酶工程“黑曲霉固定化”综合性实验教学策略

韩毅强，高亚梅，王伟东

摘 要：综合性实验教学对于创新型人才培养具有重要作用。文章以酶工程综合性实验“黑曲霉的固定化实验”为例，从“黑曲霉固定化”实验教学现状出发，详述了酶工程综合性实验教学的实施策略，以期为其他课程的综合性实验教学提供有益经验。

关键词：酶工程;实验教学;策略;黑曲霉固定化

中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）03-0027-02

创新型人才的培养是高等教育的重要方面。高校除理论教学外，实验教学是实现创新人才培养目标的重要教学环节，对培养创新型人才具有重要意义[1-2]。生物课程具有很强的实践性，伴随实验教学改革的不断深入，综合性、创新性实验比例增加以及一些难度较高的涉及前沿技术的实验教学内容的增设，对实验室的管理、实验人员的素质提出了更高要求。酶工程课程是生物技术专业的主干课，也是一门技术应用性很强的学科，在酶工程的实验教学过程中，设计性、综合性为主的实验项目逐渐增加。要求开放实验室，采用开放式实验教学，同时，开放式实验教学也是实验教学改革的总体趋势[3-5]。设计性、综合性实验的开设能够提高学生的实践技能和动手能力，培养学生的研究兴趣与自信心，获得了良好的实验教学效果[6-7]。下面对黑龙江八一农垦大学生命学院酶工程课程黑曲霉固定化实验的改革作简单介绍。

一、“黑曲霉固定化”实验教学现状

对原有的黑曲霉固定化实验分析发现，原有实验课程是对黑曲霉进行固定化，通过固定化黑曲霉产生的淀粉酶水解淀粉生产糖。原有的实验内容较为简单，只要求学生学习、掌握包埋法固定化细胞技术的基本过程，学生对细胞固定化方法的影响因素、实验设计方法以及优越性和重要性等认识不足，对其应用的意义不能深刻理解。

二、“黑曲霉固定化”综合性实验教学策略

依据前期的分析结论，在实验中增加了影响固定化细胞发酵的四种因素。经过改进后实验课程对学生提出了更多的要求：（1）认识固定化细胞与游离细胞发酵能力的差别;（2）掌握固定化细胞发酵的温度、pH值、发酵的时间、底物浓度对发酵的影响;（3）掌握评价固定化细胞应用效果的方法;（4）学会正交实验的设计和应用。改进后的黑曲霉固定化实验让学生在对比中发现固定化细胞的重要用途，切实体会细胞固定化的优越性，并且在实验中掌握影响固定化黑曲霉活性的主要因素。让学生学会在多种因素存在时通过简单快速的方法（正交实验）获得理想的结果。

（一）探讨发酵反应的影响因素

发酵反应受到多种因素的影响，首先，要保证正常的发酵过程，就需确定最适温度，维持最适温度。其次，pH值也是影响发酵的重要因素之一，在黑曲霉发酵实验中淀粉酶最适合的pH值与其他生物体不尽相同，需要精确测定其最适合pH值。再次，溶解氧和发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。因此，我们将发酵温度、发酵pH值、发酵时间和底物淀粉浓度，均改为三个梯度，便于研究各种因素对发酵反应的影响，提高学生对发酵反应的理解、认识各种因素对发酵的重要性，培养学生科学研究思维方式（见表1）。

表1  改进后实验主要区别

（二）运用正交法进行实验设计

影响发酵过程的因素众多，如对上面四个因素三个水平的各种搭配都要考虑，按一般方法共需做3×3×3×3=81次实验（见表2），实验次数过多，实验难以实施。

因此，可以应用数学统计方法中的正交法来安排实验，计算和分析实验结果。如对四个因素三个水平分析用正交表（见表2）只需做9次实验，选用L9（34）表（L是正交表的代号，L右下角的数字表示实验次数）。L9（34）表有两个特性：（1）在每一列中各个不同的数字出现的次数相同，每一列中“1”“2”“3”这三个数字都出现三次;（2）每两列的横行组成的各种不同的“数对”出现的次数也都相同，每两列的横行组成的“数对”共有九个，九种不同的数对（1，1）、（1，2）、（1，3）、（2，1）、（2，2）、（2，3）、（3，1）、（3，2）、（3，3）均出现一次。这两个特点保证了用正交表安排的实验计划的均衡搭配性[8]。因此，分析数据比较方便，结果比较可靠。这样就能通过少量实验取得较好的效果。让学生应用数理统计方法解决生物学问题可以深刻体会到在生物学研究时统计学的重要性，系统掌握这种方法，对学生的科学养成大有裨益。

表2  正交实验设计L9（34）表

（三）注重综合性实验结果的分析

原实验结果较为单一，仅有糖含量的数据，没有具体的对照，不能判断固定化的优缺点。改进后的实验通过结果能够获得产品的生产强度：即每小时每升反应体积所生产的产品的克数。通过固定化细胞和游离细胞对照，可以比较出固定化细胞在发酵中的优势，通过正交实验掌握发酵温度、发酵pH值、发酵时间和底物浓度四种因素对固定化细胞的影响，并通过数学计算获得最佳的发酵温度、发酵pH值、发酵时间和底物浓度。在撰写实验报告总结时学生需要理论知识与实践相结合。这必将提高学生的综合应用能力，提高同学间协作能力，训练学生的沟通能力，提高学生对实际工作的适应性，使学生成为实验改革的直接受益者。

三、综合性试验实施的关键

（一）保障实验室的开放时间

为了使实验开设顺利完成，我们通过实验设计将实验时间尽量控制在正常工作时间，减少中午、夜间和节假日实验安排。建立教师值班制度，保证在实验室开放时间段内有教师在实验室指导和管理。现阶段网络建设越发齐全，电话人手一机，实验室建立了网络通讯组并设立实验预约电话。学生通过网上预约、电话预约等方式保证实验时间。

（二）合理使用药品和仪器

为保证学生更好地学习实验技术，黑龙江八一农垦大学开设有药品和仪器使用的“仪器使用”理论课程。教师在实验课程前对学生进行相关教育，讲授2—4学时，让学生了解实验室的各项规章制度。同时对进入开放实验室的学生进行短期的培训，要求每名学生学会必要的实验室常识和礼节，熟知实验室中各种有害药品和防护方法，熟练掌握各种仪器的使用方法。要求精密仪器必须在教师的指导下使用。

（三）健全开放实验教学管理机制

综合性实验的开设使实验教学管理工作更加复杂，对实验室的管理提出了更进一步的要求[9-11]。实验室管理细化，记录进出实验室学生的人数、姓名和时间，通过加装摄像头、门禁卡等方式进行严格管理，实验教师精确掌握学生进出实验室的情况，辅导和解决学生在实验中遇到的困难和问题，纠正学生在实验过程中出现的不规范动作和习惯，维护实验室的安全、有序和稳定运行。

综上所述，为提升酶工程实验教学的质量，针对其实验教学内容、实验教学方法、实验室开放管理等开展了一系列改革尝试，酶工程综合性和设计性实验的开设益处非常明显。学生在实验过程中独立动手能力加强，对学习的理论内容理解更透彻，激发了学生的兴趣，达到了培养学生创新能力的目标。

参考文献：

[1]戚康标，王宏斌，何炎明等.开放式研究性实验教学的设计与管理[J].实验技术与管理，2010，（7）.

[2]杨雅婷，李天俊，王英超等.高校生物化学开放性实验室建设的研究与实践[J].天津农学院学报，2013，（1）.

[3]韩毅强，高亚梅，王景伟等.生物类多学科综合实验教学的实践研究[J].高校实验室工作研究，2009，（4）.

[4]李目，刘祖润，吴新开等.高等院校开放性实验室的网络化管理系统[J].实验技术与管理，2007，（1）.

[5]张琪，林向东.高校“开放性实验室”的建设与探索[J]. 海南大学学报：自然科学版，2010，（3）.

[6]蒋海洋，可燕.开放性实验室规范化管理的探索[J].实验室研究与探索，2012，（9）.

[7][9]王彦全，刘芳.地方院校开放性实验室建设与管理模式改革探究[J].白城师范学院学报，2012，（3）.

[8][10]陈钧辉，李俊，张太平等.生物化学实验[M].北京：科学出版社，2008：4.

[11]王伟东，高亚梅，韩毅强等.生物类综合性实验教学改革的探索[J].教学研究，2013，（1）.