基于OBE理念的“发酵动力学实验”教学改革

于 贞,邢荣莲,姜爱丽,陈丽红

(烟台大学 生命科学学院,山东 烟台 264005)

OBE(Outcomes-based education,OBE)是一种强调以学生为中心,以产出为导向,并在教学过程中持续改进的教学理念。随着国家工程质量认证工作的大力推进,该理念日益深入人心,实践教学是达成培养目标的重要环节[1-2]。为提高生物工程专业学生的理论联系实践能力、动手能力以及分析问题、解决问题的能力,在学习“生物化学工程”之后,烟台大学生物工程专业设置了“发酵动力学实验”课程,该课程分为2个模块,即反应器传质性能及其影响因素、微生物反应动力学模型的实验室构建。对工科学生工程思维方式的教育和培养是工程教育最核心的任务[3-6],因此也利用该课程对学生进行工程思维训练。“生物化学工程”“发酵动力学实验”分别在第五、第七学期开设,“发酵动力学实验”“谷氨酸发酵”“谷氨酸的分离提取”共同构成“生物工程与工艺综合实验”,在完成所有理论课以后开展。目前,“发酵动力学实验”课程在教学中存在的主要问题:1) 由于实验课比理论课晚了2个学期,学生对动力学实验所涉及的理论知识遗忘较多,在理论缺乏的情况下,如果仅按照讲义进行实验,学生很难判断实验进展正常与否,不能对异常现象进行正确分析,无法给出正确的改进措施,学生不能正确认识问题、分析问题和解决问题,与开设综合实验的宗旨相悖。2) 部分学生对实验的预习流于形式。这是因为在过去6个学期所开展的实验课基本上是验证性实验,其操作步骤基本固定,学生只要按照讲义做就能完成实验,故形成了思维定式,在预习“发酵动力学实验”时也照抄照搬实验讲义,不能很好地进行实验设计,使得学生在实践教学过程中的主动性和能动性无法体现出来。此外,受新冠疫情影响,部分学生只是观看了相应视频,并未参加“分析化学实验”课程的操作环节,实际操作的缺失导致很多学生的基本操作不规范,甚至操作错误,导致数据采集不正确。

为贯彻OBE教学理念,更好地提高学生理论联系实践的水平,强化学生认识问题、分析问题和解决问题的能力,训练学生的工程思维,笔者对“发酵动力学实验”课程的教学方式进行改革,把以教师为主体的授课方式转变为以学生为主体的授课方式。

1 扎实学习理论知识,增强学生认识问题的能力

1.1 改进预习和实验设计环节

针对学生在预习环节存在照抄实验讲义的弊端,指导教师在实验原理、测定方法、实验操作及数据处理等环节设计了问题,在实验前一周发给学生,让学生带着问题预习,将对问题的解答构成预习报告的一部分,通过问与答,让学生复习实验涉及到的理论知识,以提高学生认识问题的能力。在充分预习的基础上,让学生提出自己的思路,把实验要解决的问题以及解决问题的依据、方法和措施等内容通过流程图呈现出来,分析在实验中可能出现的各种问题,以及如果出现这些问题该如何解决,并把预习报告提前交给指导教师审阅,教师对学生的问题及问题的解决方案进行剖析,指出解决方案中出现的不足。教师将批改后的预习报告返还给学生后进行实验分组,要求各小组根据指导教师的反馈意见进行讨论并制定正式的实验流程图。

1.2 分解实验内容

为加强学生对实验的理解,将“发酵动力学实验”分成6个模块:1) 硫代硫酸钠标准溶液的制备和标定;2) 发酵工艺参数对氧传质速率的影响;3) 细胞浓度标准曲线的绘制;4) 还原糖的测定;5) 发酵过程参数的检测;6) 模型方程的建立和模型参数的估算。按照模块依次开展实验,有助于学生抓住各模块的重点,可以更好地完成实验。

1.3 把以学生为主、教师为辅的教学模式落到实处

教师在讲解实验时改变授课策略,不再满堂灌,而是换个角度向学生提问实验原理和测定方法,针对同一问题,每组选出一名同学回答,其他同学负责补充和完善,而后由指导教师结合预习环节的提问进行完整讲解,使学生从多个维度加深对实验原理和测定方法的理解。学生对实验有更清晰的认识后方能对实验过程进行预判,第一时间知道检测结果的对错,如果结果与预期不符,则及时进行分析并采取相应措施,通过实验结果对所采取措施的正确与否进行验证,可以提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2 注重细节,增强学生分析问题和解决问题的能力

2.1 重视实验日志记录

教师有意识地引导学生观察实验现象并撰写在实验报告里,与实验数据进行相互印证,加深学生对理论的理解。比如第一个模块生物反应器传质性能及其影响因素,是通过“Copper法测定氧的传质速率”的实验完成的。体积氧传质系数KLa与其影响因素之间的关系为

(1)

式中:KLa为体积氧传质系数,s-1;Pg为机械搅拌轴功率,W;V为发酵罐的体积,m3;Ws为空塔气速,即气体的线速度,m/s,通气量/罐体截面积;n为搅拌转速,r/s。

该实验实际上是考察通风量和搅拌转速对氧的传质速率的影响:1) 把亚硫酸钠的水溶液装入反应器中后,指导教师开动通风装置,让学生观察不同通风量产生的气泡在反应器内上升的现象;2) 固定通风量,开动搅拌装置,观察并记录搅拌桨对气泡的打碎程度和气液混合的效果,使学生对搅拌转速和通风量对氧的传质的影响产生直观印象。空气过载现象在“生物化学工程”第六章有讲述,通过数据和实验现象的相互印证可以让学生加深对氧传质的动力学原理的理解。

2.2 重视实验数据采集的准确性

2.2.1 亚硫酸钠浓度测定

2.2.2 细胞浓度测定

细胞浓度既可以用“个/mL”表示,也可以用细胞质量浓度“细胞干质量/L”表示,前者通过平板菌落计数法或者血球板计数法获得,是微生物细胞浓度的粗略计数方法;后者需要将菌悬液离心洗涤,将所获细胞低温烘干称量后获得,是菌悬液的绝对细胞质量浓度。在建立微生物动力学时,要测定的是绝对细胞质量浓度。为方便测定,通常不是每次取样后都进行离心、洗涤、烘干和称量等操作,而是先制作细胞质量浓度和其吸光度的标准曲线,然后在每次取样后离心、洗涤,将获得的细胞重新悬浮,测定其吸光度,利用标准曲线求细胞质量浓度。由于分光光度计本身的刻度具有线性范围,所以细胞质量浓度和吸光度之间的关系也有线性范围,一般情况下,分光光度计的线性范围为0.25～0.75,故在测定细胞悬液时也应该调整其稀释或浓缩倍数,使稀释或浓缩后的细胞悬液的吸光度为0.25～0.75。利用该法获得的标准曲线是没有零点的,即回归获得的线性方程y=ax+b中的b≠0。真实的细胞质量浓度是先根据测定的吸光度在标准曲线上查出对应的细胞质量浓度,再乘以稀释倍数或除以浓缩倍数获得的。

为开阔学生的视野,要求学生查阅文献了解活细胞浓度在线检测方法、所用设备和检测原理,并将查阅结果写在实验报告里。

2.2.3 还原糖质量浓度测定

受实验条件限制,本次实验中还原糖质量浓度采用斐林试剂法测定。该法对操作要求极其严格,要求滴定过程同时满足条件:1) 正式滴定和空白滴定的总体积相同;2) 必须在1 min内到达滴定终点;3) 到达滴定终点耗用的标准葡萄糖溶液必须要少于1 mL。斐林试剂测定还原糖质量浓度采用的滴定试剂是标准葡萄糖,故稀释后发酵液里还原糖的质量浓度要低于空白滴定值,就是将稀释后的1 mL发酵液加入到斐林试剂中加热,如果蓝色不消失,则可以确定发酵液的稀释倍数。滴定的3个条件如何才能同时满足?在以往的实验过程中,绝大多数同学都没有做到这一点,只能保证后2个条件,条件1一般无法满足,稀释倍数也没有明确的依据。究其原因是对测定原理不清楚。在本次教学改革中,教师引导学生从实验原理、试剂配制、试剂在测定中的作用以及空白滴定、预备实验、正式滴定的作用等方面进行梳理,在空白滴定正确的前提下,根据预备实验的条件确定发酵液的稀释倍数,调整蒸馏水的添加量,使正式滴定与空白滴定的总体积相同,保证还原糖数据采集的准确性。

2.3 强调实验操作的规范性

“发酵动力学实验”是为期1周的综合性实验,涉及到很多基本操作,如物质的称量、溶液的配制和移液管的使用等。受新冠疫情和扩招的影响,学生能够进行实验操作的项目数量大幅下降,如基础实验只能进行8次,且部分为线上教学,导致学生在线下实验操作时规范性不强。在“发酵动力学实验”的预习阶段,教师有意识地设计相关问题让学生思考,实验开始前让部分学生演示,其他同学纠错,教师讲解如何正确操作,强化实验操作规范。学生必须严格按照操作规程开展实验,如滴定管的调零必须为0.00 mL,物料在稀释时必须定容,烘干的物料需要在干燥皿里冷却等,既能保证数据采集的准确性,又能培养学生良好的实验习惯。

2.4 重视实验总结和数据处理

在实验结束时设置提问环节,对实验中出现的现象利用所学理论知识进行解释。由于整个实验是由小组成员分工合作完成,故在最后1个环节中要求每个学生口头阐述实验的详细过程,以确保学生均能独立完成实验。

数据处理是“发酵动力学实验”重要组成,也是进行工程思维训练的重要载体[6]。动力学数据的处理方法来源于高等数学的微积分,然而动力学数据的采集是在数学思维的框架下按照减小实验误差的原则进行的,因此数据处理也要遵循相同的原则才能获得正确的模型参数。特别是在利用直线求模型参数时采用的是5点作图法,通过直线在2个坐标轴上的截距来获得模型参数,而不是数学上联立求解的2点作图法,将纯数学方法和最小二乘法的工程方法之间的差异通过图示加以说明,该数据处理过程就是数学思维的工程化过程。

2.5 将思政教育融入实验教学

将思政教育融入实验教学过程中,有助于培养学生的“理性与辩证思维”[7],培养学生成为“德才兼备,全面发展”的创新型人才[8]。

2.5.1 提高工程伦理素养

虽然轻工业是我国的支柱产业之一,但是由于过去较长时间以来人们的工程伦理意识不强,导致环境污染比较严重[9-10],在我国的工业废水中,由轻工业产生的占了2/3[10]。“发酵动力学实验”涉及到铬、铜和铁等重金属,滴定后的溶液不能直接倒入下水道,需要收集到废料桶中进行集中处理,在实验过程中培养的微生物在丢弃前要经过灭活处理。以上这些要求可以培养学生的环境保护意识,提升其工程伦理素养。

企业组织生产的终极目标之一是利润最大化。作为工科学生,在进行复杂问题分析和解决过程中,要重点考虑经济要素。提高反应速率,缩短反应时间,在生产的各个环节实现节能减排等正是企业提高经济效益经常采用的手段。实验过程中对滴定管调零时多余的溶液要回收,定糖过程中要根据耗糖情况及时调整发酵液的稀释倍数,节约标准葡萄糖的使用量。因此,在制定工艺方案时,不仅要关注经济效益,而且还要考虑环境效益和社会效益,实现三者的和谐统一。

2.5.2 树立实验室安全意识

高校实验室是师生进行科研和教学的主要场所,实验室安全管理是高校稳定发展的重要环节[11]。“发酵动力学实验”中会用到盐酸、氢氧化钠、重铬酸钾、碘和碘化钾等比较危险的化学药品,在实验前对实验过程中可能出现的误操作会引起的紧急情况要给学生仔细讲解,并作好预案。比如在定糖操作时,需要在溶液沸腾的情况下滴定,按照通常的方式操作容易导致烫伤事故的发生,故以此为切入点,让学生想办法改进操作方式,并提出应对措施,强化学生实验室安全意识。

2.5.3 强化工程思维训练

笔者在“生物化学工程”课堂教学中就很注重对学生工程思维的训练,然而在理论课教学过程中更注重的是学生如何将数学思维转变为工程思维,所讲授的例题也都是方法指导,即针对某类问题的通用解决方法。在“发酵动力学实验”教学中,笔者首先根据实验目的引导学生明确需要采集的数据;然后指定某个学生根据采集到的数据讲解数据处理方法,其他同学补充或者纠错;最后以教师总结的方式引导学生采用正确的方式来得到相应的动力学模型参数,以此来强化学生的工程思维。

3 采用形成性评价方式,提高学生实验积极性

以往的实验教学往往以单一的实验报告成绩作为最终成绩,也就是过程评价,并且评价是在所有学生完成实验以后,不够客观。本次实验教学改革采用形成性评价,根据工程质量认证的要求,“生物工程与工艺综合实验”有4个课程教学目标。

课程目标1:能够通过所学专业知识,结合文献查阅,分析我国谷氨酸发酵工业发展状况,并分别就发酵工艺过程、发酵动力学参数检测及下游谷氨酸分离制备提出可行的实验方案。

课程目标2:能够在给定的实验内容和实验条件下,搭建实验装置,安全并规范地开展实验;正确地采集和整理实验数据,对实验结果进行关联分析,并能根据实验过程参数变化,及时优化实验方案,正确开展实验。

课程目标3:能正确运用作图软件,并能运用所学理论知识对实验过程中出现的问题和实验结果进行科学分析,提出改进措施,获得有效的结论。

课程目标4:具备一定的组织管理和个人担当能力,主动承担相应的实验任务,并能与团队成员密切配合,具有良好的团队合作精神,合作完成实验任务。

“发酵动力学实验”是“生物工程与工艺综合实验”的3个模块之一,按照课程目标考核,考核分4部分,“生物工程与工艺综合实验”和毕业要求之间的支撑关系见表1。“发酵动力学实验”的考核内容和分值见表2。

表1 “生物工程与工艺综合实验”课程目标对生物工程专业毕业要求的支撑关系

表2 课程考核评价方式

实验预习与方案设计阶段:1) 由教师指出实验原理和操作方法的关键问题,引导学生更好地理解实验原理与方法;2) 每个学生撰写自己的实验方案并上交给指导教师,指导教师对每个方案进行评阅;3) 教师在实验开始前进行讲评和提问,并对学生进行分组,每组3～4人;4) 各小组讨论并形成本次实验的实验方案,交由教师审核,通过后落实到人;5) 个人和小组的实验方案分别打分,个人得分和小组得分的平均值形成预习和方案设计的得分。

实验中:以指导教师为主研究生为辅,考察所有学生的实验装置是否正确搭建,仪器的使用操作和实验数据的记录是否规范,对实验现象的观察是否细致,能否及时辨别异常的实验现象并迅速作出相应的调整,据此进行讲评,形成实验过程得分。

实验后:实验数据的处理方法和对实验现象的分析讨论,形成实验报告得分;实验报告的批阅是及时进行的,发现问题立即找学生沟通,让学生本人意识到问题所在,同时在下一组学生实验时进行提醒,防止发生类似的错误,这在以往的过程性评价是无法实现的。

个人和团队的考核:实验结束,学生根据实验表现对小组内所有成员和其他组进行评价,学生的个人成绩=学生自我评价分值×50%+同组其他同学对他的评价分值的平均值×50%,该学生的团队成绩=其他小组对该学生所在小组打分的平均值,最后学生的个人与团队合作成绩=学生的个人成绩×50%+学生的团队成绩×50%。

4 结 论

该教学改革在2017,2018级烟台大学和烟台理工学院生物工程专业学生的“发酵动力学实验”中实施,课程目标达成度均高于0.8。实验中,学生的积极性和主动性有所提高;实验结束后,学生纷纷表示“这是四年来做得最明白的实验”,认为整个实验过程清晰明了,对实验满意度较高。我校学生深受研究生招收单位和企事业用人单位的欢迎和赞赏,各单位一致认为“烟台大学走出了一大批理论基础扎实,综合素质强的优秀本科毕业生”。这种以学生为主教师为辅的教学方式,其思想同样适合于生物工程专业其他实验课程,对其他专业的综合实验教学也有一定的借鉴意义。