案例教学法在发酵工程课程中的应用

刘修涛，熊鹏

（山东理工大学 生命与医药学院，山东 淄博 255000）

随着国家“碳中和、碳达峰”战略的提出，利用低碳环保的生物合成方法进行化学品的高效合成，已成为当前的研究发展趋势.发酵工程是一门专门研究化学品生物合成与放大的综合性课程，兼具有理论性与实践性的特点.作为生物工程专业的专业必修课程，发酵工程课程的设置符合当前的发展趋势，贴合社会关注的热点与行业需求，在本专业内的重要性越来越高.学生在学习该课程时，由于尚未参与教学实训或生产实训，容易给其造成课程内容枯燥、知识点抽象的印象，因此传统的课堂灌输法难以激发学生的学习热情，达不到理想的教学效果.发酵工程作为实验室科研走向实际生产的桥梁性课程，其中存在着大量的鲜活案例.将案例教学法在发酵工程课程中进行应用，能有效拉近课本知识与实际生产之间的距离，最大限度地调动学生的积极性，增强学生的学习感受，培养学生的工程创新实践能力，从而实现课堂效率的提高与学生专业知识技能的有效提升.

1 案例教学法和发酵工程课程概述

1.1 案例教学法概述

案例教学法是以教师为主导，学生为主体，教学案例为基础的一种课堂教学模式，通过对真实事件或情境模式的分析讨论，使学生熟悉并掌握相关的知识与技能.该模式提倡将课堂还给学生，教师扮演课堂设计者与推动者的角色，鼓励学生发表和交流观点，促进学生积极讨论，并适时地将案例内容升华为课程关键知识点，激发学生的学习兴趣，培养学生解决实际问题的能力[1].案例教学法历史悠久，两千多年前古希腊教育学家苏格拉底论述道理时采用的“启发式问答法”，已经具备案例教学法的基本雏形.我国春秋战国时期，许多经典典籍如《庄子》《论语》《左传》等，在阐明道理时所采用的叙事或比喻方法，也具备了案例教学法的显著特征[2].现代案例教学法最早于19 世纪60 年代，由哈佛大学法学院院长兰德尔提出，他强调了典型案例在法律教育课程中的重要性[3].时至今日，案例教学法在理论性与实践性兼具的课程中应用广泛，并具备显著的优势：（1）能够促进学生独立思考，课堂中通过引入最真实、最典型的案例，促使学生利用学过的理论知识进行案例剖析、解读、验证和交流，将抽象的理论知识拿到实际生产中，消除理论与实践之间的隔膜，理论指导实践，让学生在一次又一次的思想碰撞中完成独立思考的过程与重点知识的掌握[4]；（2）能够实现教学相长，案例教学法对教师的角色提出更高的要求，要求教师能够提供涵盖多方面知识点的典型案例，同时在案例教学中又要做到把控全程，能够积极引导学生投入其中，并完成关键知识点的总结概括[5].整个过程中，教师既能够及时发现自己的弱点，又能获得学生大量的一手材料，从而实现课堂效率与学生能力的同步提升[6].

1.2 发酵工程课程概述

发酵工程是高等院校生物工程有关专业的重要专业必修课程，该课程以生物化学、工业微生物学、生物化工原理等相关课程知识为支撑[7].在系统学习本课程的基础上，又为学生更好地理解和掌握生化分离工程、生物工艺学、生物催化与生物转化、生物反应器的多尺度放大、生物反应工程等后续课程奠定基础.发酵工程囊括了发酵工业的菌种选育、培养基设计、工业种子制备、无菌技术、发酵产物的提取与精制、发酵经济学等关键技术，同时还涉及发酵动力学、发酵工业中氧的供需、发酵罐的放大与设计、发酵工程控制等理论性较强的知识[8].课程内容以发酵工业生产过程中各分支领域共性的工艺基本原理和生产技术为主，兼具理论性与实践性.通过本课程的学习，使学生掌握发酵工业的典型过程、基本原理、基本技术以及基本实验操作技能，了解该学科的发展方向，能够理论联系实际地去分析和解决发酵过程中出现的具体问题，为学生今后从事相关新产品或新工艺的研究与开发打下良好的理论与技术基础[9].

2 案例教学法在发酵工程课程中的应用

发酵工程课程在讲授过程中以微生物发酵生产的全过程为主线，重点阐明各个阶段、各种产品的生产原理与技术，讲解理论知识的同时，又重点突出生产的工艺操作与控制技术等实际问题[10].该课程涵盖的知识面广，理论公式较多，课程内容比较抽象，且学生没有见过实际的发酵设备，容易对课程感到厌倦，难以调动主观能动性，加大了发酵工程课程的教学难度.而案例教学法给学生提供了一个良好的学习讨论情境，能够将课本中的理论知识变成能够实际接触的案例，其典型生动、直观多样的特点，激发了学生的求知欲，得到了学生的广泛认可.

2.1 虚拟仿真的案例教学方法

发酵工程课程涉及很多化学品的生产过程，如白酒酿造、陈醋酿造、啤酒生产、琥珀酸的生物合成等.课本内容描述比较枯燥，为使学生更加真实地了解实际生产过程，最好的方法是带领学生进入工厂认识实际生产，感受实际操作环境.为此本课程提出利用虚拟仿真系统为学生提供一个三维的、高交互操作的、高度仿真的、全程参与式的认知学习平台，让学生在平台上练习，熟悉和巩固专业基础知识.同时提出生产中会出现的实际问题，让学生在虚拟平台上进行模拟，了解不当操作造成的实际后果，并组织学生集体交流，提出完整的解决方案，并再次在平台上进行解决方案的验证.利用该反馈式操作，能有效加深学生的印象，提高学生解决问题的能力.

如利用食醋固态酿造虚拟平台，让学生操作3D 生产车间场景内的角色，首先认识食醋工厂内部的蒸粮车间、拌曲车间、酒精发酵车间、辅料拌和车间、醋酸发酵车间、熏醅车间、淋醋车间的布局与构造，并通过虚拟场景交互式操作，熟悉食醋酿造过程中的原料处理、摊晾下曲、酒精发酵、辅料拌和、醋酸发酵、熏醅、淋醋、陈放等关键工艺流程.学生在了解主要技术操作后，结合他们实际掌握与领悟情况，向学生提出酿造过程中会面临的实际问题，如原料粉碎细度不达标、下曲温度不合适、不同季节醋酸菌种接火量的差异、淋醋温度设置不当等.然后每4～6 名学生成立1 个小组，每个小组选取一种问题案例进行解读.学生通过文献调研、虚拟仿真验证、PPT 制作等，最终以小组的形式进行汇报和交流.交流的内容包括不同操作对最终产品质量造成的影响，产生这种影响的主要原因，如何实现有效规避等.同时在案例分享交流过程中，教师引入理论知识的解读与总结，如下曲温度实际反映的是发酵过程的温度选择，并由此引申出温度对发酵的影响与控制措施等.

该虚拟仿真平台的应用，有效解决了发酵工厂设计、发酵过程控制、发酵产物的提取与精制3 部分的教学内容.具体表现为：（1）发酵工厂设计方面.虚拟仿真平台作为一项食醋固态发酵实例的模拟，其中虚拟食醋工厂内各个车间的布局与构造，形象展示了各车间的内在联系，展示了发酵工厂的设备类型与简况，展示了车间管路的设计与布置、产品生产的完整工艺流程.这些具象化的展示，进行发酵工厂设计的教学时，为发酵工厂的总图布置、车间设备布置与管道设计、发酵工艺流程设计等内容提供了良好的素材，并有效地辅助完成了该部分的讲解.（2）发酵过程控制方面.在虚拟仿真平台中，通过让学生模拟食醋固态酿造过程中的“两发酵”（酒精发酵与醋酸发酵）阶段，掌握原料经由自然微生物发酵转变为半成品酒醪，半成品酒醪经由醋酸菌发酵转变为醋酸的过程，并进一步掌握发酵过程控制教学内容中的发酵过程的代谢调控等相关知识内容.在“两发酵”阶段，让学生进行温度控制的模拟，进行敞口发酵向封缸发酵转化的模拟，认识温控不合理或发酵条件不合适对最终产品质量的影响，并由此完成发酵过程控制教学内容中的温度及溶解氧对发酵的影响及其控制等相关知识内容的讲授.（3）发酵产物的提取与精制方面.让学生利用虚拟仿真平台模拟进行淋醋工作，即用煮沸的水或醋将醋醅中的醋酸及有益成分过滤出来.随后让学生模拟进行醋的陈酿过程，即“夏伏晒、冬捞冰”的酿造过程，最终得到成品醋.这一系列仿真模拟操作，展示了发酵产物提取与精制的工艺流程，让学生在模拟中了解到工艺细节，进一步加深理论知识，推动该部分教学内容的高效掌握.

虚拟仿真的案例教学方法活跃了课堂气氛，激发了学生的独立思考.在学习基础知识的同时，教学案例也让学生了解到我国几千年的酿醋文化、酿酒文化等，感受了中国发酵文化的博大精深，培养了学生的文化自信，践行了课程思政.

2.2 实操辅助的案例教学方式

发酵培养基优化、发酵工程控制、发酵罐放大与设计等是发酵工程课程中非常重要的内容.在这些章节的讲述过程中，既有理论计算（如正交实验设计、极差分析等），又涉及一些工程化的认知（如温度控制过程中所需夹套或蛇管的样式，补料过程中补料泵的工作方式，发酵罐内部消泡浆或搅拌桨的构造等[11]）.

利用正交实验进行发酵工业培养基优化的讲解中，由于涉及到的计算量较大，很多学生对正交实验的设计方案表示难理解，同时对正交实验的实验效果表示疑惑.为促进该部分知识的讲解，通过与发酵工程实验课教师进行沟通，将该部分内容与实验课联动进行讲解.在理论课中，教师以培养基实例优化过程中的三水平、四因素需求为导入，让学生以此进行实验方案的设计.学生在设计过程中，发现三水平、四因素的需求共81 种组合方式，需要进行81 次实验.如此大的实验量，让学生有了简化实验的需求.教师此时引入正交实验的原理讲解，同时提出正交表的设计方法，在此基础上，学生才能更好地理解正交表的均匀分散性与整齐可比性.学生在理解正交实验的原理后，教师让学生利用正交原理再次进行三水平、四因素的实验设计.学生会发现，在正交原理的指导下，只需要进行8 次实验便可确定最优因素水平组合.为了进一步加深和巩固学生对该知识点的掌握，将学生分为10 组，其中一组利用正交实验进行因素水平的设计，另外9 组利用原始方法进行因素水平的设计.完成理论设计后，在实验课中，将理论设计付诸实践，以验证正交设计的实验效果.通过该实操辅助的方法，让学生认识到正交实验在优化实验方案、减轻实验工作量方面的重要性，并加速学生对相关理论知识的掌握.

在发酵工程控制及发酵罐设计的讲解中，由于学生没有接触过实际的发酵设备，均表示内容比较抽象，仅依靠上课时课件的图片，难以很好地理解和想象.而亲自实践是透彻认识事物的重要途径之一，为此在发酵工程课程中引入2 台5 L 全自动机械搅拌不锈钢发酵罐作为教学模型.在讲授相关内容时，教师将学生带至专业设备现场，进行现场教学.教学过程中，一边和学生共同操作，一边进行讲解.以讲授为主，共同操作为辅，将理论带入实际，主要是促进抽象或复杂知识的理解，提高学生的具象化认识.在讲解过程中，学生可以对发酵罐进行全方位的拆解、组装与试运行，逆向了解发酵罐的各个部位与连接方式.同时，引导学生对发酵罐的相关参数进行测量，如搅拌叶轮直径Di、挡板宽度B、搅拌叶间距S、下搅拌叶与罐底距离C及关键比例参数S/Di、C/Di等，让学生对发酵罐设计的基本理论有全方位立体化的了解.学生通过实践的方式获取关键参数后，由此向学生提出发酵工厂生产规模扩大时的实际需求.让学生根据实际生产中的产热情况、需氧情况、生产规模等，进行发酵罐冷却装置、搅拌桨形态、罐体样式及尺寸、管路布局等的设计.在设计过程中，将学生分成若干小组，每组4～6 人，组内每名学生负责发酵罐的一部分设计，然后进行组内的讨论与整合，最终每小组形成整套的设计方案，然后在课堂上进行小组展示与讨论.学生在设计与交流过程中，不断地进行思想碰撞，理论结合实际，实现关键知识的掌握与巩固.

3 案例教学法的应用成效

案例教学法的应用充分调动了学生的学习积极性，应用成效在学生的学习成绩及学生的第二课堂中有明显的体现，具体表现为：（1）在传统的教学模式下，2016，2017 级学生的平均成绩分别为79.3，80.1，挂科率分别为1.4%，2.6%；在案例教学法的教学模式下，2018，2019 级学生的平均成绩分别为83.2，82.8，挂科率均为0，学生的平均成绩上涨且挂科率明显下降.（2）第二课堂是指学生在非上课时间，自愿选择一名导师，进入相应科研实验室，接受科研训练，进行科研工作.这可以锻炼学生的科研思维能力，提高学生对本专业的认识.在案例教学法应用之前，学生积极性不高，选择发酵工程相关科研实验室作为第二课堂的学生比例为22%；在案例教学法应用之后，经统计，选择发酵工程相关科研实验室作为第二课堂的学生比例提高至67%，较之前提高了3 倍.由此可见，案例教学法的应用，对学习成绩的提升有促进作用，对推动学生第二课堂的开展也有积极作用.

发酵工程课程作为生物工程专业内理论与实际结合比较密切的课程之一，在本专业的人才培养过程中占据着重要地位[12].案例教学法的实施，凸显了学生在本课程中的主体性，培养了学生的创新能力与实践技能.同时案例教学法的引入，也需要配套的考核方式改革.传统的教学考核过程中，总成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%），很多内容强调学生对课程内容的死记硬背.而当前学生的考核方式变革为总成绩=课堂展示（25%）+论文撰写（20%）+平时成绩（15%）+期末考试成绩（40%）.其中，期末试卷的命题大大降低了客观题（名词解释等）的比例，增加了生产实例方面的题目，为学生提供了展示自己创新能力的空间.案例教学法的实施，让学生把课堂上学到的知识点主动利用有效的案例连成线，实现了知识的有效掌握.通过课堂上的相互交流与展示，又将知识串成网，实现了内容的融会贯通，培养了学生的学习兴趣，提高了学生的个人能力，实现了“传统传授式课堂”向“自主学习式课堂”的转变.