单位文秘网 2021-08-18 08:54:33 点击: 次
摘要:《发酵工程》课程是生物工程专业的一门专业主干课,具有实践性强、学习难度大等特点。本文介绍了山东科技大学(以下简称“我校”)发酵工程的课程建设情况,主要涉及教学内容的优化、教学手段和教学方法的优化,以及实验教学体系的建立。通过立体化教学实践,提高学生学习本门课程的积极性和实践能力,获得了良好的效果。
关键词:发酵工程;教学改革;教学实践
中图分类号:G642.0文献标识码:A文章编号:1671-0568(2010)35-0103-03
《发酵工程》是生物工程本科专业开设的专业主干课,通过课程学习,将技术基础课和专业课与发酵工业的操作原理结合起来,了解并且熟悉发酵工业控制的特性、共性、工艺流程及常用术语,为今后从事生物工程的有关科研和生产打下良好的基础。因此,在课程教学中,不仅应帮助学生完成“从理论到实际”的转变,更要激发学生学习兴趣,培养其综合素质与创新能力。按照面向21世纪高素质生物工程人才培养要求,结合我校及专业培养实际情况,对课程体系及内容进行了改革与实践。
一、教学内容的优化
教学内容是课程建设的重要环节,改革教学内容不仅能提高教学效果,而且激励教师自觉加快自身知识更新,提高教学水平。《发酵工程》课程内容涉及理论教学环节和实验教学环节,本着“宽口径、厚基础、重实践”的人才培养方向,制定具有工科特色的课程教学大纲,在强调基本概念和基本原理的同时,注意将发酵工程的前沿问题和最新研究进展作为应用实例进行介绍。此外,为了改善传统教学中“教师讲学生听”的填鸭式教学模式,将培养学生自学能力作为一项重要的教学内容,对教材中某些章节采用自学与讨论相结合的方式进行。如教师给出几类典型的发酵产品,鼓励学生结合课程所学去图书馆查找资料,进行生产工艺的选择,整理成论文的形式提交,并制作成课件在同学之间相互交流,充分发挥学生主观能动性,尝试自学、整理资料、撰写报告论文。
1.教材的选择
教材是教师与学生之间教与学的桥梁,是体现教学内容的知识载体,选择具有系统、完整的知识体系和反映本学科领域最新成就的优秀教材,是保证教学质量的关键。教材是体现教学内容和教学要求的知识载体,是教学的基本工具,不仅是学生在校获取知识的重要来源,也是教师进行教学的依据,贯穿整个教学过程,是提高教学质量的重要保证。我校采用了2007年高等教学出版社出版的李艳主编的《发酵工程原理与技术》,该教材在内容上比较全面、系统,学生一本教材在手,便能全面系统地了解发酵工业生产的全过程及其相关领域。同时,还为学生推荐了不同侧重点的参考书,如俞俊棠主编的《新编生物工艺学》(上、下册),姚汝华主编的《微生物工程工艺原理》(第二版),贺小贤主编的《生物工艺原理》(第二版),刘振宇编著的《发酵工程技术与实践》。为了使学生较好掌握相关发酵工程英文术语,提高阅读专业文献的能力,还为他们整理复印了部分英文材料,如许赣荣主编的《发酵生物技术专业英语》,邬行彦编著的《生物工程/生物技术专业英语》,雷特迪吉编的《生物技术导论(影印版)》,NOYES PUBLICATIONS出版的FERMENTATION AND BIOCHEMICAL ENGINEERING HANDBOOK Principles,Process Design,and Equipment(Second Edition)。
2.教学内容的安排
发酵工程的授课内容以发酵工业过程共性环节为主线。讲授本课程时,既要阐明发酵工艺的基本知识和基本原理,又要重点突出生产工艺操作及过程控制等方面的实际问题。首先,以教材为主融合其它参考书,对教学内容加以充实扩展,同时补充部分国内外相关科研成果和技术,介绍给学生。其次,在章节顺序上,按照发酵工业生产流程环节的先后顺序编排:菌种制备,原料及其处理,氧的传递与供需,发酵机理及动力学,发酵过程工艺控制及染菌的防治,以利于各个章节的衔接,使学生更清楚、更完整地掌握发酵工艺全过程。同时,还需介绍发酵工程产物的提取,动植物细胞培养,酶和细胞的固定化,以及发酵工业废物处理和清洁生产技术的知识内容。最后通过典型的发酵产品生产工艺过程的讲解,将各个流程环节有机结合,强调发酵工业生产的各个环节既相互独立又相互依存、各种因素和多个参数相互制约相互影响的动态形成,有利于学生从整体观念出发分析问题、解决问题,提高在工作中解决实际问题的能力,培养创新精神。本课程通过课堂讲授并辅助以必要的工艺实验和参观实习的教学模式,使学生更加巩固课堂所学的理论知识,提高动手操作的能力,培养应用基本理论正确地分析和解决生产实际中出现的问题的能力。结合其它课程的学习,使学生具有一定的工程设计和技术开发的能力。
3.与其它课程知识的衔接
按照我校生物工程专业培养方案,本课程是《物理化学》、《化工原理》、《生物化学》、《微生物学》、《细胞生物学》、《分子生物学》、《基因工程》等课程的后续课,与同时开设的《生化分离工程》、《生物工程设备》、《生物反应工程原理》等课程有着密切的联系,同时又有适当的分工。本课程以讲授发酵工艺的基本原理和生产技术为主,使学生打好基础,更好地理解和掌握《发酵工厂设计概论》、《酿造酒工艺学》、《氨基酸发酵工艺学》等后续课程。因此,在教学过程中强调对已学过课程内容的延续性以及和其它课程之间的交叉性也是很重要的。
二、教学方法和教学手段的优化
教学方法是课程建设的重要内容之一,为了保证教学的系统性和知识容量,课堂讲授必不可少。但是,讲授的缺点在于它的单向传输性,学生的主动参与不够。为提高教学效果,必须注意选择合理的教学方法。提高教学效率、改革教学方法和手段,有利于学生对教学内容的理解,有利于充分调动学生学习的主动性、积极性和创造性,有利于培养学生自学能力、分析解决问题的能力。
1.利用多媒体教学,提高课堂教学效果
由于现在的教学计划对原有的教学课时进行了压缩,出现了有限的教学时间与丰富的教学内容之间的矛盾,采用现代化教学手段是解决这一问题的有效途径。
在教学过程中,应尽量减少多媒体课件中的文字罗列,尽量使授课内容图像化、表格化、流程化,将多而杂的教学内容整理成少而精的知识。在教学中,灵活地运用多媒体教学手段,把教师从粉笔板书的传统教学方式中解脱出来,既节省了课时,又能营造出和谐轻松的课堂气氛。例如发酵机理部分代谢途径,通过多媒体节省时间。培养基和设备的灭菌,将具体流程制作成模拟动画,既生动又直观。这种形象直观的现代化教学手段,既加深了学生对知识的理解和掌握,提高了学习兴趣,又使学生对工厂实际操作有了进一步了解,有利于他们毕业后尽快地适应工厂环境,较好地开展工作。
2.理论联系实际,加强与其它课程的联系
例如,在介绍发酵培养所用的装置时,先向学生提问:以前微生物实验接触的培养装置有哪些?如何灭菌?一般是试管、培养皿和三角瓶等实验室玻璃器皿放在灭菌锅、灭菌培养箱或摇床里,而大规模好氧发酵生产过程多采用机械搅拌发酵罐,采用实罐灭菌或连续灭菌的方式,而且培养过程中可以在线控制多个参数。再与生物工程设备课程联系,理解该类反应器的构造及其设计计算知识。
再如,在介绍培养基灭菌动力学时,先向学生提问:以前微生物课程介绍的湿热灭菌条件是什么?121℃,20~30分钟。学生都知道这个条件,但对其如何确定却知之甚少。接下来,介绍微生物的热死定律——对数残留定律。通过讲解与计算实例,让学生明白以前所用的条件的由来后,再介绍工业上如何实现湿热灭菌。
3.利用参考资料教学,鼓励学生自主学习
发酵工程涉及到生物技术的多个领域,发展快,内容多。为了在有限的课堂时间内扩大讲授信息量,做到既完成大纲的要求、又满足学生渴求大量新知的欲望,应采用课堂讲授与课外自学相结合的方法,即课堂上对一些重点和难点问题讲深讲透,对相对容易的内容要求学生自学。一方面使学生抓住重点和难点,另一方面也培养了他们独立解决问题的能力。例如,在讲授发酵机理章节时,详细讲解微生物的代谢调节模式、初级代谢和次级代谢的调节模式、提高初级代谢产物和次级代谢产物的产量的方法,然后重点介绍厌氧发酵产物——酒精、甘油、乳酸发酵机制,好氧发酵产物——柠檬酸、谷氨酸发酵机理,理解微生物产物积累的模式。接着,其它诸如有机酸、氨基酸代谢产物、核酸类发酵机制和抗生素发酵机制则由学生自学。再如,将发酵工业生产的各个环节讲授完毕后,提出几个典型发酵产品,让学生结合课程所学,到图书馆查资料,总结产品生产工艺流程。
三、建立多方位的实践教学体系
本课程的应用性和实践性很强,理论学习应与实践紧密联系。而学生恰恰在实践知识和经验方面匮乏,几乎为空白,因而实践教学在发酵工程教学活动中非常关键。发酵工业生产过程是单元工艺与操作相互独立又相互依存、各种因素和多种参数相互制约又相互促进的动态过程。因此,建立多方位实践教学体系,有利于学生从整体观念出发,分析问题和解决问题,培养解决实际问题和创新的能力。
通过实践教学,学生学习的激情会大大提高,有利于把学到的理论知识融入到实践中来,有利于提高探索能力,有利于理顺理论课程学习的思路,从而达到教学目的,产生良好的教学效果。
1.实习环节
在专业课开课之前的认识实习阶段,可安排学生参观几个不同类型的发酵工厂,如青岛啤酒一厂,山东昌邑乾隆杯酒厂和青岛华迈士药厂,使学生对发酵工厂有一个整体的概念。这样,在授课过程中学生就容易理解和掌握。专业课结束后的生产实习阶段,则可安排学生分组到车间,比较详细地熟悉各个工段的操作,以巩固课堂所学的理论知识和技术。
2.实验环节
(1)实验内容的编排。根据新的人才培养目的,将整个发酵实验的内容进行系列化、规范化的编排,以利于学生对发酵工程知识及实验技能的系统化掌握,更利于培养动手能力、综合运用知识的能力和创新能力。主要分为:
系列一:厌氧发酵实验——苹果酒的酿造及品评:主要包括果实的清洗、分选,原料的破碎、榨汁,果汁的成分的调整后澄清,果酒酵母的活化并接种,主发酵并检测过程,倒酒及后发酵,下胶、过滤、澄清,理化检验及品评。通过这个实验,使学生对典型的厌氧液体发酵生产过程有一个直观全面的认识和掌握,锻炼了学生综合运用知识的能力,加强了团队协作精神。
系列二:机械搅拌发酵罐系统的使用、操作与控制:好氧发酵过程最常用的生物反应器是机械搅拌式发酵罐,本实验主要要求学生认识该类反应器的结构与功能、安装、拆卸及清洗等,掌握pH电极和溶氧电极的校正方法,发酵罐系统的灭菌方法和规程,接种方法和操作,pH调节剂及消泡剂的连接方法,定时取样的方法,反应器的操作与控制。在此基础上,能够进行好氧发酵培养,进行综合性、设计性实验——酵母流加培养与分批培养实验和黑曲霉发酵生产柠檬酸实验。
系列三:固态发酵——米曲霉培养及蛋白酶的分析。通过固态三角瓶培养米曲霉,使学生掌握固态培养微生物的原理和技术,并掌握蛋白酶活性的分析方法。本实验给出实验操作的基本过程及步骤、两种固体培养基配方及蛋白酶活的分析方法。要求学生通过培养过程检测来比较两种培养基米曲霉培养过程中蛋白酶活性变化规律。
系列四:单元性实验:微生物细胞的固定化和发酵液的预处理与滤饼质量比阻的测定。
以上的实验系列,将整个发酵工程的知识系列化。通过这些实验,学生能对整个发酵工程课程体系的知识及实验技能有一个全面的认识和掌握。
系列五:综合性、设计性实验——酵母流加培养与分批培养实验和黑曲霉发酵生产柠檬酸实验。两个实验所用的原料分别为糖蜜和玉米粉,经处理后用机械搅拌发酵罐培养。酵母采用分批培养和分批补料培养两种方式测定酵母浓度,具体培养方案由学生设计提出。黑曲霉经扩大培养接入反应器中进行培养,培养过程中监测总糖、还原糖、柠檬酸、pH和溶氧随时间变化的曲线。此类实验连贯性较强,要求学生能够综合利用所学专业知识和实验技能完成该实验,利于培养学生独立思考、分析问题及解决问题的能力,使学生能力得到锻炼和提高。
(2)编写实验指导书。指导书编写的主要思路是:系列一至系列四无须编写详细的指导书,主要体现在实验过程、实验检测方法和原始数据记录表格上。系列五给出实验原理和实验流程,而具体实验过程由学生提出、原始数据记录等由学生自己实验前编写表格。通过系列实验,培养学生综合运用知识的能力、分析问题、解决问题的能力以及科学研究的能力,使其综合能力全方位提高。
(3)运用先进的管理模式,提高实验管理水平。有了一个合理的实验内容和体系,还要有效地贯彻实施,为此我校引进先进的管理模式,如“八项管理原则”的过程方法和管理的系统方法,戴明环-PDCA(plan-do-check-act)原理以及GMP(good manufacturing practice)管理模型,对实验过程进行管理分析。经实践得到良好的效果,规范了实验过程。通过运用以上的管理模式,明显感受到学生在做实验时更加积极主动,实验报告质量明显提高,实验成绩的考核方法能真实反映学生的实际水平。
通过对发酵工程课题体系进行改革,学生表现出对本门课程的极大兴趣和积极性,增强了对专业的信心。从教学实践及学生期末考试成绩分析来看,以上教学改革和实践对提高教学质量是十分有益的。发酵工程是一门飞速发展的学科,其教学更是一个不断完善、不断改进的过程。笔者希望通过课程体系的改革与实践,对提高教学质量、提高学生的综合素质起到积极的促进作用。
参考文献:
[1]冯慧勇等.发酵工程教学的体会与设想[J].微生物学通报,2002,29(6).
[2]张建国等.发酵工程实践课程体系改革初探[J].现代农业科技,2009,22(11).
[3]赵丰丽等.发酵工程实验课课程体系的改革与实践[J].微生物学通报,2007,34(5).
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