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發(fā)酵工藝學和生物工程探究式教學的論文
《發(fā)酵工藝學》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)酵工藝學課程為24學時，生物工程設(shè)備課程為32學時，2門課程均單獨開設(shè)16學時實驗課程。目前，這2門課程存在教學內(nèi)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(yīng)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(shè)備課程的理論教學內(nèi)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(shè)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(shè)備課程以《生物工程設(shè)備》教材為主。發(fā)酵工藝學教學內(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(shè)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(shè)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(nèi)容和生物工程設(shè)備教學內(nèi)容在不同生產(chǎn)階段進行優(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(nèi)容包括除鐵和原料分級設(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)酵工藝學教材中培養(yǎng)基的設(shè)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(nèi)容。此處將發(fā)酵工藝學和生物工程設(shè)備課程中的相關(guān)內(nèi)容進行重新整合，避免重復。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)計算（如冷卻水用量等），以工業(yè)滅菌操作和計算為重點內(nèi)容。本章最后為滅菌實例講解，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、發(fā)酵工藝學和生物工程設(shè)備課程中滅菌內(nèi)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(shè)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(nèi)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(zhì)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(guān)設(shè)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(jié)構(gòu)，使工藝與設(shè)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(shè)備及檢測設(shè)備。本章節(jié)重點在于將工藝、設(shè)備、儀表檢測等教學內(nèi)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(yīng)的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及罐上檢測設(shè)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(guān)性）。通過“設(shè)備”和“工藝”聯(lián)合講授，使課程接近于生產(chǎn)實踐，有利于學生綜合素質(zhì)的提高。第五章為無菌空氣制備。本章內(nèi)容主要包括無菌空氣過濾除菌原理、過濾工藝及相關(guān)設(shè)計�！盁o菌空氣制備”為發(fā)酵工藝學和生物工程設(shè)備課程共有內(nèi)容，融合后的教學內(nèi)容可避免課程內(nèi)容的重復。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(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，融合后教學內(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，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)以上知識框架優(yōu)化整合后的教學內(nèi)容不僅避免了發(fā)酵工藝學和生物工程設(shè)備教學中出現(xiàn)的內(nèi)容重復問題，也使授課內(nèi)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(chǔ)。
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(shè)備》均是理論與實踐并重的課程。傳統(tǒng)教學中，教學內(nèi)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(guān)的知識內(nèi)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(shè)備課程授課地點由教室搬到專業(yè)實驗室、研究室或校內(nèi)實訓基地，而在課堂上利用啟發(fā)式、研討式的教學方法，調(diào)動學生的主觀能動性。劉雁南等強調(diào)理論聯(lián)系實踐，重視實踐環(huán)節(jié)。設(shè)計以某種發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)為主體構(gòu)建課程設(shè)計的教學內(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。項駟文等針對設(shè)備課程中計算公式多、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(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改革，強調(diào)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(chǔ)上，我們提出了基于發(fā)酵工藝學和生物工程設(shè)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(wù)驅(qū)動，明確探究方向�！叭蝿�(wù)驅(qū)動法”使學生學習目標十分明確，學生緊緊圍繞這一目標，探求相關(guān)的知識，在完成一個個任務(wù)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年代的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(guān)注并在實踐中大面積實施則始于新一輪國家基礎(chǔ)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(shè)備》的教學過程�！栋l(fā)酵工藝學》和《生物工程設(shè)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(zhuǎn)變成自身的能力。首先，這2門課程教學內(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)計探究性問題或任務(wù)，以學生為主體完成任務(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(shè)計章節(jié)，讓學生自行設(shè)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(yīng)面優(yōu)化實驗。學生在完成任務(wù)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(jié)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(jié)合實驗課程向?qū)W生下達任務(wù)：
�。�1）通過查閱資料和參觀實習基地主動認識發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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(shè)備結(jié)構(gòu)，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(lǐng)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(diào)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(yīng)的實驗設(shè)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(yīng)企業(yè)的需求的應(yīng)用型人才。
3結(jié)語
本教學改革不僅整合優(yōu)化課程內(nèi)容，而且構(gòu)建了“以學生為主”的探究式的教學模式，使學生以“技術(shù)員”的身份和“任務(wù)驅(qū)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(yīng)企業(yè)的需求的應(yīng)用型人才。
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