创新设计型生物工程工艺大实验研究

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目前，我国高等教育在创新人才培养方面仍存在诸多限制，如应试教育、教学内容陈旧、以教材为中心的教学方法和单一考核方式等［1］。针对这些问题，在高等教育改革中，需要循序渐进，不断地改革教育观念和教育方法，从而提高创新人才培养的质量。生物工程专业，是进行生物技术和工程工艺的理论和技能的培训，培养从事生物发酵、制药以及环境生物处理和食品加工等过程和设备的生产、研究、开发、设计等的高级工程技术人才，是技术性、综合性和通用性都很强的专业。为了强化大学生对所学的系统性专业知识的掌握，并提高他们的工程实践能力，提升其实践操作环节分析问题和解决问题的能力，江南大学生物工程学院对三年级即将结束的学生，进行工艺大实验的综合培训与指导。虽然工艺大实验能够提升学生对生物工程专业知识的系统掌握，提高他们的工程实践能力，但仍存在一些有关培养大学生创新能力和独立思考能力方面的问题。如大工艺实验采用的工艺流程和技术参数都是按照工业生产实际情况而制定的，学生没有参与设计，所以他们独立思考的空间较少［6］。为了加强学生的动手能力，拓展他们的独立思考空间，对大工艺实验的教学方法进行了改进，采用多种原料工艺的中试大实验，增加了自选原料设计并制作新产品、以小组为单位的设备操作现场考核和综合实验PPT展示的专家考核的内容，从而形成了以学生独立思考、独自操作和独立演讲汇报为核心的创新设计型工艺大实验教学方案。

1新工艺大实验的教学内容

我校制定的工艺大实验包括厌氧发酵生产实验和好氧通风发酵生产实验两大类，其中，厌氧生产实验是啤酒或黄酒的制作，而好氧通风实验是柠檬酸、氨基酸或是一些重组菌的发酵生产。为期3周的内容包括:原料的分析检测，发酵过程各个参数的跟踪检测，发酵产品的分析或品评等。为了增强学生独立思考和设计的能力，强化对生产工艺和控制参数的认识，在教学方案中，增加了自选原料设计并制作新产品的实验内容和以小组为单位进行汇报展示的新考核方式。

1.1工艺大实验的任务与安排

啤酒酿造工艺大实验的主要内容包括200L啤酒酿造的综合实验、啤酒酵母的分离保藏和鉴定、啤酒原料分析比较综合实验和自选原料的特色啤酒酿造实验4大模块。200L啤酒酿造周期较长，为期3周，包括菌株活化、扩培、原料的预处理和发酵过程监测等，要求每组成员，进行合理安排，分工合作，使各个模块能够相互协同。每个小组包括4位同学，自行安排各个实验的时间和设计实验方案，他们在这3周均必须保持较高的工作强度，才能顺利完成既定的实验任务。此外，为了使实验内容能够顺利进行，安排研究生助教协助解决学生遇到的问题。

1.2中试规模的工业化生产实验

200L啤酒酿造的中试生产实验是采用一套半自动化啤酒酿造设备，模拟现代啤酒的酿造工艺。进行中试生产实验事实，将2～3个小组合并为一个大组，每个大组选择一个独特的原料配方进行实验，包括纯大麦麦芽、焦香麦芽(黑啤)、大麦麦芽与小麦麦芽混合、大麦麦芽和青稞芽混合、添加不同辅料(大米、玉米淀粉或加玉米糖浆)等原料使用方案。这些方案的应用，使学生能够掌握不同类型啤酒的酿造工艺，同时认识不同啤酒酿造原料对啤酒质量和口感的影响。中试生产的实验任务包括酵母扩培培养基制作、酵母扩培、发酵罐设备的清洗、原料和辅料的处理、酿造过程的设备操作和发酵过程的参数监测等。每天跟踪检测的指标包括啤酒酵母细胞数、啤酒酵母芽生率、双乙酰含量、发酵液外观，发酵后期增加分析酒精度、发酵度和高级醇酯等。从酵母培养到啤酒发酵成熟，一般为期3周，实验内容涉及菌株、原料、设备和发酵工艺及最后阶段的口感品评。涵盖啤酒酿造的各方面，包含微生物学、发酵工业分析、发酵设备以及酿酒工艺学等学科知识，具有综合性和实践操作性较强的教学特色。

1.3辅助实验在新教学方案中应用

工艺大实验过程中，同时安排了有关菌株和原料的辅助实验，加强学生对工业原料和工业分析指标的认识，包括啤酒酵母的分离、低双乙酰酵母筛选以及酵母保藏;啤酒原料的水分、淀粉含量分析、无水浸出率分析以及协定糖化和协定麦汁的分析等。此外，重新对学生进行专业性的理论指导，即通过PPT演示讲解啤酒酵母和原料的相关知识等。通过这两个模块的实验，不但锻炼了学生对微生物原辅料的分析操作能力，同时加强了学生对啤酒酵母菌管理和啤酒原辅料指标控制的认识。

1.4新产品的设计与制作

经过以上的教学方案，能够帮助学生掌握现有的啤酒酿造的综合知识，但是这些知识体系较为固定，学生的学习主要以操作为主，仍不能灵活应用。为了加强他们的创新能力，新的教学方案增加了自选原料制作新产品的实验模块，即以小组为单位，讨论并设计新产品，选择合适原料，制定相应的工艺，进行小型实验，并进行考评。新产品的设计环节，学生充分发挥主观能动性，自主选择特色原材料，定位独特的产品。此外，学生需要将新原料与新工艺相互匹配，达到熟悉和掌握工艺参数的目的。在啤酒酿造实验中，学生制作的新产品，风格丰富多样，如香醇丰富的桂花蜂蜜啤酒、色彩鲜艳的玫瑰啤酒、果味突出的苹果啤酒和咖啡香味的咖啡啤酒等。在这种创新教学方案中，学生的主动性被充分调动，通过独立思考，应用所学知识，创造了全新产品，在短时间内较好地培养了他们的创新能力。

2工艺大实验的创新考核方式

对实验教学效果进行考核时，传统实验报告的考核方式存在诸多缺点，不能使学生再次系统性地回顾各个实验环节的原理和内容，也不能评价学生掌握相关知识的熟练程度。我们改进这种大工艺实验的考核方式，包括实验过程中的自选原料设计新产品的汇报环节、新产品口感品评与打分的环节和发酵设备操作技能的现场考核环节以及实验结束后的综合汇报考核。新产品设计的汇报考核，重点考查学生对原料选择的合理性、原料预处理工艺的正确性和新产品制作的可行性。通过这一个环节的汇报，不但修正了学生在新产品设计出现的一些错误，同时考查学生对专业知识掌握程度。新产品的口感品评考核，则对学生制作的产品在色、香、味方面进行综合感官评价，考核产品的创新性。现场设备操作考核，了解学生对发酵设备熟练程度。最终的综合考评，则在5－8分钟内。以小组为单位，用PPT展示为期3周的所有实验内容和结果，并进行适当的讨论和总结，最后由老师专业点评和提问。通过该环节的考核，有效检验了学生的专业知识和创新能力。优秀的学生能够很好地掌握并应用已学过的专业知识，清晰展示他们的新产品设计与制作过程;而一些表现较差的学生，往往只是学会了部分操作步骤和简单的工艺。所以，这种新的实验教学考核方式，能够检验学生的实验效果，客观反映学生对知识的掌握情况，且提升学生发现问题和解决问题的能力。

3新教学方案的成效

3.1解决了一些常见的实验教学问题

实验教学对提高大学生的实践动手能力和创新意识具有重要的意义，然而我国高校实验教学仍存在着诸多问题，例如实验教学缺乏独立的教学地位、缺乏整体性和缺乏科学的实验考核体系等。此外，实验教学普遍采用现有的实验步骤和参考书，实验教学侧重于实验操作方法的训练，并未涉及问题引导性的自主设计实验，难以锻炼学生的创新能力。采用新的创新设计型工艺大实验的教学方案，能够解决这些常见的实验教学问题。

1)工艺大实验具有独立教学的地位，其对象是经过3年学习的大三学生，采用独立性实验教学，具有综合性的特征。

2)工艺大实验内容丰富，模拟工业生产过程，各个实验环节相互补充，具备知识综合性和教学完整性的特征。而在考核环节，以学生小组展示为主导，老师的点评为辅，能够科学地检验学生对综合知识体系掌握的熟练程度。

3)新产品的设计与制作，融合到工艺大实验中，锻炼学生独立思考和灵活应用知识的能力，激发他们学习兴趣和创新意识。所以，新教学方案以工业生产操作技能与创新设计能力并重的实验教学手段，解决实验教学中普遍存在的教学问题，提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，提升他们的专业技能和创新观念，显著提高了实验教学质量。

3.2显著提高学生的创新能力

培养学生的创新意识和创新能力，是高效教学的基本目标［12］。经过系统的基础知识和专业理论知识学习之后，通过综合性较强的工艺大实验，强化学生的专业知识。同时，增加他们的专业实践能力，是非常必要的，也是培养学生创新意识的重要途径。在为期3周的工艺大实验中，学生每天都必须完成多个实验项目，包括化学分析、微生物操作和设备操作等，其内容丰富，涉及面广。经过反复的实验训练，使学生能够熟能生巧，将积累的实验知识应用于新产品的设计和制作过程中;使学生切实体会所学知识，包括理论知识、工艺参数、设备布局和员工管理等。经过工艺大实验之后，学生也总结了许多收获和体会，比如在实验过程中团队协作和有效沟通的重要性，虚心求教和碰到难题不妥协的态度，对实验过程保持足够的细心且对不可预期的结果要保持信心、重新认识专业知识学习的重要性等。

4结束语

创新设计型工艺大实验的教学方式，提高了学生专业实践能力，同时也极大提升了他们的创新意识和创新能力，是一种具有推广意义的新的工艺大实验教学模式。

作者：朱林江 郑飞云 李永仙 李崎 单位：江南大学生物工程学院