微生物学课程教学中新工科思维和创新能力的培养

高玉荣，李大鹏，宋俊梅，蒋慧慧，方 舒，张凤琴

（巢湖学院化学与材料工程学院，安徽合肥238000）

我国社会经济结构正处于加快转变发展方式、推动工农业产业结构快速调整升级的关键时期，积极推进新工科工程教育改革对促进我国社会进步和地方高校转型发展具有非常重要的意义[1]。同时，随着我国产业结构和技术结构的变化，生产企业对高层次工程技术应用型人才的需求也逐渐扩大[2]。因此提升本科生的工程实践能力和创新创业能力成为地方应用型本科高校的重要任务。

“微生物学”是高等本科院校生物制药专业重要的专业必修课，兼具理论性和实践性[3]。微生物学课程的理论教学内容繁杂，逻辑性较差，极易让学生感到零散、抽象和枯燥[4]。另外该课程理论性较强，很难让学生联系到生物制药生产的实际，教师主要采用“灌输式”的教学方法，学生比较被动，这些使得微生物学课程的教学模式和教学效果不能满足工科思维和创新能力培养的要求。国内目前在微生物学课程教学改革方面的研究比较分散，有的研究课程内容体系方面，有的研究教学方法和手段，也有的研究课程考核方式方法。国外对于微生物学课程的教学改革主要集中在教学内容上，注重把最新的研究成果讲授给学生，使学生始终能接触到学科最前沿的动态。另外，在发达国家，其实验室的开放程度很高，教师在教学中十分注重培养学生独立思考能力和实验设计能力，这些是我们在“微生物学”课程教学上需要重点借鉴的[5]。为了适合新工业革命与新工科发展的趋势，针对巢湖学院生物制药专业的专业设置和本校学生的特点，在总结前期教学改革研究与实践的基础上，从整体上对生物制药专业的“微生物学”课程的理论教学内容、教学方法及教学效果评价体系进行系统的研究与优化。

1 优化课程内容——教学内容的删与增

生物制药专业开设的专业基础课主要有普通生物学、生物化学、分子生物学与基因工程、基础医学概论等，开设的专业课主要有发酵工程、生物制药工艺学、药物分离工程、药物化学、药物分析及药厂车间设计与设备等[6]。授课教师先应研究微生物学课程与生物制药专业开设的其他课程之间的关系，避免与先行课程的内容重复，又为后续相关课程留有余地，突出本课程的特色，进行授课内容体系的优化。

1.1 教学内容的删减

巢湖学院生物制药专业的微生物学课程使用是由周德庆编著的《微生物学教程》[7]，该教程结构较完整，内容较全面。教师在授课过程中考虑到该课程与生物制药专业先行开设的其他课程的关系，对教材的教学内容进行适当的删减。以该教材的第五章微生物的新陈代谢为例。教材中该章安排了四节内容，即“第一节微生物的能量代谢、第二节分解代谢和合成代谢的联系、第三节微生物的代谢调节、第四节代谢调节在发酵工业中的应用”，其中第一节和第二节内容与先行开设的“生物化学”课程中的内容有重复，因此删除了这两节内容，只讲“微生物的代谢调节”和“代谢调节在发酵工业中的应用”。通过以上对授课内容的调整，即避免了与先行课程内容的重复，又使授课重点更突出。

1.2 教学内容的拓展

在微生物学课程授课过程中，紧密围绕生物制药专业的特点及今后相关专业课程对微生物学理论知识的需要，对教材中的部分教学内容进行了拓展。

在第一堂课“绪论”中，突破教材结构，根据专业教学需要，对课程的重要性及微生物与生物医药产业之间的关系等内容进行了拓展。增加了第一节“课程简介”，在其中安排了课程主要内容、课程的重要性、教学思想、如何学习等方面的内容，重点突出了微生物在抗生素等生物药物生产中的重要作用，使学生深刻认识到本课程对今后学习和工作的重要性。在讲授第二节“微生物及人类对微生物世界的认识史”中关于“微生物学的发展促进了人类的进步”部分内容时，列举了抗生素、抗菌肽及医用酶制剂等大量利用微生物生产的医药产品。考虑到药食同源的问题还增加了微生物与食品工业的关系，讲解了传统发酵食品、食品级酶制剂、发酵生产的食品添加剂、功能性发酵食品等内容。

在讲授第二章“真核微生物的形态、构造和功能”的第三节“丝状真菌-霉菌”内容时，考虑到产黄青霉是发酵生产青霉素的一类放线菌，而且某些霉菌也是生产功能性成分及功能性食品的一类重要微生物，因此补充讲解了曲霉、根霉、毛霉和青霉等四种霉菌的形态特征、繁殖方式和用途。

在讲授第三章“病毒和亚病毒因子”内容时，考虑到生物制药过程中用到的放线菌容易污染噬菌体，在讲解噬菌体的形态、噬菌体的增殖方式的基础上，拓展了噬菌体包括烈性噬菌体和温和噬菌体的检查方法、放线菌是否污染噬菌体的简单实用快速的判断方法。针对目前防病治病所用抗生素的局限性及副作用较大等危害，结合病毒专一性的特点，启发学生思考“除了利用常规的用抗生素、中药中抑菌杀菌的物质等防治感染性疾病，有没有其他方法？”，通过问题的提出，引导学生得出可以用针对某种病原菌的病毒来防控由该病原菌引起的感染性疾病这一新方法。并将这种新方法推论到可以利用某种病毒代替防腐剂来控制食品腐败及食源性疾病的发生。

在讲授第四章“微生物的营养和培养基”中的鉴别性培养基时，补充了通用的特殊鉴别培养基，主要讲解了添加酸碱指示剂来设计产酸菌的鉴别培养基、添加底物来设计产酶菌的鉴别培养基，并重点讲解了添加指示菌来设计产抗生素等抗菌物质的鉴别培养基。

对于第五章“微生物的新陈代谢”的“代谢调节在发酵工业中的应用”部分，《微生物学教程》中只给出了通过育种等手段改良微生物增加其通透性等方法。但在生物医药产品的发酵生产过程中，除了改良菌种，也能通过分离目标产物（一边发酵一边将产物分离的耦合发酵）等方法调控微生物的代谢。因此增加了菌种不变的前提下，在发酵过程中进行微生物代谢调节的方法[8]。

在讲授第六章“微生物的生长及其控制”中第五节“有害微生物的控制”部分的抗生素内容时，以目前发现的“产NDM-1耐药细菌”为例，结合“超级细菌”及其形成的主要原因包括环境卫生死角、滥用抗生素和基因突变[9]等知识，强调抗生素滥用的危害。

2 通过案例培养学生工程化理念及思维方式

为了培养学生工程化的理念，教师在微生物学的授课过程中深度挖掘各章节知识点与生物制药领域生产过程的关系，针对各章节知识点，均会设计1～2个与生物制药生产过程相关的案例，充实教学内容，并启发学生通过思考得出答案，不仅加深了学生对知识的掌握，而且培养了学生工程化的理念及思维方式。例如，在微生物学“绪论”中讲到科赫法则时，先详细讲解科赫法则的原则，然后设计与生物医药生产相关的案例“判断引起抗生素发酵失败的污染菌的方法”。按照科赫法则的理论很容易得出以下方法：①首先取污染的抗生素发酵液，用显微镜观察杂菌的形态；②平板分离单菌落并观察菌落特征；③将单菌落接种到新鲜的无菌抗生素发酵液中，观察是否会引发相同的染菌现象；④如果能引发相同的污染现象，则再进行单菌落的纯培养，并将其再接种到无污染的抗生素发酵液中，如果能引发相同的污染现象，那么可以确定分离出的杂菌就是导致抗生素发酵失败的污染菌。通过以上案例的设计和启发，加深了学生对科赫法则的理解，也提高了学生理论联系实际的能力，培养了学生工程化的理念和思维方式。又如，在讲到第一章“原核微生物的形态、构造和功能”中噬菌体的分类（烈性噬菌体和温和型噬菌体）时，为了培养学生在生物制药的实际生产中解决实际问题的能力，设计了对应的案例“在利用放线菌生产抗生素的过程中判断是否污染了噬菌体”，并引导学生根据两种噬菌体的特点得出相应的方法。即先通过平板或裂解澄清实验检查是否有烈性噬菌体，如果没有烈性噬菌体，还应通过诱导裂解后继续检查是否有温和型噬菌体。

3 通过目标任务的设计提高学生的工程学理念和创新能力

教师在教学过程中，以工程化创新人才培养为目标，针对各章节的知识点设计与实际生产紧密相关的目标任务，在指导学生完成任务的过程中提高学生的工程学理念和创新能力。

例如，在讲授第六章“微生物的生长及其控制”中的“单细胞微生物的典型生长曲线”的理论知识后，设计了与制药生产紧密相关的情境“利用红酵母发酵生产虾青素的过程中，必须先绘制生长曲线，再利用该生长曲线来指导生产”。在此基础上提出目标任务“设计生长曲线的测定方法及对生长曲线各阶段的控制方法”。通过目标任务的完成，使学生深入理解了单细胞微生物典型生长曲线的概念、测定方法及其重要性，同时使学生掌握在发酵产品的实际生产过程中对微生物生长各阶段的控制方法。

在讲授第六章第四节“微生物培养法概论”后设计目标任务“设计微生物发酵法制备青霉素微生物培养及发酵过程”。学生通过设计青霉素生产菌产黄青霉菌的斜面培养及活化过程、菌种扩大培养过程、接种及发酵过程，深刻理解并掌握了在抗生素的好氧发酵过程中菌种的制备及发酵工艺过程。

教师在授课过程中针对每章内容均会设计与专业相关的目标任务，通过目标任务的设计和完成，增强学生理论联系实际的能力。

4 结束语

在教学过程中，为了更好地考察学生的学习效果，对课程的考试内容和评价方法也要进行科学设计。比如，编制科学合理的微生物学试题库，注重扩大命题的知识面，使试题类型不仅涵盖选用教材和授课内容，同时兼顾学科的最新进展。在成绩评定中可以采取综合成绩评定模式，除常规的卷面成绩、出勤、课堂提问和作业成绩之外，增加了目标任务完成情况环节的评定。

总之，为了培养具有新工科思维和创新能力的生物制药专业人才，对微生物学课程授课内容体系进行了优化，使教学内容更贴合专业生产实际；通过与实际生产密切相关的案例和目标任务的设计，加深学生对知识的理解，培养学生工程化的理念及思维方式。实践证明，通过以上教学改革措施，可进一步提高生物制药专业新工科人才培养质量，满足目前生物制药行业发展的需要。