業(yè)分析指標的認識，包括啤酒酵母的分離、低雙乙酰酵母篩選以及酵母保藏;啤酒原料的水分、淀粉含量分析、無水浸出率分析以及協(xié)定糖化和協(xié)定麥汁的分析等。此外，重新對學生進行專業(yè)性的理論指導，即通過PPT演示講解啤酒酵母和原料的相關知識等。通過這兩個模塊的實驗，不但鍛煉了學生對微生物原輔料的分析操作能力，同時加強了學生對啤酒酵母菌管理和啤酒原輔料指標控制的認識。

1.4新產品的設計與制作

經過以上的教學方案，能夠幫助學生掌握現有的啤酒釀造的綜合知識，但是這些知識體系較為固定，學生的學習主要以操作為主，仍不能靈活應用。為了加強他們的創(chuàng)新能力，新的教學方案增加了自選原料制作新產品的實驗模塊，即以小組為單位，討論并設計新產品，選擇合適原料，制定相應的工藝，進行小型實驗，并進行考評。新產品的設計環(huán)節(jié)，學生充分發(fā)揮主觀能動性，自主選擇特色原材料，定位獨特的產品。此外，學生需要將新原料與新工藝相互匹配，達到熟悉和掌握工藝參數的目的。在啤酒釀造實驗中，學生制作的新產品，風格豐富多樣，如香醇豐富的桂花蜂蜜啤酒、色彩鮮艷的玫瑰啤酒、果味突出的蘋果啤酒和咖啡香味的咖啡啤酒等。在這種創(chuàng)新教學方案中，學生的主動性被充分調動，通過獨立思考，應用所學知識，創(chuàng)造了全新產品，在短時間內較好地培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。

2工藝大實驗的創(chuàng)新考核方式

對實驗教學效果進行考核時，傳統(tǒng)實驗報告的考核方式存在諸多缺點，不能使學生再次系統(tǒng)性地回顧各個實驗環(huán)節(jié)的原理和內容，也不能評價學生掌握相關知識的熟練程度。我們改進這種大工藝實驗的考核方式，包括實驗過程中的自選原料設計新產品的匯報環(huán)節(jié)、新產品口感品評與打分的環(huán)節(jié)和發(fā)酵設備操作技能的現場考核環(huán)節(jié)以及實驗結束后的綜合匯報考核。新產品設計的匯報考核，重點考查學生對原料選擇的合理性、原料預處理工藝的正確性和新產品制作的可行性。通過這一個環(huán)節(jié)的匯報，不但修正了學生在新產品設計出現的一些錯誤，同時考查學生對專業(yè)知識掌握程度。新產品的口感品評考核，則對學生制作的產品在色、香、味方面進行綜合感官評價，考核產品的創(chuàng)新性?，F場設備操作考核，了解學生對發(fā)酵設備熟練程度。最終的綜合考評，則在5－8分鐘內。以小組為單位，用PPT展示為期3周的所有實驗內容和結果，并進行適當的討論和總結，最后由老師專業(yè)點評和提問。通過該環(huán)節(jié)的考核，有效檢驗了學生的專業(yè)知識和創(chuàng)新能力。優(yōu)秀的學生能夠很好地掌握并應用已學過的專業(yè)知識，清晰展示他們的新產品設計與制作過程;而一些表現較差的學生，往往只是學會了部分操作步驟和簡單的工藝。所以，這種新的實驗教學考核方式，能夠檢驗學生的實驗效果，客觀反映學生對知識的掌握情況，且提升學生發(fā)現問題和解決問題的能力。

3新教學方案的成效

3.1解決了一些常見的實驗教學問題

實驗教學對提高大學生的實踐動手能力和創(chuàng)新意識具有重要的意義，然而我國高校實驗教學仍存在著諸多問題，例如實驗教學缺乏獨立的教學地位、缺乏整體性和缺乏科學的實驗考核體系等。此外，實驗教學普遍采用現有的實驗步驟和參考書，實驗教學側重于實驗操作方法的訓練，并未涉及問題引導性的自主設計實驗，難以鍛煉學生的創(chuàng)新能力。采用新的創(chuàng)新設計型工藝大實驗的教學方案，能夠解決這些常見的實驗教學問題。

1)工藝大實驗具有獨立教學的地位，其對象是經過3年學習的大三學生，采用獨立性實驗教學，具有綜合性的特征。

2)工藝大實驗內容豐富，模擬工業(yè)生產過程，各個實驗環(huán)節(jié)相互補充，具備知識綜合性和教學完整性的特征。而在考核環(huán)節(jié)，以學生小組展示為主導，老師的點評為輔，能夠科學地檢驗學生對綜合知識體系掌握的熟練程度。

3)新產品的設計與制作，融合到工藝大實驗中，鍛煉學生獨立思考和靈活應用知識的能力，激發(fā)他們學習興趣和創(chuàng)新意識。所以，新教學方案以工業(yè)生產操作技能與創(chuàng)新設計能力并重的實驗教學手段，解決實驗教學中普遍存在的教學問題，提高了學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力，提升他們的專業(yè)技能和創(chuàng)新觀念，顯著提高了實驗教學質量。

3.2顯著提高學生的創(chuàng)新能力

培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是高效教學的基本目標［12］。經過系統(tǒng)的基礎知識和專業(yè)理論知識學習之后，通過綜合性較強的工藝大實驗，強化學生的專業(yè)知識。同時，增加他們的專業(yè)實踐能力，是非常必要的，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的重要途徑。在為期3周的工藝大實驗中，學生每天都必須完成多個實驗項目，包括化學分析、微生物操作和設備操作等，其內容豐富，涉及面廣。經過反復的實驗訓練，使學生能夠熟能生巧，將積累的實驗知識應用于新產品的設計和制作過程中;使學生切實體會所學知識，包括理論知識、工藝參數、設備布局和員工管理等。經過工藝大實驗之后，學生也總結了許多收獲和體會，比如在實驗過程中團隊協(xié)作和有效溝通的重要性，虛心求教和碰到難題不妥協(xié)的態(tài)度，對實驗過程保持足夠的細心且對不可預期的結果要保持信心、重新認識專業(yè)知識學習的重要性等。

4結束語

創(chuàng)新設計型工藝大實驗的教學方式，提高了學生專業(yè)實踐能力，同時也極大提升了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是一種具有推廣意義的新的工藝大實驗教學模式。

作者：朱林江 鄭飛云 李永仙 李崎 單位：江南大學生物工程學院