试验设计方法在生物反应工程实验课程教学中的应用

吴志军，陶玲玲，徐淑艳，李丽阳，刘昕旸，张 华，曹宏伟

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学学术理论研究部，黑龙江大庆 163319；3.黑龙江八一农垦大学理学院，黑龙江 大庆 163319）

生物工程是实践性要求很强的专业， 培养高素质、适应现代生物产业发展的复合型人才，不仅需要加强学生的理论知识储备和实验动手能力，也需要树立工程思维、 具备掌握科学设计和分析试验的能力［1］。 但目前生物类专业的学生普遍工科基础较差，尤其是试验设计能力缺乏，成为阻碍创新型人才培养的瓶颈［2-3］。

试验设计是以概率论和数理统计为基础，结合试验要求，通过经济、科学合理地设计，利用少量试验快速建立数学模型并找到最佳试验条件的方法［4］。 试验设计是高等农业院校农学、植物保护、生命科学、畜牧、兽医和食品等专业的基础课程。 在教学过程中，由于没有课程实验进行支撑，试验设计课程讲授内容与实践脱节。 生物工程专业的学生对单纯的试验设计课程兴趣低， 且数学基础普遍较差［5］，很多学生只是被动地学习。 试验设计课程逻辑性强、理论抽象、推导较多、计算复杂，加之课程的实践性强，如果没有配套的实验操作进行训练， 学生很难掌握试验设计的精髓和相关软件的使用［6-7］。

生物反应工程实验课程的教学目标是使学生掌握生物反应过程的基本实验技能， 包括培养基配制与灭菌、菌种的扩大培养、反应器内的传递、过程设计和反应器设计与控制等［8］。 生物反应是受多个因素影响的复杂过程， 在此过程中如何提高目标产物的得率、实现过程的最优化，是生物技术产业化不可缺少的关键环节［9-10］。在多变量影响的体系中， 快速有效地找到对目标响应值有显著影响的变量并进行优化非常重要。 将试验设计与生物反应工程实验中的微生物发酵培养基优化部分相结合，通过生物反应工程实验课程的学习，让学生系统掌握试验设计的理论与常用的优化方法，同时掌握设计和分析软件。通过该实验课的训练，增强学生的工程试验设计和实践动手能力。

1 试验设计理论讲授

1.1 常规试验设计方法

常规试验设计方法包括单因素试验设计和正交试验设计法，通常存在一定的局限性。不能考查各因素交互作用，得不到最佳条件［11］。单因素试验在考查多个试验因素时，所需的试验次数较多、周期较长，且无法获得各因素交互情况。完成每个因素的试验后，通常得不到预期的试验效果。正交试验是常用试验设计方法， 能更加科学合理地安排试验，可同时考查多个因素的水平组合，但不能确定响应值和各因素之间明确的数学模型， 无法在整个区域上获得因素的最优组合［12］。

1.2 Plackett-Burman 试验设计与响应面方法

Plackett-Burman 试验设计是由Plackett 和Burman 于1946 年提出的二水平析因设计，Plackett-Burman 设计能通过n 次试验最多分析n-1 个因素对响应值的效应， 可以设置虚构变量以估算误差［13］。 根据Plackett-Burman 设计的结果，通过比较各因素的显著性水平， 得到关于响应值和各因子间的一次回归模型，并筛选出重要因子，通过试验对这些因子进一步优化［14-15］。Plackett-Burman设计虽然不能考查各因素交互作用， 但能通过少数试验， 快速从诸多因子中筛选到对响应值有显著效应的主要因子， 比较适合应用于一些受多种因素影响的生物反应过程， 如发酵参数设置和培养基成分的确定等。

通过Plackett-Burman 试验设计从众多因素中确定重要因素后， 利用中心组合试验设计和响应面分析的方法进行过程建模与优化［15］。 响应面法的目的是试图用二次多元回归模型描述各影响因素与目标响应值定量关系，并通过计算，确定最佳条件和目标响应值。 中心组合试验设计能通过旋转正交试验，考查各因子对生物过程的影响，通过响应面回归模型的建立， 评价各因素的效应和交互作用的程度，获得最优化条件。

2 教学改革实施内容

2.1 试验设计的理论教学

实验课进行前，让学生查阅文献，达到对统计学试验设计方法有较清晰认识和理解的效果。 理论课程的讲授通过对单因子试验设计、 正交试验设计、析因试验设计、响应面试验设计等基础知识和统计学方法讲授， 使学生了解各试验设计方法的基本原理和优缺点，调动其积极性和创造性，系统地掌握最新的试验设计理论与方法。同时，进行微生物反应的过程和动力学知识的讲解， 增加实验的目的性，使学生提前掌握理论知识，更加深刻地理解试验过程。 传统实验课程教学过程中常有学生上课只为应付考试的情况，思维不活跃，对实验过程缺乏整体认识， 难以将理论知识通过做实验融会贯通。

2.2 试验设计的关键内容

将试验设计方法应用于生物反应工程实验的实践教学部分，选取“利用枯草芽孢杆菌发酵生产生物表面活性剂实验” 为例， 让学生查阅文献，找出影响枯草芽孢杆菌发酵生产生物表面活性剂过程中的影响因素，初步确定各因素的高低水平。

首先通过Plackett-Burman 设计，对影响芽孢杆菌生长的因素如装液量、pH 值、接种量、培养温度、碳源、氮源等进行评价，筛选对发酵过程有显著影响的重要因子。根据试验结果，通过比较各因素的效应系数和显著性， 筛选出有主要影响的因子；确定各因素的步长，沿与等高线垂直的梯度方向，进行最陡爬坡试验，确定各因素逼近最大响应区域的水平，在最大响应区域进行中心组合试验，对各因子的水平进行分析， 建立二次模型和响应曲面图。 响应面法即利用多元二次回归模型描述试验因素与目标值的关系，在此基础上，利用最优化理论求出模型的极大值， 确定枯草芽孢杆菌发酵生产表面活性剂的最优培养条件， 并通过试验进行验证。

2.3 统计学软件的使用

在实验开始前， 将SPSS、Minitab、Design-Experts 和Origin 等软件的参数设置和使用方法讲解和演示， 使学生掌握以上试验设计软件的基本操作，便于后期自行试验设计和数据处理，提升数理统计和建模的能力。

2.4 课程效果的评价与考核

学生按小组完成试验设计和操作，详细记录，对结果加以总结。 成绩考核分为理论和实验两部分， 理论部分考查学生对试验设计和统计学方法基本知识的理解情况，占50 分；试验设计过程和结果分析部分占50 分，考查具体试验设计的掌握情况。微生物生长曲线的绘制、生长动力学过程的拟合等方面也作为考查内容。

2.5 总结教学效果

对教学改革的经验和效果及时总结， 了解学生对试验设计的掌握程度，分析难点，找出存在的问题，对存在的问题立即纠正，将经验教训写成教学研究论文供大家探讨。 教学过程和试验设计路线以“利用枯草芽孢杆菌发酵生产表面活性剂实验”为例（见图1）。

3 总结

根据试验设计方法和生物反应工程实验课程存在的问题提出解决方案，拓展学生的知识范畴，通过设计试验， 建立与生物反应工程实验课程适应的完善的试验设计体系。 从以下几个方面对课程的教学内容进行总结。

3.1 增强了学生对实验课程的兴趣和课堂参与的积极性

经过生物工程专业2016—2018 级共3 届学生的实践探索， 大部分学生较好地理解了试验设计的精髓，掌握了理论知识和软件的使用。多数学生的实验课成绩在80 分以上，学生反映通过试验设计过程提高了实验课程参与的兴趣和积极性。

3.2 提高学生试验设计和数据处理的能力

课程结束后， 针对教学效果和学生对试验设计的掌握情况， 进行问卷调查。 共完成问卷调查150 份，包括40 名已毕业学生。 94%的学生反馈，通过生物反应工程实验课程的学习， 对试验设计有了更加深刻的认识。 该课程不仅增强了试验设计的能力，也提高了分析问题和解决问题的能力。64.7%（97/150）已毕业的学生反馈，在读研和工作阶段仍然用到了试验设计的方法， 且部分学生曾与老师有相关问题的探讨。 96%（144/150）的学生反馈，赞同采用类似的方法进行课程教学。 42.7%（64/150）的学生反馈，在表面活性剂的分析检测过程中使用高效液相色谱仪等设备的经历， 对毕业后从事的工作有较大帮助，增强了就业竞争力。

3.3 教学过程中存在的问题

少数学生数学和统计学基础较差， 无法很好地理解试验设计的原理和计算过程运用； 对软件操作系统掌握不熟练， 不能完全掌握设计方法和应用软件。今后将加强数学和计算机方面的教学，提高学生的设计能力。

图1 教学过程和试验设计路线

4 结论

微生物反应是非常复杂的生物过程， 受多个因素的影响。 科学、合理的试验设计，能够事半功倍。 生物反应工程实验课程针对生物工程专业学生工程基础较为薄弱的特点， 将试验设计的方法融入课程教学， 通过该课程的试验设计与分析训练、理论与实践结合，提高了学生试验设计、统计学分析以及计算机软件使用等方面的能力。 同时掌握完整、系统、科学的试验设计方法，具备从纷繁复杂的影响因素中快速找出关键因子的能力，提高了学生的工程建模能力和创新能力， 达到应有的教学效果。