发酵工艺学和生物工程探究式教学

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《发酵工艺学》和《生物工程设备》是生物工程专业的2门老课程，其在生物工程专业课程体系中具有非常重要的地位。我院的发酵工艺学课程为24学时，生物工程设备课程为32学时，2门课程均单独开设16学时实验课程。目前，这2门课程存在教学内容重复和传统教学方法教学效果不佳的问题。针对该问题，我们依托学校应用型人才培养特色名校工程，对发酵工艺学和生物工程设备课程的理论教学内容和教学方法进行了改革与实践。

1发酵工艺学与生物工程设备课程教学融合一体化

目前，各校发酵工艺学课程所使用的教材为《新编生物工艺学》、《生物工艺原理》、《发酵工艺原理》、《微生物工程工艺原理》和《微生物工程》等。生物工程设备课程以《生物工程设备》教材为主。发酵工艺学教学内容以“理”为主，生物工程设备课程内容以“工”为重。在近十年的教学过程中发现，一方面学生对抽象的《发酵工艺学》和“冷漠”的《生物工程设备》的学习积极性明显低于对生物化学和微生物学等课程的学习兴趣，另一方面发现单独讲授“工艺学”和“设备”不利于学生在宏观层面上理解工业发酵的生产过程。因此，我们提出了按照工业生产车间流程的顺序优化整合两门课程，进而形成了新的知识框架。以工业生产中“原料至产品”的生产过程为纲，可将发酵工艺学教学内容和生物工程设备教学内容在不同生产阶段进行优化整合。具体内容如下。第一章讲授各种微生物发酵产品所需的初始原料，具体包括

（1）原料种类如谷物、黄豆饼粉、酵母粉、玉米、木薯等，同时也包括发酵工艺学中的糖类、有机酸、油脂、玉米浆、鱼粉、酵母粉、蛋白胨等。

（2）原料处理内容包括除铁和原料分级设备和工艺。

（3）原料的粉碎包括干粉碎和湿粉碎设备与工艺。第二章讲授工业培养基。先讲授发酵工艺学教材中培养基的设计和优化，再以工业培养基和科研实验用培养基的差异过渡至工业培养基灭菌内容。此处将发酵工艺学和生物工程设备课程中的相关内容进行重新整合，避免重复。其内容为分批灭菌和连续灭菌的理论、灭菌设备、工业灭菌操作和相关计算（如冷却水用量等），以工业灭菌操作和计算为重点内容。本章最后为灭菌实例讲解，包括生物工程设备课程中的“淀粉质生产酒精的原料处理”和“啤酒中麦芽汁的制备”，同时增加了“红霉素发酵的灭菌流程”内容。这样就避免了微生物学、发酵工艺学和生物工程设备课程中灭菌内容的相互重复，同时强化了工业生产实际操作技能和工业灭菌设备的学习，最后通过生产实例将所学知识融会贯通。第三章讲授种子的扩大培养。根据工业生产流程，在培养基配制、灭菌后为种子培养和发酵阶段。这部分主要以发酵工艺学课程内容为主，包括种子培养的特点、目的，种子扩大培养、影响种子质量因素，同时增加“移种时机的判断”。为使学生学习工艺的同时熟悉相关设备，我们提出在讲授种子培养的同时采用图示法简略介绍种子培养罐结构，使工艺与设备同时呈现给学生。第四章为发酵车间的发酵工艺、发酵设备及检测设备。本章节重点在于将工艺、设备、仪表检测等教学内容有机整合，解决之前单独讲授的缺点。首先，在案例教学的启发下，我们提出以典型发酵生产实例（如红霉素发酵、酒精发酵、啤酒发酵等）讲解不同发酵工艺、与之对应的发酵罐结构和检测装置，例如以红霉素发酵生产为例，首先讲授红霉素发酵工艺、机械搅拌通风发酵罐的罐结构及罐上检测设备，最后，基于发酵工艺学归纳出各参数（如pH、溶氧等）的变化规律、控制措施以及数据分析（如搅拌、溶氧、pH、OUR等参数相关性）。通过“设备”和“工艺”联合讲授，使课程接近于生产实践，有利于学生综合素质的提高。第五章为无菌空气制备。本章内容主要包括无菌空气过滤除菌原理、过滤工艺及相关设计。“无菌空气制备”为发酵工艺学和生物工程设备课程共有内容，融合后的教学内容可避免课程内容的重复。第六章主要讲授染菌分析。染菌预防和原因分析是工业发酵中非常重要的任务。本章内容为发酵前期、中期和后期染菌后的处理方法、染菌原因分析。染菌原因分析涉及到较多的发酵设备知识如管道、通气，轴封等。据此，我们将该章节与生物工程设备课程中的管道清洗杀菌内容相互融合，将染菌和管道灭菌相联系。这样，一方面能够更加有利于学生深入了解工业染菌、杀菌，另一方面避免了管道清洗杀菌内容的相对枯燥。第七章为生物工程设备课程的“工业生产放大”。该章节计算公式较多，因此要明确讲解各公式的来源、公式的计算目的。最后，以实例讲授工业放大过程。第八章为产品的提取。过滤、离心、膜分离、萃取分离、色谱分离等基本分离原理、操作为生物分离工程课程的教学内容。蒸馏设备、结晶设备等为化工原理课程中的内容。为了避免课程内容的重复，融合后教学内容主要以工业生产中常用的过滤、离心和萃取和离子交换色谱为重点，突出工业设备操作方法、工作原理和设备结构。根据以上知识框架优化整合后的教学内容不仅避免了发酵工艺学和生物工程设备教学中出现的内容重复问题，也使授课内容更加贴近工业生产实际，切实使“教材”变成“学材”，同时，也为我们开展探究式教学模式奠定了基础。

2探究式教学模式的改革与实践

《发酵工艺学》和《生物工程设备》均是理论与实践并重的课程。传统教学中，教学内容采用满堂灌的教学方法。这种模式仅注重知识的传授，忽视了学生的参与，使得与工业生产相关的知识内容变得枯燥。在考核形式方面，过于注重知识的考核。因此，这种传统教学模式不利于提高学生学习的兴趣和主动性，更不利于实践技能和创新能力的提升。在激发学生学习兴趣方面，已经有较多教学改革的报道。乔长晟等提出了将设备课程授课地点由教室搬到专业实验室、研究室或校内实训基地，而在课堂上利用启发式、研讨式的教学方法，调动学生的主观能动性。刘雁南等强调理论联系实践，重视实践环节。设计以某种发酵产品生产为主体构建课程设计的教学内容，涉及发酵工艺原理、生物分离技术、生物工程设备等知识。项驷文等针对设备课程中计算公式多、结构原理较多，传统授课枯燥乏味的问题，将案例教学法引入课堂教学，如发酵过程中染菌是最容易发生的事情，以柠檬酸生产为例，让学生从设备的角度出发，探讨哪些设备和部件可能引发染菌。崔月花、李云静和郎亚军分别探讨了发酵工艺原理课程的教学改革，强调了课堂讲授方式多样性及实验教学效果的重要性。在此基础上，我们提出了基于发酵工艺学和生物工程设备融合后课程的探究式教学模式改革与实践。探究式教学法是教师提出问题，学生通过查阅资料、实验、思考和分析等过程后，自己发现并理解掌握原理的教学方法。在探究式教学过程中，学生在问题的引导下，主动探索和掌握解决问题的方法，学生的创新意识和能力都会得到提高。因此，将探究模式引入到教学过程中，可以极大激发学生的学习兴趣和热情，对培养学生的逻辑和创新能力具有重要的作用。探究式教学分为2个方面：

（1）任务驱动，明确探究方向。“任务驱动法”使学生学习目标十分明确，学生紧紧围绕这一目标，探求相关的知识，在完成一个个任务中主动地获得知识，逐步提高能力，实现学习目标。

（2）提供资源、平台，自主探究学习。1996年美国公布的《美国国家科学教育标准》，将探究式教学列为学习科学的核心方法。我国从20世纪70年代开始引入探究式教学理念并逐步推行，但探究教学真正引起多数研究者和教师的关注并在实践中大面积实施则始于新一轮国家基础教育课程改革。从探究式教学的2个方面来看，探究式教学适用于原理和实践并重的《发酵工艺学》和《生物工程设备》的教学过程。《发酵工艺学》和《生物工程设备》均有16学时的实验课程，因此，采用探究教学模式鼓励学生开展实践活动，才有可能将枯燥的理论转变成自身的能力。首先，这2门课程教学内容整合模式为“工业生产车间”模式，这样就可以依据企业“生产车间模式”设计探究性问题或任务，以学生为主体完成任务或解决问题。比如在第一章发酵初始原料中，我们让学生通过查阅资料获得多种工业发酵所用的培养基原料，并归纳出其特点。在培养基设计章节，让学生自行设计实验进行单细胞酵母发酵培养基正交优化实验和响应面优化实验。学生在完成任务的同时，自行探究了培养基成分对发酵的影响及优化实验数据处理方法，最后结合理论课程讲授，增加学生对知识的理解。在发酵罐和发酵工艺控制章节中，同样结合实验课程向学生下达任务：

（1）通过查阅资料和参观实习基地主动认识发酵罐的结构及功能。

（2）在实验室小规模发酵罐上自主完成抗生素发酵实验。在自主学习过程中，学生不仅掌握了设备结构，也学会了灭菌工艺和发酵过程控制等操作技能。通过这种自主学习的方式，可以有效提高学生的学习兴趣，充分发挥学生的主观能动性。这种探究式教学模式不仅使学生自主领悟基本原理，而且有利于提升实践操作水平。在染菌分析和管道灭菌章节，让学生分组对50L发酵罐的可能染菌位置进行判断，充分调动学生的学习自主性。最后，依托学院的小型啤酒生产线和葡萄酒生产线以及其它相应的实验设备，让学生分组自行完成啤酒和葡萄酒的发酵过程。通过这次综合实验，考察学生理论知识和操作技能，其考核成绩占该课程总成绩的50%，这样避免传统考核中只注重知识考核的缺点。在探究式教学中，教师不仅为学生提供一个自主探究学习的平台，而且也是探究式教学实施的组织者和管理者。因此，在整个探究式教学中教师具有重要的作用。教师要充分发挥学生的主观能动性，提高学生自我学习能力、创新能力和独立发现问题解决问题的能力，同时鼓励学生对自己提出的解决方法在实验室开展实验，从而证实自己的解决方法是否得当。这种探究式教学模式也体现了“学生为主、能力为重”的教学目标，能够更好地培养出适应企业的需求的应用型人才。

3结语

本教学改革不仅整合优化课程内容，而且构建了“以学生为主”的探究式的教学模式，使学生以“技术员”的身份和“任务驱动模式”进行思考和自主学习。实践证明，该教学改革有利于激发学生学习兴趣，提高学生动手能力和创新能力，能够更好地培养出适应企业的需求的应用型人才。

作者：陈勇 单位：青岛农业大学食品科学与工程学院