發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程探究式教學(xué)

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《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)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(xué)課程為24學(xué)時(shí)，生物工程設(shè)備課程為32學(xué)時(shí)，2門課程均單獨(dú)開設(shè)16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課程。目前，這2門課程存在教學(xué)內(nèi)容重復(fù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法教學(xué)效果不佳的問題。針對(duì)該問題，我們依托學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校工程，對(duì)發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程的理論教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革與實(shí)踐。

1發(fā)酵工藝學(xué)與生物工程設(shè)備課程教學(xué)融合一體化

目前，各校發(fā)酵工藝學(xué)課程所使用的教材為《新編生物工藝學(xué)》、《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(shè)備課程以《生物工程設(shè)備》教材為主。發(fā)酵工藝學(xué)教學(xué)內(nèi)容以“理”為主，生物工程設(shè)備課程內(nèi)容以“工”為重。在近十年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，一方面學(xué)生對(duì)抽象的《發(fā)酵工藝學(xué)》和“冷漠”的《生物工程設(shè)備》的學(xué)習(xí)積極性明顯低于對(duì)生物化學(xué)和微生物學(xué)等課程的學(xué)習(xí)興趣，另一方面發(fā)現(xiàn)單獨(dú)講授“工藝學(xué)”和“設(shè)備”不利于學(xué)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(jìn)而形成了新的知識(shí)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(xué)教學(xué)內(nèi)容和生物工程設(shè)備教學(xué)內(nèi)容在不同生產(chǎn)階段進(jìn)行優(yōu)化整合。具體內(nèi)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(shí)也包括發(fā)酵工藝學(xué)中的糖類、有機(jī)酸、油脂、玉米漿、魚粉、酵母粉、蛋白胨等。

（2）原料處理內(nèi)容包括除鐵和原料分級(jí)設(shè)備和工藝。

（3）原料的粉碎包括干粉碎和濕粉碎設(shè)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(xué)教材中培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，再以工業(yè)培養(yǎng)基和科研實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)基的差異過渡至工業(yè)培養(yǎng)基滅菌內(nèi)容。此處將發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行重新整合，避免重復(fù)。其內(nèi)容為分批滅菌和連續(xù)滅菌的理論、滅菌設(shè)備、工業(yè)滅菌操作和相關(guān)計(jì)算（如冷卻水用量等），以工業(yè)滅菌操作和計(jì)算為重點(diǎn)內(nèi)容。本章最后為滅菌實(shí)例講解，包括生物工程設(shè)備課程中的“淀粉質(zhì)生產(chǎn)酒精的原料處理”和“啤酒中麥芽汁的制備”，同時(shí)增加了“紅霉素發(fā)酵的滅菌流程”內(nèi)容。這樣就避免了微生物學(xué)、發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程中滅菌內(nèi)容的相互重復(fù)，同時(shí)強(qiáng)化了工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際操作技能和工業(yè)滅菌設(shè)備的學(xué)習(xí)，最后通過生產(chǎn)實(shí)例將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。第三章講授種子的擴(kuò)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(xué)課程內(nèi)容為主，包括種子培養(yǎng)的特點(diǎn)、目的，種子擴(kuò)大培養(yǎng)、影響種子質(zhì)量因素，同時(shí)增加“移種時(shí)機(jī)的判斷”。為使學(xué)生學(xué)習(xí)工藝的同時(shí)熟悉相關(guān)設(shè)備，我們提出在講授種子培養(yǎng)的同時(shí)采用圖示法簡(jiǎn)略介紹種子培養(yǎng)罐結(jié)構(gòu)，使工藝與設(shè)備同時(shí)呈現(xiàn)給學(xué)生。第四章為發(fā)酵車間的發(fā)酵工藝、發(fā)酵設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備。本章節(jié)重點(diǎn)在于將工藝、設(shè)備、儀表檢測(cè)等教學(xué)內(nèi)容有機(jī)整合，解決之前單獨(dú)講授的缺點(diǎn)。首先，在案例教學(xué)的啟發(fā)下，我們提出以典型發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)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(duì)應(yīng)的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和檢測(cè)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(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的罐結(jié)構(gòu)及罐上檢測(cè)設(shè)備，最后，基于發(fā)酵工藝學(xué)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(guān)性）。通過“設(shè)備”和“工藝”聯(lián)合講授，使課程接近于生產(chǎn)實(shí)踐，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。第五章為無(wú)菌空氣制備。本章內(nèi)容主要包括無(wú)菌空氣過濾除菌原理、過濾工藝及相關(guān)設(shè)計(jì)?！盁o(wú)菌空氣制備”為發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備課程共有內(nèi)容，融合后的教學(xué)內(nèi)容可避免課程內(nèi)容的重復(fù)。第六章主要講授染菌分析。染菌預(yù)防和原因分析是工業(yè)發(fā)酵中非常重要的任務(wù)。本章內(nèi)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(shè)備知識(shí)如管道、通氣，軸封等。據(jù)此，我們將該章節(jié)與生物工程設(shè)備課程中的管道清洗殺菌內(nèi)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(xué)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(nèi)容的相對(duì)枯燥。第七章為生物工程設(shè)備課程的“工業(yè)生產(chǎn)放大”。該章節(jié)計(jì)算公式較多，因此要明確講解各公式的來(lái)源、公式的計(jì)算目的。最后，以實(shí)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(xué)內(nèi)容。蒸餾設(shè)備、結(jié)晶設(shè)備等為化工原理課程中的內(nèi)容。為了避免課程內(nèi)容的重復(fù)，融合后教學(xué)內(nèi)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(diǎn)，突出工業(yè)設(shè)備操作方法、工作原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上知識(shí)框架優(yōu)化整合后的教學(xué)內(nèi)容不僅避免了發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備教學(xué)中出現(xiàn)的內(nèi)容重復(fù)問題，也使授課內(nèi)容更加貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，切實(shí)使“教材”變成“學(xué)材”，同時(shí)，也為我們開展探究式教學(xué)模式奠定了基礎(chǔ)。

2探究式教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》均是理論與實(shí)踐并重的課程。傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容采用滿堂灌的教學(xué)方法。這種模式僅注重知識(shí)的傳授，忽視了學(xué)生的參與，使得與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容變得枯燥。在考核形式方面，過于注重知識(shí)的考核。因此，這種傳統(tǒng)教學(xué)模式不利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，更不利于實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的提升。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面，已經(jīng)有較多教學(xué)改革的報(bào)道。喬長(zhǎng)晟等提出了將設(shè)備課程授課地點(diǎn)由教室搬到專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、研究室或校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，而在課堂上利用啟發(fā)式、研討式的教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。劉雁南等強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)踐，重視實(shí)踐環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)以某種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)為主體構(gòu)建課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，涉及發(fā)酵工藝原理、生物分離技術(shù)、生物工程設(shè)備等知識(shí)。項(xiàng)駟文等針對(duì)設(shè)備課程中計(jì)算公式多、結(jié)構(gòu)原理較多，傳統(tǒng)授課枯燥乏味的問題，將案例教學(xué)法引入課堂教學(xué)，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(xué)生從設(shè)備的角度出發(fā)，探討哪些設(shè)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(xué)改革，強(qiáng)調(diào)了課堂講授方式多樣性及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要性。在此基礎(chǔ)上，我們提出了基于發(fā)酵工藝學(xué)和生物工程設(shè)備融合后課程的探究式教學(xué)模式改革與實(shí)踐。探究式教學(xué)法是教師提出問題，學(xué)生通過查閱資料、實(shí)驗(yàn)、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(xué)方法。在探究式教學(xué)過程中，學(xué)生在問題的引導(dǎo)下，主動(dòng)探索和掌握解決問題的方法，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力都會(huì)得到提高。因此，將探究模式引入到教學(xué)過程中，可以極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯和創(chuàng)新能力具有重要的作用。探究式教學(xué)分為2個(gè)方面：

（1）任務(wù)驅(qū)動(dòng)，明確探究方向?！叭蝿?wù)驅(qū)動(dòng)法”使學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)十分明確，學(xué)生緊緊圍繞這一目標(biāo)，探求相關(guān)的知識(shí)，在完成一個(gè)個(gè)任務(wù)中主動(dòng)地獲得知識(shí)，逐步提高能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（2）提供資源、平臺(tái)，自主探究學(xué)習(xí)。1996年美國(guó)公布的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，將探究式教學(xué)列為學(xué)習(xí)科學(xué)的核心方法。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始引入探究式教學(xué)理念并逐步推行，但探究教學(xué)真正引起多數(shù)研究者和教師的關(guān)注并在實(shí)踐中大面積實(shí)施則始于新一輪國(guó)家基礎(chǔ)教育課程改革。從探究式教學(xué)的2個(gè)方面來(lái)看，探究式教學(xué)適用于原理和實(shí)踐并重的《發(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》的教學(xué)過程?！栋l(fā)酵工藝學(xué)》和《生物工程設(shè)備》均有16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程，因此，采用探究教學(xué)模式鼓勵(lì)學(xué)生開展實(shí)踐活動(dòng)，才有可能將枯燥的理論轉(zhuǎn)變成自身的能力。首先，這2門課程教學(xué)內(nèi)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(shè)計(jì)探究性問題或任務(wù)，以學(xué)生為主體完成任務(wù)或解決問題。比如在第一章發(fā)酵初始原料中，我們讓學(xué)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(diǎn)。在培養(yǎng)基設(shè)計(jì)章節(jié)，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單細(xì)胞酵母發(fā)酵培養(yǎng)基正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)，自行探究了培養(yǎng)基成分對(duì)發(fā)酵的影響及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，最后結(jié)合理論課程講授，增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在發(fā)酵罐和發(fā)酵工藝控制章節(jié)中，同樣結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程向?qū)W生下達(dá)任務(wù)：

（1）通過查閱資料和參觀實(shí)習(xí)基地主動(dòng)認(rèn)識(shí)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及功能。

（2）在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模發(fā)酵罐上自主完成抗生素發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。在自主學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅掌握了設(shè)備結(jié)構(gòu)，也學(xué)會(huì)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(xué)習(xí)的方式，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。這種探究式教學(xué)模式不僅使學(xué)生自主領(lǐng)悟基本原理，而且有利于提升實(shí)踐操作水平。在染菌分析和管道滅菌章節(jié)，讓學(xué)生分組對(duì)50L發(fā)酵罐的可能染菌位置進(jìn)行判斷，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。最后，依托學(xué)院的小型啤酒生產(chǎn)線和葡萄酒生產(chǎn)線以及其它相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)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(shí)驗(yàn)，考察學(xué)生理論知識(shí)和操作技能，其考核成績(jī)占該課程總成績(jī)的50%，這樣避免傳統(tǒng)考核中只注重知識(shí)考核的缺點(diǎn)。在探究式教學(xué)中，教師不僅為學(xué)生提供一個(gè)自主探究學(xué)習(xí)的平臺(tái)，而且也是探究式教學(xué)實(shí)施的組織者和管理者。因此，在整個(gè)探究式教學(xué)中教師具有重要的作用。教師要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己提出的解決方法在實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)，從而證實(shí)自己的解決方法是否得當(dāng)。這種探究式教學(xué)模式也體現(xiàn)了“學(xué)生為主、能力為重”的教學(xué)目標(biāo)，能夠更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)的需求的應(yīng)用型人才。

3結(jié)語(yǔ)

本教學(xué)改革不僅整合優(yōu)化課程內(nèi)容，而且構(gòu)建了“以學(xué)生為主”的探究式的教學(xué)模式，使學(xué)生以“技術(shù)員”的身份和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式”進(jìn)行思考和自主學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明，該教學(xué)改革有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，能夠更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)的需求的應(yīng)用型人才。

作者：陳勇 單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院