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淺談理科專業(yè)發(fā)酵工程創(chuàng)新實驗課程建設
淺談理科專業(yè)發(fā)酵工程創(chuàng)新實驗課程建設
張慧莉，馮麗
（石河子大學生命科學學院，新疆石河子832003）
摘要：發(fā)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(chǎn)業(yè)化人才的需求，培養(yǎng)學生的專業(yè)實踐技能，本文對發(fā)酵工程實驗的教學大綱、教學內(nèi)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(fā)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(fā)酵工程。
發(fā)酵工程是發(fā)酵工業(yè)的支撐學科，也是整個生物工程的核心。隨著生物技術的發(fā)展，發(fā)酵工程的技術和理論已經(jīng)廣泛應用于生物制藥、食品化工、環(huán)境化工等領域。通過發(fā)酵工程課程的學習，不僅能夠掌握發(fā)酵工程的原理及發(fā)酵控制過程優(yōu)化，而且對系統(tǒng)地了解生物技術及其工業(yè)化應用具有重要意義。對于理科專業(yè)，發(fā)酵工程在增強學生的工程意識、提高學生的科學素養(yǎng)，為生物學科理科專業(yè)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(fā)酵工程學科取得的每一個進步都和實驗技術的發(fā)展密切相關。因此學習發(fā)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(fā)現(xiàn)并解決問題，加速發(fā)酵產(chǎn)品的開發(fā)。培養(yǎng)創(chuàng)新人才需要在課程設置上增加社會調(diào)查實踐、綜合實驗訓練和課程綜合設計等實踐教學環(huán)節(jié)學分，促進理論與實踐的緊密結(jié)合。為滿足社會對應用型、技能型產(chǎn)業(yè)化人才的需求，必須提高對發(fā)酵工程實驗的重視程度，并把傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容轉(zhuǎn)向綜合研究型、應用創(chuàng)新型模式。
一、建立層次合理的實驗教學模式
發(fā)酵工程學課程是理科生物技術專業(yè)必修專業(yè)基礎課之一，課程內(nèi)容主要包括原料和菌種制備、發(fā)酵設備、發(fā)酵過程參數(shù)檢測及發(fā)酵工藝控制、發(fā)酵產(chǎn)品的分離純化等內(nèi)容，貫穿了整個發(fā)酵工程學的主線。但理科專業(yè)開設的發(fā)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(yǎng)學生理論與實踐相結(jié)合解決發(fā)酵工程實際問題的能力。因此，非常有必要在人才培養(yǎng)方案中增加發(fā)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(nèi)容，在條件成熟時單獨開設發(fā)酵工程綜合實驗課。
傳統(tǒng)的理科專業(yè)所開設的發(fā)酵工程實驗教學過于偏重基礎性和驗證性實驗，難以調(diào)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(tǒng)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(lián)起來的實驗培訓，缺乏讓學生進行系統(tǒng)地學習、綜合運用所學知識與技能的主線。這樣實驗內(nèi)容難以有挑戰(zhàn)性，學生難以發(fā)生興趣或產(chǎn)生求索的欲望，從而不重視實驗，達不到預期目標。傳統(tǒng)的發(fā)酵工程單元實驗教學內(nèi)容主要包括常見儀器設備的使用、培養(yǎng)基的配制、接種技術、菌種活化、菌體染色及形態(tài)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(tǒng)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(fā)酵工程中的基本操作技術，包括菌種的制備，擴大培養(yǎng)，發(fā)酵罐和培養(yǎng)基的消毒滅菌、接種技術、發(fā)酵參數(shù)測定、產(chǎn)物的分離純化等，使學生能夠?qū)Πl(fā)酵工程的知識點綜合運用，融會貫通，對發(fā)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(chuàng)新性綜合性實驗教學內(nèi)容
根據(jù)實驗室的設備和實驗條件，依據(jù)實驗學時的設置，可考慮開設三類綜合實驗，第一類為傳統(tǒng)發(fā)酵制品實驗，例如淀粉酶發(fā)酵實驗、乳酸發(fā)酵實驗、葡萄酒發(fā)酵實驗；第二類為經(jīng)典發(fā)酵綜合實驗：例如谷氨酸發(fā)酵實驗；第三類為新型產(chǎn)品發(fā)酵綜合實驗，例如普魯蘭多糖發(fā)酵實驗。傳統(tǒng)發(fā)酵制品實驗規(guī)模較小，可依據(jù)學時靈活設置，實驗內(nèi)容貼近生活，容易激發(fā)學生對發(fā)酵工程課程的興趣。大型經(jīng)典發(fā)酵實驗，貫穿整個谷氨酸工業(yè)生產(chǎn)過程，將對工業(yè)發(fā)酵工藝流程進行實驗室完全再現(xiàn)，包含十個小型實驗，即谷氨酸菌種活化及擴大培養(yǎng)，谷氨酸菌種質(zhì)量檢測，谷氨酸脫羧酶的制備，發(fā)酵罐的構(gòu)造及空消，發(fā)酵培養(yǎng)基的制備及實消，谷氨酸的中糖發(fā)酵及控制，發(fā)酵過程中谷氨酸含量測定，發(fā)酵過程中還原糖的測定，發(fā)酵過程中菌濃度測定及菌體形態(tài)觀察，谷氨酸的離子交換回收，谷氨酸的等電回收及結(jié)晶。學生通過實驗可以掌握谷氨酸這種經(jīng)典發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，通過不同的實驗單元培訓，對發(fā)酵生產(chǎn)有整體性認識。新型產(chǎn)品發(fā)酵綜合實驗根據(jù)課程組教師的科研課題內(nèi)容設計，例如普魯蘭多糖發(fā)酵綜合實驗，包括菌種活化及擴大培養(yǎng)，發(fā)酵罐分批發(fā)酵法生產(chǎn)普魯蘭多糖，發(fā)酵過程中還原糖的測定，普魯蘭多糖含量的測定，發(fā)酵過程菌體形態(tài)觀察，發(fā)酵液的除菌，普魯蘭多糖分離提取。新型產(chǎn)品發(fā)酵過程設置一定的挑戰(zhàn)性，發(fā)酵原料的選擇，(www.qkfawen.com)發(fā)酵過程控制方式和產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，對發(fā)酵工程實驗形成一個系統(tǒng)的認識，培養(yǎng)學生的專業(yè)應用技能。另外，新型發(fā)酵產(chǎn)品綜合實驗，能使學生了解新的工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的研發(fā)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(jié)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(yǎng)學生良好的科學素質(zhì)和創(chuàng)新能力。
三、合理安排實驗教學時間
微生物的發(fā)酵周期比較長，實驗需連續(xù)進行，常常需要夜間維護看罐，常規(guī)的教學計劃很難進行系統(tǒng)合理的安排，只能集中安排。發(fā)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(fā)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(xù)2～3周，以保證實驗的連續(xù)性。集中排課有利于學生在一段時間內(nèi)將注意力集中，投入實驗狀態(tài)，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(fā)酵工程科研特點，為以后的畢業(yè)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(nèi)容、時間安排、分組設置制定詳細的表格發(fā)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(fā)酵罐的清洗、培養(yǎng)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(jié)果的檢測等全部由學生自主完成。教師對實驗內(nèi)容提供必要的講解，提示實驗過程中的注意事項，啟發(fā)其對所學理論知識的思考，激發(fā)學生的創(chuàng)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(diào)實驗室安全問題，規(guī)范實驗室使用、藥品使用等規(guī)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(nèi)每個同學輪流擔任，組長負責人員任務分配和協(xié)調(diào)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(fā)每個成員的積極性，培養(yǎng)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(zhì)量和效果的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)實驗體系中各種類型的實驗項目和內(nèi)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(jié)束后，由小組成員共同填寫實驗記錄結(jié)果，對實驗結(jié)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(jié)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(jié)果、討論、參考文獻、附錄等內(nèi)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(jié)果、實驗報告的質(zhì)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(huán)節(jié)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(fā)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(lián)體不銹鋼機械攪拌發(fā)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(fā)酵過程所需的各類實驗室基本儀器，小型發(fā)酵罐配套設備如葡萄糖測定傳感器、發(fā)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(tǒng)。另外發(fā)酵罐過少限制了本科實驗教學，購置更多的小型發(fā)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(fā)酵工程基礎教學和研究實驗平臺建設。建立專門的發(fā)酵工程實驗平臺，作為發(fā)酵工程綜合實驗和校內(nèi)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(fā)酵工程實驗教學平臺也可設置開放實驗室，作為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練和科研訓練的平臺。
在校內(nèi)建立完善的發(fā)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(yè)研發(fā)流程，掌握過硬的專業(yè)實踐技能，還可以通過平臺培養(yǎng)研究生，使之成為發(fā)酵工程技術研究和技術創(chuàng)新平臺。另外，在此基礎上，與周邊地區(qū)的大型制藥企業(yè)、發(fā)酵企業(yè)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(yè)的發(fā)展歷程、產(chǎn)品種類、生產(chǎn)流程、營銷方式，以及新產(chǎn)品的研發(fā)流程等，學習書本上學不到的知識，加深對發(fā)酵理論和知識的理解，增加學生對現(xiàn)代發(fā)酵企業(yè)的認識。
參考文獻：
[1]陳堅，堵國成，張東旭。發(fā)酵工程實驗技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.
[2]晏磊，陳朋，張爽。發(fā)酵工程實驗教學改革與實效分析[J].甘肅科技，2011，27（19）。
【淺談理科專業(yè)發(fā)酵工程創(chuàng)新實驗課程建設】相關文章：
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