多层次教学法在代谢控制发酵实践课程中的应用

刘慧燕， 方海田， 潘 琳

(宁夏大学 食品与葡萄酒学院 宁夏食品微生物应用技术与安全控制重点实验室，银川 750021)

提高人才培养质量是高校深化教育教学改革的核心目标，而将创新创业教育贯穿于高校人才培养的全过程，就是要着重提高学生的创新、创造和创业能力。创新创业教育与专业教育融合作为一种新的教育理念，它的核心内涵是培养大学生的创新精神、创业意识和创业能力[1]。高校是创新型人才培养的摇篮，需要更新教育观念，革新人才培养模式，在专业教育中融入创新创业教育，以培养产业和社会需要的人才。

代谢控制发酵课程是宁夏大学食品与葡萄酒学院食品科学与工程专业(生物工程方向)的核心课程，课程内容是以工业发酵过程的代谢调控为主线，介绍微生物生理生化和分子生物学知识在微生物发酵过程中的代谢调节和发酵规律，在食品生物工程创新人才培养中起着重要作用。本课程实践性很强，传统的讲授方法不容易理解和掌握，尤其实践操作部分，需要学生提前认真预习、反复练习和实践操作。

针对以上情况，课程组教师成员改革原有的实践教学模式，以创新创业为导向，采用多层次实践教学模式，对实践教学部分进行重构和设计。在此基础上实现专业课程内容与创新创业内容的结合与嵌入，从而激发学生的学习热情，为宁夏地方经济发展和生物发酵产业培养具有创新创业精神和能力的人才。

1 创新创业为导向的多层次实践教学法的实施

1.1 优化实践教学内容，重构、设计实践环节

对代谢控制与发酵课程实践部分进行系统分析，对教学内容进行优化，设置多层次的实践教学模式，使学生容易掌握理解，同时设置创新创业教育实践章节，实践教学与创新创业内容结合起来讲授，将创新创业教育融入专业课程教学中。

图1 创新创业为导向的代谢控制发酵实践课程多层次教学法的实施Figure 1 Application of multiple teaching mode oriented by creation and innovation education in the practice teaching process of metabolic control fermentation

改革后的代谢控制发酵实践课程分为4个模块，若干个教学项目，每个项目既独立，又循序渐进。在“以学习者为中心”[2-5]的理念指导下，旨在培养学生严谨的实验态度、扎实的实验技能和勇于创新创业的能力。本课程组教师的角色已发生了转变，成为实践创业能力体系构建的“导航者”，积极利用“互联网+”技术在创新创业教育中的驱动作用，引入慕课及其他网上资源探索创新创业教育发展的新思路、新方法、新动向，同时将一些不容易理解的实践内容项目化，实验项目的实施过程完全交给学生完成。实习环节由参观式转变为“问题引导式”实习，实习之前课程组教师与企业导师探讨实习的重点内容，提出与实习内容相关的产业发展或生产线需要探讨解决的实际问题，要求学生在实习过程中思考这些问题，并在实习之后提交的实习报告中提出解决办法。

1.2 以创新创业教育为导向，实施多层次实践教学模式

因为代谢控制发酵实验实用性、操作性极强，不连贯实验的开展不利于学生完全理解和掌握课程内容，所以需要多层次递进式的开展实验教学项目。教师根据实践内容精心设计，将内容模块化，每个模块之间层层递进，将创新创业的内容逐步融入实践模块，使学生逐步具备创新创业思维和能力。教师通过手机教学平台提前建设班级群，将这些实践资源推送给学生，学生利用平台可以了解实践教学计划、实践模块内容以及具体实践项目，熟悉代谢控制发酵的实践内容和即将采用新的教学方法，并在教师的指导下开展实验。

1.2.1 利用慕课资源与仿真软件提前预习实验

MOOC利用互联网共享的便捷性[6-7]，可为本课程教学提供线上优质课程资源。课程采用互联网慕课资源与仿真软件进行提前预习，教师将精选的慕课资源和其他互联网课程资源以及课程实践计划提前推送给学生，让学生预习和熟悉操作步骤，然后分组讨论实验的关键点和每一步操作的注意事项。学生自己可以通过慕课课程资源中的课后测试、作业、讨论等方式及时巩固所学的知识，教师也可实时了解学生的进度和学习情况，并提出指导意见。

虚拟仿真软件的应用可以丰富实践教学内容[8-10]，有利于学生在仿真环境下完成知识的积累和实践能力的提升。代谢控制发酵实验课程仿真软件是在北京欧贝尔公司3D软件的基础上，按照课程实验大纲要求和专业实验室发酵车间实际情况进行适应性的教学调整，软件中设置了发酵设备的运行原理以及工艺参数的调整策略，可以模拟实际做实验的全过程，学生可以深入了解实验内容和操作步骤及其操作要点，逼真的软件界面设计会让学生有亲手实际操作的感觉，逐渐消除了真实设备的神秘感，增加了学生的积极性，学生可以反复对仿真软件进行操作，为实际的创新实践应用奠定坚实的基础。

应用一：在本课程实验六“200 L发酵罐过程控制实验”中先利用了虚拟仿真软件提前预习实验。在教师的指导下，学生分组讨论实验项目方案，查阅大量资料，反复探讨实验项目设计思路、关键点控制及控制策略，并利用仿真软件模拟实验的全过程。在此过程中掌握发酵动态，并进行杂菌的检查、产物测定中间补料方法和分阶段控制等，最后使用PPT汇报本组实验情况，教师进行最终评定，给出优化思路。推荐其中3组同学参加了“第二届全国大学生食品工程虚拟仿真大赛”，全部获得二等奖。

1.2.2 利用小型实验发酵罐开展单独实验，培养学生独立操作能力

全自动小型发酵罐作为一种常见的生物反应器[11]，在高校及科研单位中被广泛用于小型试验研究，也作为生物工程的典型设备用于教学。宁夏大学专业教学实验室里有5 L和10 L的全自动小型发酵罐，其形体虽小，但结构较复杂；学生虽然提前利用仿真软件预习了小型发酵罐的使用，但实际的操作与仿真软件有很大的差别，操作需仔细认真。当学生们进入中试实验室，面对真实的发酵设备、复杂的管路和众多的控制节点时，往往会出现手忙脚乱、无所适从的情况，而对小型发酵罐的相关知识的学习会避免这种情况的发生。

应用二：在本课程实验三“发酵罐的空罐灭菌”的教学中，就先利用5 L和10 L的全自动小型发酵罐进行预实验。实验之前，在教师指导下，学生分组讨论并制定出小组实验方案及实施步骤，根据实验内容提前预习罐体清洗方法、空消兼保压试验条件及发酵罐结构图等，以便实验顺利开展。实验前后教师根据实验内容设置与实验相关的讨论题，包括：该实验模块回顾、实验细节讨论和实验总结和讨论，认真总结试验中出现的问题和原因，并提出解决方案，培养学生独立开展科学研究的能力。

1.2.3 利用中试车间发酵生产线实操训练，培养学生协作创新精神

中试车间是技术从实验室走向生产线的中间环节，中试要解决从基础研究到应用研究中的各种技术问题[12-14]。为了进一步模拟工厂实际生产状况，熟练掌握现代生物发酵技术，需充分利用实验室发酵中试设备，如本课程在进行“10-20-200 L异亮氨酸发酵实验过程控制”过程中，指导教师引导学生严格把握生产关键控制点，并对异亮氨酸发酵技术操作、参数控制等关键操作步骤进行操作演示，引导学生在清楚操作原理基础上掌握生产设备的操作过程，而且学会在发酵生产条件改变时，根据在线检测的结果对发酵过程进行分析，了解发酵不同时期各项指标的变化，并掌握如何对生产工艺和操作参数进行调整。本环节要求同学自己解决从小试到中试过程中出现的各种问题，甚至需要考察相关的生产企业，以便更好地解决问题，同时使自己的探索成果更具有实际应用价值，从而培养学生独立探索的创新精神，提高解决工业化大生产中实际问题的能力。

1.2.4 产学研实习基地实践，培养应用能力和创新能力

产学研基地实践，可以逐步实现产学研合作创新主体之间的深度合作，通过资源共享、优势互补，共同研发、共享成果，形成集生产开发、人才培养、科学研究于一体的产学研协同创新系统[13,15]。本专业相关发酵课程共设置了3周的综合实习内容，学生到宁夏相关的产学研基地直接参与企业的研发与生产，并按小组配备企业指导教师，让学生参与关键生产环节的实际操作。

应用三：在去当地氨基酸生产企业实习前把谷氨酸代谢发酵调控生产作为预习作业布置给学生，先建立理性认识，然后在现场采用启发提问的方法引导学生思考，最后在企业导师的指导下逐步揭示出调控原理。随着实习内容深入，企业导师进一步引导学生对发酵行业存在的技术难题进行攻关，在今后的学习和科研中规划解决制约行业发展的“瓶颈”，进一步提高学生的科研创新能力。引导学生从为了竞赛而进行的创新转变为适应市场的创新，实现项目的市场价值，为学生搭建实现创新创业高峰的项目产业化的竞演平台。

2 第一、第二课堂有机结合，实现创新创业人才培养的核心目标

第二课堂是围绕高校立德树人的根本任务所开展的新型综合素质教育模式[16-17]，是实现大学生创新创业教育的重要途径和手段。通过第一、第二课堂教学相结合，能够形成一套严谨的教学体系，让大学生的创新创业质量得到提升[18-19]。本课程在以学生为中心的教与学模式下，参照“知识获取→意识提升→能力增强”的培养模式[6]，在学习创业知识、掌握创新技能的基础上，组织创新创业实践活动。本课程将每一个实践模块依据其特点，结合学科竞赛项目和科研训练项目，以创新创业项目的形式进行设计和实施，如各类虚拟仿真实训、食品科技创新大赛、作品设计、社会实践、创业计划项目等。3年来，95%左右的食品科学与工程专业(生物工程方向)学生在教师的指导下，自发组成科研小组，积极参加与本课程内容相关的大学生创新创业训练计划项目：“挑战杯”“创青春”“互联网+”、虚拟仿真大赛和实验科学实验路演等多种形式的创新创业竞赛和实践活动。

应用四：运用本课程实验五“取样与发酵产物分析”中实践内容和方法，结合相关的营销策略，设计了“‘杞养天下’枸杞发酵系列保健产品的研销”创业项目，7位本科生组队参加了自治区“互联网+大学生创新创业大赛”活动，项目是以宁夏枸杞为原料，通过混合菌种发酵技术得到安全性较高的枸杞酵素。进行发酵试验研究，控制发酵因素如pH值、温度、通风、搅拌等，在发酵的过程中对发酵产物进行实时取样分析，并监测菌种之间消长情况，从而得到最优的枸杞发酵工艺参数，获得了理想的目标产物，研制出营养价值高、风味独特、符合大众消费潮流的枸杞酵素及其系列保健发酵产品，并对产品进行充分的市场调研和销售策划。项目获校级和自治区银奖，并被推荐参加了国家级竞赛，获优秀奖。通过精心设置的全过程化创新创业实践教学环节，实现了第一、第二课堂的无缝对接和有机结合，激发大学生创新创业激情和意识，最终实现创新创业人才培养的核心目标。

3 实施效果与展望

以双创教育为导向的多层次教学法在“代谢控制发酵”实践课程中应用的3年中，本课程不及格率由原来的20%降低到2%，学生也提高了自主学习的积极性。本课程组教师利用课程设置不同层次和类型的竞赛与实践活动，鼓励学生积极参与其中，成果丰硕。在高校加强新工科和深入推进工程教育专业认证的背景下，需要不断探索与完善双创教育与专业教育开展方式和实施思路，将本课程的多层次教学模式改革成果进行推广和应用，在专业教育中融入双创教育，多方面多角度激发学生的学习热情，提高学生的理论学习能力、实践能力和创新创业能力，以适应科技发展与地方产业发展对高质量人才的需要。