以应用为导向的“发酵工程实验”教学改革与实践

索玉凯，马肖艳

（云南民族大学民族医药学院 云南 昆明 650500）

随着科学技术的飞速发展，生物技术已成为解决资源、环境、能源和粮食等全球性问题的有效手段。我国在“十四五”生物经济发展规划中也提出“生命科学已成为前沿科学研究活跃领域，发展生物经济是顺应全球生物技术加速演进趋势、实现高水平科技自立自强的重要方向”[1]。发酵工程作为一门综合性很强的课程，与食品工业、医药工业及农业生产等联系密切，是生物技术科研成果走向产业化的关键[2]。发酵工程实验是联系理论知识和实践操作的桥梁，在加深学生对发酵工程理论认知的同时，可以培养学生的实践能力、科学精神和自我思考能力，掌握食品、医药、化工等行业所需的发酵技能[3，4]。因此，发酵工程实验可为学生从事生物技术产业科研生产打下良好的基础，也有助于高水平应用型人才的培养[5]。

发酵工程实验作为一门多学科综合交叉的课程，实验内容涉及生物化学、分子生物学、微生物学、基因工程等相关专业知识[6，7]。为了适应生物技术的飞速发展，云南民族大学（以下简称“本校”）在生物技术专业开设了“发酵工程实验”课程，内容主要包括培养基优化、菌株筛选、碳源种类对细胞生长的影响等验证性实验项目。这些实验虽然能够使学生掌握发酵相关的基本操作技能，但是每个实验相对独立，实验内容缺乏一定的连续性和系统性，同时还存在课时较少、试验周期长等问题，导致学生的主动性和积极性在授课过程中会逐渐降低。为了激发学生对本课程的学习兴趣，笔者结合近几年的科研工作经验，以实际应用为导向进行了教学改革和实践。

1 发酵工程实验初始教学情况

1.1 发酵工程实验的重要性

发酵工程是基于发酵工业，与化学工程相结合而产生的一门学科，其可以利用微生物的某些特定功能，通过现代工程技术手段生产有用的产品，或直接将微生物用于工业生产过程，是连接生命科学理论研究和实际应用的桥梁[8]。发酵工程实验可以培养学生的实践能力，掌握发酵工业中常用的各种操作技能。作为当今生物技术前沿领域的合成生物学和细胞工程等学科，主要是利用基因工程技术手段操纵基因，定向改造物种并生产高附加值产品，如果将其工业化生产，通常需要发酵工程技术的协助[9]。因此，开设发酵工程实验课程，不仅可以深化学生对相关理论知识的认知，还能为从事生物技术产业相关工作打下坚实的基础。

1.2 开设发酵工程实验的目的

为了适应生物技术专业发展的要求，培养高水平应用型人才，本校生物技术专业自2019年开设了“发酵工程实验”课程。在学习过程中，学生要掌握发酵工程的基本原理和操作技能、发酵菌种的选育和生长规律测定、生物反应器的工作原理、发酵产物的定性定量分析，并能够利用所学知识独立进行发酵实验课程设计[10]。通过对本课程的学习，学生的实践操作能力、科学精神和自我思考能力得到充分锻炼，具备从事生物技术产业科研生产的能力。

1.3 实验内容设置

结合本校生物技术专业人才培养方案，并借鉴其他院校相关经验，本课程的总学时设定为36学时。由于实验室设备较少、条件不完善和教师经验欠缺等原因，发酵工程实验主要以活性菌株的分离鉴定、微生物发酵条件优化、常见抗生素的发酵及测定、红曲色素色价的测定等一些验证性实验为主。实验的具体内容为：土壤中蛋白酶产生菌的筛选（3学时）、蛋白酶产生菌的鉴定和保藏（3学时）、微生物产蛋白酶培养基优化（3学时）、碳源种类对大肠杆菌生长的影响（3学时）、高效液相色谱的原理及使用方法（3学时）、气相色谱的原理及使用方法（3学时）、四环素的定向发酵及效价测定（6学时）、红曲的发酵及色素提取（6学时）、柠檬酸的发酵及产物提取（6学时）。通过对本课程设定实验的学习，不仅可以使学生巩固发酵工程所学的理论知识，还可以掌握从事生物技术产业所需的发酵操作技能。

2 发酵工程实验教学存在的问题

在实验教学过程中发现，由于本课程与生物产业实际生产过程联系紧密，学生在初始阶段对发酵实验有着浓厚的兴趣，不仅自发预习相关实验内容，课堂上的积极性和自主能动性也比较高。但是随着实验课程的开展，尤其是进行到第4～6个实验时，学生的主动性和积极性会明显降低，课堂参与度也随之下降。通过总结，笔者认为以上情况可能是由以下几个原因导致的：

2.1 实验内容缺乏连续性

作为地方性院校，本专业教学实验室的课程安排比较紧密，设备和条件也并不完善，因此主要开设培养基优化、菌株筛选鉴定、碳源种类对微生物生长的影响、发酵产物定量分析等一些验证性实验，每个实验相对独立，缺乏连续性和系统性。同时，由于微生物发酵周期比较长、课时较短、教学实验室空间有限，导致学生无法在规定的时间内完成实验内容，且很难得到理想的实验结果，导致学生产生挫败感并缺乏自信心。在这种情况下，学生会逐渐对本课程失去兴趣，课堂参与度随之下降。在期末的实验考察中笔者也发现，一部分积极性不高的学生对实验技能掌握不扎实，对实验中多次强调的注意事项仍然操作不规范。

2.2 教学模式单一

发酵工程实验周期较长，几乎每个实验都涉及培养基配制、pH调节、高温高压灭菌、菌种活化、培养发酵等步骤[11]。为了确保在有限的课时内完成相关实验内容，教学过程中一般由教师主导，并由助教在课前准备好所需的培养基、实验耗材和菌种，教师在课上对实验目的、原理、操作等内容进行讲解，随后学生按照实验步骤进行操作，并获得实验结果。在这种模式下，学生只能被动接受授课内容，并按部就班地完成整个实验过程，缺乏发现问题、自我思考、相互讨论、解决问题的过程。笔者在期末考察中发现，基于题目中给出的培养基中各组分的摩尔浓度，部分学生仍不会计算相关组分的添加量，表明让学生全程参与发酵实验的过程是十分必要的。此外，学生的实验方法和过程都一致，即使实验失败，也可以参照其他小组的结果进行实验报告的撰写，并不会对实验失败的原因进行反思和总结。

2.3 考核方式比较刻板

在传统的实验教学中，期末考核方式主要是基于实验报告质量和学生签到率进行评价，在发酵工程实验的考核中也是如此[12]。在这样的考核模式下，学生只要确保每次课不缺席实验，并按照教师要求认真完成实验报告的撰写，就可以获得比较不错的考核结果，但是这并不能反映学生对理论知识和实验操作技能的掌握程度。学生在实验中遇到困难时，并不能利用之前实验中重点讲授并反复强调的实验技能解决实际问题，表明传统的考核方式无法督促学生在实验中认真学习。

3 发酵工程实验教学的改革与优化

3.1 优化实验内容

自2021年开始，为了强化实验教学的效果，本课程的总学时由36学时增加至48学时。笔者根据自己的科研工作经验及本校生物技术专业实验室的现有条件，同时借鉴其他本科院校的课程改革经验，对本课程的实验内容进行了部分优化调整。在咖啡湿法脱胶工艺的研究中，发现咖啡发酵过程中存在多种多样的微生物，例如多种酵母菌可以产有机酸、乙醇或芳香类物质，数十种霉菌可以分泌果胶酶、纤维素酶或半纤维素酶[13]。云南作为我国最大的咖啡种植区，咖啡种植面积、产量和产值均占全国98%以上，在国内具有独特的优势地位[14]。因此，基于云南小粒咖啡湿法发酵过程中分离到的微生物，笔者在教学中开展了以下实验：咖啡发酵过程中微生物的分离及分子鉴定（6学时）、果胶酶产生菌的筛选及活力测定（6学时）、果胶酶发酵条件优化（3学时）、菌种的保藏与复壮（3学时）、紫外诱变筛选高产果胶酶菌株（3学时）、酵母产香物质的发酵及分析（6学时）、乙醇厌氧发酵（6学时）、利用酵母菌降解咖啡废水有机物（9学时）；同时在测定微生物发酵产物的过程中，讲授了HPLC的原理及使用方法（3学时）和气相色谱的原理及使用方法（3学时）。其中，“利用酵母菌降解咖啡废水有机物”是综合性实验，在教师的指导下，以学生为主体、基于前期分离到的酵母菌和霉菌进行实验设计，并检测发酵前后废水中有机物含量的变化。在这种模式下，各实验之间具有较好的连续性和系统性，同时科研实验室的仪器设备可以为发酵工程实验教学的顺利进行提供保障，学生可以自始至终参与整个实验过程，从而解决了教学实验室空间、时间有限的问题。对于优化后的实验内容，各实验的应用性也较为明显，霉菌发酵的果胶酶可以用于咖啡脱胶，酵母产生的芳香物质可以为咖啡增添独特的风味，乙醇的厌氧发酵可以与咖啡废弃物的资源化利用相关联。以上实验设计可以很好地吸引学生兴趣，同时激发他们的主动性和积极性。此外，实验内容还涉及了厌氧发酵过程，不仅使学生明白了厌氧环境如何影响微生物发酵产物的积累，还可以加强学生对工业中常用厌氧工艺的了解。

3.2 改变教学模式，激发学生兴趣

为了增强学生对实验的积极性，教师应该将学生被动接受的教学模式转变为以学生为主体、教师进行指导的模式，使学生全身心参与到教学的过程中[15]。以学生为中心的教学模式可以激发学生的学习动力，使学习过程由“填鸭式学习”变为主动求知，从而加强学生认识问题和解决问题的能力[16]。学生应该在课前预习实验内容，课堂提出问题并积极思考、讨论，对课程内容有较为全面深刻的了解。为了让学生适应“发现问题、查找文献、讨论分析、解决问题”的教学模式，必须充分调动其学习的积极性和主动性，笔者将以“酵母产香物质的发酵及分析”实验为例，进行教学模式的优化探讨。在进行本实验的前两天，让学生品尝不同发酵工艺生产的咖啡，并说明咖啡风味的不同是由于微生物差异导致的，从而借助年轻人对咖啡饮品的喜爱，调动学生课下查询相关文献和发酵工艺的积极性。上课时，学生要选择酵母进行发酵测试，但是选择哪株酵母由各小组自己讨论决定（10分钟内），从而让学生充分参与到实验设计之中。在这个过程中，学生要基于初始酵母培养物的气味，努力说服其他组员为什么选某（几）个酵母，从而锻炼学生的自我思考和语言表达能力。在实验中，由于选择的酵母各不相同，各个小组会积极地完成实验，并对实验结果进行比较，从而实现了自主学习、实时互动。因此，通过优化教学模式，让每个学生积极参与到实验的全过程，可以更好地调动学生热情，加强他们对实验课的积极性。

3.3 注重融入课程思政内容

课程思政是以构建全员、全程、全方位育人格局的形式将课程内容与思想政治理论相结合，把“立德树人”作为教育的根本任务[17]。发酵工程实验作为生物技术专业教学中的重要组成部分，对专业人才的素质培养与提升有着显著的影响。为了培养德才兼备的生物技术人才，教师不仅要掌握扎实的专业知识和技能，还要具备良好的道德修养、职业道德、强烈的爱国主义思想和社会责任感。发酵工程实验作为一门实践性课程，蕴含着实事求是的辩证唯物主义思想内涵，可以对理论知识进行实验验证，从而在整个教学过程中贯彻辩证唯物主义思想。通过观察实验现象、积极讨论实验结果可以培养学生客观辩证的专业素养；针对实验中遇到的问题，各小组间或小组内积极沟通探讨，可以培养学生相互协作、不畏困难的优秀品质；通过让学生自主设计实验，分析实验中遇到的问题并提出解决方案，可以培养学生的创新能力。因此，将课程思政融入发酵工程实验教学，有助于学生更好地掌握专业知识和操作技能，并形成科学的世界观、人生观、价值观。

3.4 考核模式注重多元化

基于实验报告质量和学生签到率的考核模式不能反映学生对实验技能的掌握情况。通过优化考核制度，注重对学生参与度的考量，形成多元化、科学的评价体系，可以有效提高实验教学的效果[18]。在本次教改中，签到情况占期末成绩的10%，实验报告占30%，在上课过程中由助教辅助教师记录好学生的平时表现，由此形成的实验过程性评价占30%，各小组根据实验结果进行的组间互评占10%，期末技能考核占20%。期末考试主要考核学生对实验技能的掌握，每个学生抽签，并对要求的内容进行现场操作。此外，由于各小组在实验中只是实验内容相同，发酵所使用的菌株不同，导致实验结果也存在一定的差异，这样在一定程度上杜绝了学生抄袭。如果由于懒惰、不认真等问题导致实验失败，学生也无法借鉴其他小组的结果，这种“危机感”也会促使学生进行课后反思，并在下一次实验中避免出现类似错误。因此，这种多元化的考核机制，不仅可以督促学生参与到实验的各个环节，还可以客观公正地反映学生对实验的掌握情况。

4 结论

发酵工程实验是联系理论知识和生产实践的纽带，可以培养学生从事生物技术产业科研生产的发酵技能。本文结合笔者自身的科研工作经验和本专业实验室现有设备状况，对实验课程的教学内容、模式和考核标准进行了探索优化，并注重融入课程思政内容。在随后的实践教学中发现，系统性的实验设计可以较好地调动学生兴趣，学生在整个实验过程中都能保持一定的积极性和主动性，同时思考能力、科学精神和语言表达能力也得到了极大的锻炼。因此，只有在实验教学中不断改革和完善教学方法，注重锻炼学生的自主性和动手实践能力，才能适应生物技术专业日新月异的发展，并培养出适合产业需求的人才。