基于STEM 理念的工业微生物育种学课程教学改革

2022-11-24朱笔通蓝荣萍吴振增

高教学刊 2022年32期

朱笔通，蓝荣萍，吴振增

（武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山 354300）

随着生命科学研究的深入，大量生物相关技术不断涌现，在近年来诺贝尔奖颁布中，这些科学技术与发现占据主要奖项，成为当今科学研究的焦点，生命科学的学习与研究将是引领新时代工业革命的关键[1]。生物工程及相关技术是生命科学的核心，亦是解决当下人类面临的粮食、能源和环境三大问题的关键途径。工业微生物育种学属于生物工程的新兴学科，是各大院校生物相关专业的选修课程或必修课程之一，其是集微生物学、分子生物学、发酵工程和基因工程关键知识理论于一体的重要学科[2]，核心内容包含优良菌株选育和构建、菌株性能改造及相关分子操作技术、菌株培育和大规模生产，是将微生物应用于食品、生活、工厂生产和医疗卫生等领域的关键技术学科。尤其是当前疫情背景下，对于工业微生物育种学及其相关学科的研究、理解、掌握和发掘，将对新冠肺炎疫情的进一步了解、防控、治疗发挥重要作用。因此，微生物育种是工业生物技术至关重要的技术，也成为最受关注的生物技术领域之一。

STEM全称 Science、Technology、Engineering and Mathematics，即科学、技术、工程和数学四门学科一体化，其教育理念是以探索和设计为目的，并对技术问题的解决途径进行探索[3]。该理念于20 世纪末由美国教育学家提出，其形成原因主要来自于当时教育模式背景下，多数毕业人才的科学素养及工程背景严重缺失，无法适应社会发展的需求，出现了科研人才、工厂技术人员断层的趋势[4]。因此，教育学家提出科学、技术、工程和数学集成战略，其主要的目的在于培养一批具有高学科素养型的专业技术工作者、数学家、工程师、科研工作者和高素质公民。同时，该理念并非简单地将四门学科内容堆叠打包，而是学科之间有机地交叉融合，其具备跨学科、实证性、趣味性、协作、情境性和艺术性等核心特性，使得学习者拥有健全的知识网络体系、扎实的基础操作能力、完善的工程设计能力，能够独立发现、分析和解决问题，从而培养出社会适应性、应用型工科背景的人才。众多研究表明，相比于原始的教学理念，STEM 理念运用于学科教学将极大提升学生对于学科的掌握程度和实际应用能力，该理念的理解与运用，是响应国家倡导的普通高校向应用型本科高校转型的重要途径之一[5-7]。

一、工业微生物育种学教学现状

（一）涉及相关学科知识多，串联难度大

工业微生物育种学是一门集理论知识与实验操作于一体的综合性学科，涉及知识包含生物化学和遗传学基本原理，微生物学理论和基础操作，分子生物学和基因工程中基本原理和分子操作，代谢工程的基本概念和代谢途径，发酵工程中菌的发酵、发酵相关设备的设计和发酵参数计算，众多学科知识的交汇和较高的实验技巧要求，使得学生对于如何选育良好微生物，设计对应培养基，遗传改造，微生物产品小、中、大规模生产等抽象的操作概念无法充分理解和消化。传统教学中，面对众多基本概念和复杂操作，教师通常以关键的理论和操作环节进行讲解，由于讲解时的抽象性和多学科知识的交织，学生较难及时跟上教师的讲解，最终学生感到吃力和乏味，产生厌学心理，注意力分散严重。另外，由于近年来生命科学研究的飞速发展，许多在工业微生物育种中的新兴观点和理论，如采用生物合成学方法利用微生物合成淀粉，该方法包含代谢工程和基因工程等知识，可极大地缩短淀粉合成时间、合成步骤和场所[8]；利用基因工程手段、有机化学、KEGG 代谢通路分析等原理，通过微生物合成稀有药物成分等学科交叉的新方法技术[9]均无法在普通教学之中深入讨论和展开，需要学生发挥自主能力，因此如何引导学生主动进行学习和探索，形成良好的知识体系和学科交叉概念极其重要。

（二）实践能力薄弱

尽管在微生物学、生物化学和分子生物学等课程中，学生已学习了相关学科的基本实验操作，对分子操作和微生物培育有一定的概念和理解，但一方面，本学科时间安排上的局限性和对于理论知识讲解的偏重，使得学生实际上无法真实地理解讲解中操作步骤的目的性和解决操作中遇到的细节性难题。如简单地让学生筛选淀粉酶产生菌，学生对于环境样品的选择、富集培养基和选择培养基的配制目的、培养条件的掌控、平板划线操作技巧、筛选菌株后透明圈的鉴别及相关酶活性的测定等实验操作均无法良好地说明操作细节和各个环节原理知识，实际操作上通常很难筛选得到目的菌株，筛选到可能的目的菌株后仍然会将其视为杂菌的尴尬境地。由于缺乏实际实验的操作技巧和经验积累，学生很难做好菌株鉴别、菌株筛选、基因工程操作等本学科基础技术，由于实践能力的缺失，学生对于理论知识永远停留在知识的背诵和应付考试环节，知识的运用和动手操作能力近乎为零，无法真正将实践和理论联系为一体，最终导致理论和实际相互背离，学生对于专业学科信心进一步缺失，自主创新能力受到限制。

（三）工程设计环节缺失

本课程学习前，多数院校学生基本已学习前置课程发酵工程基本理论知识，然而工业微生物育种学课程除了涉及微生物育种的基本原理和方法外，对于所选育并经过遗传改造物种的中试发酵生产和发酵产物的筛选等知识环节处理基本一笔带过，当涉及相关的菌株培养基原料、发酵设备、发酵条件优化，菌株的实际生产等方面，学生仍然无法针对特定的菌株或特定的发酵条件进行工程设计和工程制图。最终，学生无法将菌株的选育和发酵有机地联系起来，背离工业微生物课程对于选育优良微生物运用于工业生产的初衷，使得育种与工业生产相互隔离，最终对于课程的知识理论的运用延伸性和知识的转化效果起到相反的作用，学生无法将工业生产和菌株选育真正地结合成一个完整的链条。

（四）教学方法和评价方式过于局限

当前工业微生物育种学课程教学仍然采用普遍的教学模式，以及教师讲授课程知识，学生听课记笔记，然而由于该课程涉及多学科知识和操作原理，仅仅通过上课讲解的形式学生几乎无法全面地掌握本门课程的方法思路，更不可能在操作和问题处理上有任何的帮助。由于过于枯燥和复杂的学科知识，学生普遍感觉到课程存在过多无法真实触及的理论和操作，最终仅仅以通过学期考试为目的，对课程知识点和操作死记硬背。在这种模式下，学生无法将所学的知识真正整合形成完整的知识框架，更无法真正运用学科的知识原理在生产实践中发挥作用，这种以教师为单方面的传授者，学生被动甚至无自主学习意识，无任何探索和实践想法的教学模式，最终将不利于培养熟悉生物工程原理操作的应用型人才。同时，该门课程对于学生知识掌握的评价方式过于传统单一，通过期末试卷考核的方式对学生知识掌握进行评价，这种仅以分数论高低的方式，无法评价本门课程中学生所掌握的筛选育种思路和实践操作能力，更无法引导学生掌握和探索前沿的方法技术，降低学生学习的主观能动性，更偏离引导应用型工科人才实践出真知的精神。

二、STEM 理念在工业微生物育种学教学改革的应用

（一）培育科学素养，联系前沿进展

本节内容关键在于培养学生遇到学科问题时，不是仅仅通过百度等搜索引擎以非专业的方法解决或回答学科专业提问，而是以科研文献和书本材料作为支撑，具备基础的科学素养。当前工业微生物育种学相关的教材主要包括金志华主编化学工业出版社出版的教材《工业微生物遗传育种学原理与应用》，两部由科学出版社出版的，施巧琴等主编的《工业微生物育种学》和盛祖嘉主编的《微生物遗传学》，这三部书本知识点覆盖了工业微生物的育种原理和方法，具有良好的引导作用，但书本的知识原理仅通过教师口头讲解，实例应用讲解有限，很难使学生完全地掌握并运用于实际，同时普通教学方式也难以覆盖当前与微生物育种相关前沿研究进展，学生对于学习的思考、探索将会局限在教师的课堂内容上。因此，本文采用启发式教学方法结合文献搜索方法（百度学术、万方、知网等），以每章节的主要内容为关键问题，如第一章绪论中的关键问题：（1）工业微生物类型有哪些，在生活中有什么应用；（2）遗传育种是什么，研究进展如何；（3）遗传育种的学习方法有哪些。每节课让学生分组选择其中一点于课前对上课内容进行知识点整理、文献查询和PPT 汇报工作，汇报分为几部分：所了解的知识点及文献与生活/生产的联系；近几年来的研究情况或应用实例；解决该问题的方法及原理；个人想法及思考。通过事先的学科关键内容的提问，同学资料查阅及回答，学生的反思和总结，凝练本章节内容，最后教师在学生的总结和反思的基础上进行补充完善，以此调动学生自主思考和学习的积极性，培养学生学科兴趣，养成良好的文献阅读习惯，紧跟学科研究前沿，了解学科动态和关键研究方法，在学习知识的基础上同时掌握解决学科问题的关键原理和方法。

（二）锻炼技术素养，增加实验环节

本节内容在于锻炼学生的知识运用、动手操作能力和创新精神，而非限于课上抽象的操作步骤分析和操作内容讲解。课程拟通过增加30 学时实验课时，在前期查阅文献，总结实验方法和技术、书本知识总结等基础上开展实验课程，为保证学生有充分的时间，我们提前四周布置实验方案撰写和汇报工作，题目以“特定产物产生菌高产菌株的选育和初级发酵”为模板让学生分组并自由拟定课题，不得重复，让学生将实验方案设计完成后以PPT 汇报形式进行讲解和分析实验的原理、方法、操作要点、可行性分析和预期目标，并将Word 形式的实验方案上交，教师通过其PPT 讲解和Word 版资料进行总结和改正，直至修改完善合理后，学生可有序进入实验阶段，每个试验阶段获得的结果（阶段包括：菌株的筛选与鉴定、高产菌株的选育、发酵过程优化、产品产量鉴定）与反思均共享至班群中作为参考及个人感悟，通过实验方案的设计和讲解，让学生充分将所学的知识原理运用于实际中，锻炼学生实践能力和操作技巧，并鼓励学生创新思维和团队协作。

（三）磨炼工程素养，虚拟仿真与实地考察

本节内容在于锻炼学生工程素养，使学生理解微生物育种中涉及的发酵工程具体仪器、操作和工程运作。工业微生物育种学强调较强的实际运用性，在理论课与实验课的补充条件下，学生拥有较好的理论运用于实践的概念，然而由于教学条件与实验室条件的局限性。学生对于所育种获取微生物的工业运转了解不充分，课本及网络资料无法直观地体现该方面内容。因此，本课程主要通过以下三个方面加强学生对于微生物育种涉及的发酵工程概念：（1）在学生已掌握工程制图课程的基础上，让学生在本章（二）的实验题目背景条件下，参照相关文献，设计完整的生产线，题目为“年产X 万吨某原料工厂发酵车间的设计”，让学生初步了解利用育种获得的微生物发酵生产的基本流程和相关工程设备，使其具备微生物菌种运用于工业发酵的基本概念；（2）依靠武夷学院教学平台所具备的虚拟仿真实验室，通过设定3D 发酵工厂认知、发酵工厂无菌空气制备、板框过滤工艺、发酵工厂二级种子培养、大肠杆菌发酵反应工艺、毕赤酵母菌发酵反应工艺、啤酒生产工艺和霉素发酵反应工艺等主要八个虚拟仿真课程让学生模拟操作菌株发酵各个流程和相关设备，并将自己设计的工程流程图与虚拟仿真中的设备及流程作比对，修改或调整工艺流程，进一步认知微生物发酵工程；（3）在学生已经具备一定的工程认知后，借助闽北当地优质产业，如绿康生化、正大生化等微生物发酵龙头企业，让学生进行实地的观察和学习，通过一段时间的实地实习让学生进一步了解微生物育种的实际运用和发酵实际设备及其运行。另外，通过与技术人员的交流，实验室讲解，了解工业微生物育种主要的技术手段，尤其是遗传改造及可能存在的生产问题等，加深学生对于课程的反思和感悟。

（四）建立数学素养，引入统计学概念

工业微生物育种学除了要求学生具备过硬的知识体系、动手实践能力及具备一定的工程认知和仪器操作能力外，数据的分析和处理贯穿了整个过程。在初步的微生物环境样品选择中涉及五点采样法、土壤微生物宏基因组分析，微生物筛选鉴定过程中涉及底物降解、产物生成标曲曲线，微生物遗传改造涉及基因突变、杂交育种、基因重组，微生物发酵涉及发酵条件优化和设备参数设定等关键操作离不开生物统计学方法的分析应用，同时由于生物实验通常必须含有对照组和实验组，且每组均需设定三个平行以追求数据的可靠性和可重复性，因此数学计算在微生物育种任一过程中，均是至关重要的。本课程在教学课程中，单独拿出两个课时的时间让学生学习SPSS 软件的基础操作与运用，该软件是主流的生物文献数据分析最为常用的数据分析工具，通过该软件学生可进行差异性分析（t 检验、方差分析、卡方检验等），多元回归分析、因素分析、信效度分析等。SPSS 软件的使用将使学生进一步掌握科学严谨的微生物选育方案合理化的设计和实验数据处理，培养具备高数学素质的应用型人才。

（五）实行过程性考核方式评价学生

传统的试卷考核方式更适用于检验学生对于纯理论学科的掌握程度，然而微生物育种学属于综合性学科，试卷考核无法全面地体现出学生对于知识的掌握、理解及其应用程度。同时，该考核方式更容易使学生偏向于平时不听课，期末临时抱佛脚式的复习方式，不利于学生真正地理解和掌握知识。因此，本文采用考核方式为过程考核制评价学生的总成绩，其期末成绩分为平时成绩（20%，按PPT 讲解和总结给分）+实验技能（20%，按实验方案设计与实验过程及结果处理给分）+工程设计及虚拟仿真操作（20%，按工程设计计算和作图、虚拟操作得分进行综合评价）+期末课程论文（40%），期末课程论文要求学生以特定微生物在工业/生活/医药中运用文献综述的方式进行撰写，主要考核学生的资料查阅、理论理解、学科素养和科研论文撰写等综合能力。该评价方式将有利于培养学生综合素养，提升学生学习主动性，较完整地评价学生对于学科的掌握和运用能力。

三、课程教学改革的关键问题

（一）多学科的衔接过渡

以STEM 理念为核心的工业微生物育种学培养模式更注重学生的综合能力，即着重于培养学生科学素养、实验技能、工程设计和数据运算处理能力，这些素养需要学生自身有一定的基础训练，因此需要学生在前置理论课程微生物学、基因工程、发酵工程、工程制图及其配套的实验课中有一定的掌握和学术水平，使得教师在理论教学和实验讲解上能够更顺利地进行，释放更多时间用于学生实践，以期达到最佳的教学效果。

（二）师资队伍建设

STEM 的理念尤其注重学科的交叉、理论实践及实际工科问题。因此学科教学要求教师不仅有良好的理论基础和实验能力，更要求教师需要有一定的企业背景，提供更实际、更贴切社会需求的经验，因此本学科在教学中，除了以具备理论及工程学背景教师作为教学主体外，亦通过联系企业工程师及职业技术人员作为特邀教师进行工程、生产方面的教学和实践经验分享，以此加强理论教学与实际生产间的联系，保障学生能够更好地理解本门课程。