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浅谈理科专业发酵工程创新实验课程建设

时间:2020-12-01 16:57:56 综合教育论文 我要投稿

浅谈理科专业发酵工程创新实验课程建设

  浅谈理科专业发酵工程创新实验课程建设

  张慧莉,冯丽

  (石河子大学生命科学学院,新疆石河子832003)

  摘要:发酵工程是一门实践性很强的学科,为满足社会对应用型、技能型产业化人才的需求,培养学生的专业实践技能,本文对发酵工程实验的教学大纲、教学内容、教学方式、考核评价以及实验平台建设等方面的改革提出了建议。

  关键词:发酵工程;实验教学;课程

  作者简介:张慧莉(1978-),女(汉族),甘肃临洮人,博士,讲师,研究方向:发酵工程。

  发酵工程是发酵工业的支撑学科,也是整个生物工程的核心。随着生物技术的发展,发酵工程的技术和理论已经广泛应用于生物制药、食品化工、环境化工等领域。通过发酵工程课程的学习,不仅能够掌握发酵工程的原理及发酵控制过程优化,而且对系统地了解生物技术及其工业化应用具有重要意义。对于理科专业,发酵工程在增强学生的工程意识、提高学生的科学素养,为生物学科理科专业的学生奠定工程学科的概念和基础方面起到重要作用。作为一门实践性很强的学科,发酵工程学科取得的每一个进步都和实验技术的发展密切相关。因此学习发酵工程,不仅要掌握坚实的基础理论知识,更要熟练地掌握实验操作技能,从而在实验中发现并解决问题,加速发酵产品的开发。培养创新人才需要在课程设置上增加社会调查实践、综合实验训练和课程综合设计等实践教学环节学分,促进理论与实践的紧密结合。为满足社会对应用型、技能型产业化人才的需求,必须提高对发酵工程实验的重视程度,并把传统的实验教学内容转向综合研究型、应用创新型模式。

  一、建立层次合理的实验教学模式

  发酵工程学课程是理科生物技术专业必修专业基础课之一,课程内容主要包括原料和菌种制备、发酵设备、发酵过程参数检测及发酵工艺控制、发酵产品的分离纯化等内容,贯穿了整个发酵工程学的`主线。但理科专业开设的发酵工程及实验课程普遍学时较少,只能开设简单的基础性的实验,无法开展稍复杂的综合性设计性实验,不利于培养学生理论与实践相结合解决发酵工程实际问题的能力。因此,非常有必要在人才培养方案中增加发酵工程实验课学时,修改实验教学大纲,扩充和丰富实验教学内容,在条件成熟时单独开设发酵工程综合实验课。

  传统的理科专业所开设的发酵工程实验教学过于偏重基础性和验证性实验,难以调动学生兴趣、积极性和探索求新的愿望。同时,由于实验条件和设备的缺乏,实验教学系统性和层次性不够,实验项目的设置缺乏将同一学科的各个知识点串联起来的实验培训,缺乏让学生进行系统地学习、综合运用所学知识与技能的主线。这样实验内容难以有挑战性,学生难以发生兴趣或产生求索的欲望,从而不重视实验,达不到预期目标。传统的发酵工程单元实验教学内容主要包括常见仪器设备的使用、培养基的配制、接种技术、菌种活化、菌体染色及形态观察、菌种选育及保藏等。在修订实验教学大纲时,可考虑改变传统的单元实验教学模式,设置基础性综合实验和研究型综合实验,每个实验都涵盖发酵工程中的基本操作技术,包括菌种的制备,扩大培养,发酵罐和培养基的消毒灭菌、接种技术、发酵参数测定、产物的分离纯化等,使学生能够对发酵工程的知识点综合运用,融会贯通,对发酵工程中的工程技术问题和生物学基础知识有更深刻的认识。

  二、设置创新性综合性实验教学内容

  根据实验室的设备和实验条件,依据实验学时的设置,可考虑开设三类综合实验,第一类为传统发酵制品实验,例如淀粉酶发酵实验、乳酸发酵实验、葡萄酒发酵实验;第二类为经典发酵综合实验:例如谷氨酸发酵实验;第三类为新型产品发酵综合实验,例如普鲁兰多糖发酵实验。传统发酵制品实验规模较小,可依据学时灵活设置,实验内容贴近生活,容易激发学生对发酵工程课程的兴趣。大型经典发酵实验,贯穿整个谷氨酸工业生产过程,将对工业发酵工艺流程进行实验室完全再现,包含十个小型实验,即谷氨酸菌种活化及扩大培养,谷氨酸菌种质量检测,谷氨酸脱羧酶的制备,发酵罐的构造及空消,发酵培养基的制备及实消,谷氨酸的中糖发酵及控制,发酵过程中谷氨酸含量测定,发酵过程中还原糖的测定,发酵过程中菌浓度测定及菌体形态观察,谷氨酸的离子交换回收,谷氨酸的等电回收及结晶。学生通过实验可以掌握谷氨酸这种经典发酵产品的生产过程,通过不同的实验单元培训,对发酵生产有整体性认识。新型产品发酵综合实验根据课程组教师的科研课题内容设计,例如普鲁兰多糖发酵综合实验,包括菌种活化及扩大培养,发酵罐分批发酵法生产普鲁兰多糖,发酵过程中还原糖的测定,普鲁兰多糖含量的测定,发酵过程菌体形态观察,发酵液的除菌,普鲁兰多糖分离提取。新型产品发酵过程设置一定的挑战性,发酵原料的选择,(www.fwsir.com)发酵过程控制方式和产物的分离纯化都由学生自主查阅资料并选择实施。

  三种不同类型的实验,能使学生初步掌握一种完整的发酵产品的生产过程,对发酵工程实验形成一个系统的认识,培养学生的专业应用技能。另外,新型发酵产品综合实验,能使学生了解新的工业发酵产品的研发过程,学生在参与实验过程中,学习如何查阅资料,如何对实验结果和成败原因进行分析,可以提高学生独立分析问题、解决问题的能力,培养学生良好的科学素质和创新能力。

  三、合理安排实验教学时间

  微生物的发酵周期比较长,实验需连续进行,常常需要夜间维护看罐,常规的教学计划很难进行系统合理的安排,只能集中安排。发酵工程实验课程安排在大学四年级上学期,学生课程相对较少,鉴于发酵工程实验的特殊性和便于开展综合性实验,应采用集中排课的方式,可以每周8~12个学时,连续2~3周,以保证实验的连续性。集中排课有利于学生在一段时间内将注意力集中,投入实验状态,综合应用已学的理论与技术知识完成实验,也使学生初步了解发酵工程科研特点,为以后的毕业论文打好基础。

  四、实验教学方法和过程管理

  在实验之前,对实验内容、时间安排、分组设置制定详细的表格发给同学,便于同学们按照时间表自觉主动地完成实验的准备和实施。在整个实验过程中,发酵罐的清洗、培养基的配置、灭菌操作到实验材料的准备、菌种的活化及扩培、上罐接种以及最后实验结果的检测等全部由学生自主完成。教师对实验内容提供必要的讲解,提示实验过程中的注意事项,启发其对所学理论知识的思考,激发学生的创造性思维和动手能力,主动思考实验原理及操作要点,加深对理论知识的理解;对于实验中所用的大型设备在试验开始之前进行集中操作培训,确保在试验中学生能够独立正确操作,实验设备能够运行良好。每次实验进行之前,教师必须强调实验室安全问题,规范实验室使用、药品使用等规章制度。实验分组以6~8名同学一组,设置组长,在不同的实验阶段,组长由小组内每个同学轮流担任,组长负责人员任务分配和协调以及实验记录的提交。学生实验过程中小组成员共同商议实验的进程及具体安排,并做好书面的人员安排记录。这样的分组方式和组长轮换制度使学生能够互相配合,激发每个成员的积极性,培养学生的团队精神。另外,对于实验技能单元采用新型教学手段,如拍摄视频短片和动画演示给学生,使学生能够理解和巩固相关知识和技术。

  五、设计实验课程考核体系

  对实验过程的考核是保证实验教学质量和效果的重要环节,根据实验体系中各种类型的实验项目和内容的实施特点,应注重对学生实验过程实验方法和解决问题能力的全方位综合性考核。

  对于综合性实验,在每个小实验结束后,由小组成员共同填写实验记录结果,对实验结果进行分析,并讨论下一个实验方案,写出书面的实验计划安排。全部实验结束后,每个小组撰写实验报告,格式按照正式生物科技论文写作的稿件要求,包括题目、摘要、关键词、引言、实验材料和方法、结果、讨论、参考文献、附录等内容,教师应在撰写之前对实验报告的格式和写作方法进行介绍,提供模板。每个小组成员都要写出实验心得体会,同时制作幻灯片在实验报告会上向全班同学展示。实验成绩由实验出勤率、实验结果、实验报告的质量、实验心得体会以及实验报告展示答辩等多方面组成。这样的考核方式,有利于学生体验科学研究的各个环节以及练习科技论文写作方法。

  六、建设完善的实验教学平台

  由于各方面的原因,我院的实验设备和实验条件较匮乏,尤其是微生物实验室和发酵工程实验室设备过于陈旧,仅能开设基础实验项目,综合性实验项目所需的条件不足。实验室有二联体不锈钢机械搅拌发酵罐及相关附属设备,高速管式离心机和小型喷雾干燥机等分离设备,具备一定的基础。但非常缺乏发酵过程所需的各类实验室基本仪器,小型发酵罐配套设备如葡萄糖测定传感器、发酵尾气分析仪,以及下游分离所需的小试型微滤/超滤管式膜分离系统。另外发酵罐过少限制了本科实验教学,购置更多的小型发酵罐,便于学生分组进行实验。由此有必要在未来加强相关的应用微生物与发酵工程基础教学和研究实验平台建设。建立专门的发酵工程实验平台,作为发酵工程综合实验和校内实训基地。我院目前每年都有校级和国家级大学生科研训练计划,鼓励本科生参与科研项目,发酵工程实验教学平台也可设置开放实验室,作为大学生创新创业训练和科研训练的平台。

  在校内建立完善的发酵工程综合实验室和实训基地,加大开放性实验的力度,不仅可以帮助相关本科学生拓宽学生知识面,了解企业研发流程,掌握过硬的专业实践技能,还可以通过平台培养研究生,使之成为发酵工程技术研究和技术创新平台。另外,在此基础上,与周边地区的大型制药企业、发酵企业合作,设立校外实习基地,通过参观和讲解,学生可以了解企业的发展历程、产品种类、生产流程、营销方式,以及新产品的研发流程等,学习书本上学不到的知识,加深对发酵理论和知识的理解,增加学生对现代发酵企业的认识。

  参考文献:

  [1]陈坚,堵国成,张东旭。发酵工程实验技术[M].北京:化学工业出版社,2009.

  [2]晏磊,陈朋,张爽。发酵工程实验教学改革与实效分析[J].甘肃科技,2011,27(19)。

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