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淺談理科專(zhuān)業(yè)發(fā)酵工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)
淺談理科專(zhuān)業(yè)發(fā)酵工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)
張慧莉，馮麗
�。ㄊ幼哟髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆石河子832003）
摘要：發(fā)酵工程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，為滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型、技能型產(chǎn)業(yè)化人才的需求，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐技能，本文對(duì)發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評(píng)價(jià)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)等方面的改革提出了建議。
關(guān)鍵詞：發(fā)酵工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程
作者簡(jiǎn)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(xué)科，也是整個(gè)生物工程的核心。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，發(fā)酵工程的技術(shù)和理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物制藥、食品化工、環(huán)境化工等領(lǐng)域。通過(guò)發(fā)酵工程課程的學(xué)習(xí)，不僅能夠掌握發(fā)酵工程的原理及發(fā)酵控制過(guò)程優(yōu)化，而且對(duì)系統(tǒng)地了解生物技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。對(duì)于理科專(zhuān)業(yè)，發(fā)酵工程在增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為生物學(xué)科理科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生奠定工程學(xué)科的概念和基礎(chǔ)方面起到重要作用。作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，發(fā)酵工程學(xué)科取得的每一個(gè)進(jìn)步都和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。因此學(xué)習(xí)發(fā)酵工程，不僅要掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，更要熟練地掌握實(shí)驗(yàn)操作技能，從而在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，加速發(fā)酵產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。培養(yǎng)創(chuàng)新人才需要在課程設(shè)置上增加社會(huì)調(diào)查實(shí)踐、綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和課程綜合設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分，促進(jìn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。為滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型、技能型產(chǎn)業(yè)化人才的需求，必須提高對(duì)發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)的重視程度，并把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)向綜合研究型、應(yīng)用創(chuàng)新型模式。
一、建立層次合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
發(fā)酵工程學(xué)課程是理科生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一，課程內(nèi)容主要包括原料和菌種制備、發(fā)酵設(shè)備、發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)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(gè)發(fā)酵工程學(xué)的主線。但理科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的發(fā)酵工程及實(shí)驗(yàn)課程普遍學(xué)時(shí)較少，只能開(kāi)設(shè)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，無(wú)法開(kāi)展稍復(fù)雜的綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合解決發(fā)酵工程實(shí)際問(wèn)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(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)，修改實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，擴(kuò)充和豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在條件成熟時(shí)單獨(dú)開(kāi)設(shè)發(fā)酵工程綜合實(shí)驗(yàn)課。
傳統(tǒng)的理科專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)于偏重基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣、積極性和探索求新的愿望。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備的缺乏，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)性和層次性不夠，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置缺乏將同一學(xué)科的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，缺乏讓學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能的主線。這樣實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以有挑戰(zhàn)性，學(xué)生難以發(fā)生興趣或產(chǎn)生求索的欲望，從而不重視實(shí)驗(yàn)，達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。傳統(tǒng)的發(fā)酵工程單元實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括常見(jiàn)儀器設(shè)備的使用、培養(yǎng)基的配制、接種技術(shù)、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(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱時(shí)，可考慮改變傳統(tǒng)的單元實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，設(shè)置基礎(chǔ)性綜合實(shí)驗(yàn)和研究型綜合實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都涵蓋發(fā)酵工程中的基本操作技術(shù)，包括菌種的制備，擴(kuò)大培養(yǎng)，發(fā)酵罐和培養(yǎng)基的消毒滅菌、接種技術(shù)、發(fā)酵參數(shù)測(cè)定、產(chǎn)物的分離純化等，使學(xué)生能夠?qū)Πl(fā)酵工程的知識(shí)點(diǎn)綜合運(yùn)用，融會(huì)貫通，對(duì)發(fā)酵工程中的工程技術(shù)問(wèn)題和生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)。
二、設(shè)置創(chuàng)新性綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件，依據(jù)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的設(shè)置，可考慮開(kāi)設(shè)三類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)，第一類(lèi)為傳統(tǒng)發(fā)酵制品實(shí)驗(yàn)，例如淀粉酶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)、乳酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)、葡萄酒發(fā)酵實(shí)驗(yàn)；第二類(lèi)為經(jīng)典發(fā)酵綜合實(shí)驗(yàn)：例如谷氨酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)；第三類(lèi)為新型產(chǎn)品發(fā)酵綜合實(shí)驗(yàn)，例如普魯蘭多糖發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)發(fā)酵制品實(shí)驗(yàn)規(guī)模較小，可依據(jù)學(xué)時(shí)靈活設(shè)置，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近生活，容易激發(fā)學(xué)生對(duì)發(fā)酵工程課程的興趣。大型經(jīng)典發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，貫穿整個(gè)谷氨酸工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，將對(duì)工業(yè)發(fā)酵工藝流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室完全再現(xiàn)，包含十個(gè)小型實(shí)驗(yàn)，即谷氨酸菌種活化及擴(kuò)大培養(yǎng)，谷氨酸菌種質(zhì)量檢測(cè)，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(shí)消，谷氨酸的中糖發(fā)酵及控制，發(fā)酵過(guò)程中谷氨酸含量測(cè)定，發(fā)酵過(guò)程中還原糖的測(cè)定，發(fā)酵過(guò)程中菌濃度測(cè)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(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以掌握谷氨酸這種經(jīng)典發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)單元培訓(xùn)，對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)有整體性認(rèn)識(shí)。新型產(chǎn)品發(fā)酵綜合實(shí)驗(yàn)根據(jù)課程組教師的科研課題內(nèi)容設(shè)計(jì)，例如普魯蘭多糖發(fā)酵綜合實(shí)驗(yàn)，包括菌種活化及擴(kuò)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(guò)程中還原糖的測(cè)定，普魯蘭多糖含量的測(cè)定，發(fā)酵過(guò)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(guò)程設(shè)置一定的挑戰(zhàn)性，發(fā)酵原料的選擇，(www.panasonaic.com)發(fā)酵過(guò)程控制方式和產(chǎn)物的分離純化都由學(xué)生自主查閱資料并選擇實(shí)施。
三種不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生初步掌握一種完整的發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)形成一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用技能。另外，新型發(fā)酵產(chǎn)品綜合實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生了解新的工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程，學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)習(xí)如何查閱資料，如何對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和成敗原因進(jìn)行分析，可以提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力。
三、合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間
微生物的發(fā)酵周期比較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)需連續(xù)進(jìn)行，常常需要夜間維護(hù)看罐，常規(guī)的教學(xué)計(jì)劃很難進(jìn)行系統(tǒng)合理的安排，只能集中安排。發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)課程安排在大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期，學(xué)生課程相對(duì)較少，鑒于發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)的特殊性和便于開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)采用集中排課的方式，可以每周8～12個(gè)學(xué)時(shí)，連續(xù)2～3周，以保證實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性。集中排課有利于學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)將注意力集中，投入實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，綜合應(yīng)用已學(xué)的理論與技術(shù)知識(shí)完成實(shí)驗(yàn)，也使學(xué)生初步了解發(fā)酵工程科研特點(diǎn)，為以后的畢業(yè)論文打好基礎(chǔ)。
四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和過(guò)程管理
在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、時(shí)間安排、分組設(shè)置制定詳細(xì)的表格發(fā)給同學(xué)，便于同學(xué)們按照時(shí)間表自覺(jué)主動(dòng)地完成實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和實(shí)施。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)酵罐的清洗、培養(yǎng)基的配置、滅菌操作到實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備、菌種的活化及擴(kuò)培、上罐接種以及最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)等全部由學(xué)生自主完成。教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提供必要的講解，提示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，啟發(fā)其對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的思考，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和動(dòng)手能力，主動(dòng)思考實(shí)驗(yàn)原理及操作要點(diǎn)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解；對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所用的大型設(shè)備在試驗(yàn)開(kāi)始之前進(jìn)行集中操作培訓(xùn)，確保在試驗(yàn)中學(xué)生能夠獨(dú)立正確操作，實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠運(yùn)行良好。每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，教師必須強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題，規(guī)范實(shí)驗(yàn)室使用、藥品使用等規(guī)章制度。實(shí)驗(yàn)分組以6～8名同學(xué)一組，設(shè)置組長(zhǎng)，在不同的實(shí)驗(yàn)階段，組長(zhǎng)由小組內(nèi)每個(gè)同學(xué)輪流擔(dān)任，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)人員任務(wù)分配和協(xié)調(diào)以及實(shí)驗(yàn)記錄的提交。學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小組成員共同商議實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程及具體安排，并做好書(shū)面的人員安排記錄。這樣的分組方式和組長(zhǎng)輪換制度使學(xué)生能夠互相配合，激發(fā)每個(gè)成員的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。另外，對(duì)于實(shí)驗(yàn)技能單元采用新型教學(xué)手段，如拍攝視頻短片和動(dòng)畫(huà)演示給學(xué)生，使學(xué)生能夠理解和鞏固相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。
五、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程考核體系
對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核是保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)體系中各種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的實(shí)施特點(diǎn)，應(yīng)注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)方法和解決問(wèn)題能力的全方位綜合性考核。
對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)小實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由小組成員共同填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并討論下一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，寫(xiě)出書(shū)面的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃安排。全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)小組撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，格式按照正式生物科技論文寫(xiě)作的稿件要求，包括題目、摘要、關(guān)鍵詞、引言、實(shí)驗(yàn)材料和方法、結(jié)果、討論、參考文獻(xiàn)、附錄等內(nèi)容，教師應(yīng)在撰寫(xiě)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式和寫(xiě)作方法進(jìn)行介紹，提供模板。每個(gè)小組成員都要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)，同時(shí)制作幻燈片在實(shí)驗(yàn)報(bào)告會(huì)上向全班同學(xué)展示。實(shí)驗(yàn)成績(jī)由實(shí)驗(yàn)出勤率、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告展示答辯等多方面組成。這樣的考核方式，有利于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)以及練習(xí)科技論文寫(xiě)作方法。
六、建設(shè)完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
由于各方面的原因，我院的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件較匱乏，尤其是微生物實(shí)驗(yàn)室和發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)備過(guò)于陳舊，僅能開(kāi)設(shè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的條件不足。實(shí)驗(yàn)室有二聯(lián)體不銹鋼機(jī)械攪拌發(fā)酵罐及相關(guān)附屬設(shè)備，高速管式離心機(jī)和小型噴霧干燥機(jī)等分離設(shè)備，具備一定的基礎(chǔ)。但非常缺乏發(fā)酵過(guò)程所需的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室基本儀器，小型發(fā)酵罐配套設(shè)備如葡萄糖測(cè)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(guò)少限制了本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，購(gòu)置更多的小型發(fā)酵罐，便于學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由此有必要在未來(lái)加強(qiáng)相關(guān)的應(yīng)用微生物與發(fā)酵工程基礎(chǔ)教學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。建立專(zhuān)門(mén)的發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作為發(fā)酵工程綜合實(shí)驗(yàn)和校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地。我院目前每年都有校級(jí)和國(guó)家級(jí)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃，鼓勵(lì)本科生參與科研項(xiàng)目，發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也可設(shè)置開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，作為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練和科研訓(xùn)練的平臺(tái)。
在校內(nèi)建立完善的發(fā)酵工程綜合實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)基地，加大開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的力度，不僅可以幫助相關(guān)本科學(xué)生拓寬學(xué)生知識(shí)面，了解企業(yè)研發(fā)流程，掌握過(guò)硬的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐技能，還可以通過(guò)平臺(tái)培養(yǎng)研究生，使之成為發(fā)酵工程技術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)。另外，在此基礎(chǔ)上，與周邊地區(qū)的大型制藥企業(yè)、發(fā)酵企業(yè)合作，設(shè)立校外實(shí)習(xí)基地，通過(guò)參觀和講解，學(xué)生可以了解企業(yè)的發(fā)展歷程、產(chǎn)品種類(lèi)、生產(chǎn)流程、營(yíng)銷(xiāo)方式，以及新產(chǎn)品的研發(fā)流程等，學(xué)習(xí)書(shū)本上學(xué)不到的知識(shí)，加深對(duì)發(fā)酵理論和知識(shí)的理解，增加學(xué)生對(duì)現(xiàn)代發(fā)酵企業(yè)的認(rèn)識(shí)。
參考文獻(xiàn)：
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