生物工藝實驗教學(xué)特點

楊東升　羅先群　王新廣

摘 要 生物工藝實驗的教學(xué)有其自身特點。從實驗過程看具有長時間連續(xù)性的特點；從實驗操作看要求較好的分工協(xié)作；從實驗具體環(huán)節(jié)看要求具有創(chuàng)新性；從實驗裝備看，器材大型化，控制方法智能化、機(jī)械化。這些獨有的特點使生物工藝實驗教學(xué)更趨向工程化，針對這些特點進(jìn)行的教學(xué)改革和創(chuàng)新能夠使工程人才素質(zhì)的培養(yǎng)得到加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 生物工藝實驗 教學(xué)特點 素質(zhì)培養(yǎng)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.09.059

Characteristics of Biological Technology Experiment Teaching

YANG Dongsheng， LUO Xianqun， WANG Xinguang

（Biological Engineering Laboratory， College of Materials and Chemical

Engineering， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract The teaching of biological technology experiment has its own characteristics. From the experimental process is continuously for a long time the characteristics of； better division of labor collaboration requirements from the experimental operation； innovation is required from the specific aspects of； from the experimental equipment， large-scale equipment， control method and mechanical intelligent. These unique characteristics make the biological process experiment teaching more tend to project， the teaching reform and innovation of these characteristics can make the quality of engineering personnel training to be strengthened.

Key words biological technology experiment； teaching characteristics； quality training

生物工藝實驗是生物工程專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容之一，直接關(guān)系到學(xué)生實踐能力的鍛煉和提高，是學(xué)生專業(yè)素質(zhì)能力的重要體現(xiàn)。生物工藝實驗教學(xué)本著將書本知識通過實際操作得以應(yīng)用為目的，幫助學(xué)生熟悉生物工藝流程及常規(guī)的實驗技術(shù)，鍛煉其專業(yè)技能同時熟悉工藝操作的主要環(huán)節(jié)。經(jīng)多年教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)，生物工藝實驗教學(xué)環(huán)節(jié)更加接近工廠操作，與基礎(chǔ)實踐教學(xué)存在很大的不一致性。主要體現(xiàn)在生物工藝實驗具有長時間、連續(xù)的過程，具有分工協(xié)作的操作要求以及實驗具體環(huán)節(jié)的創(chuàng)新點，具有工廠化大設(shè)備的屬性。海南大學(xué)生物工程專業(yè)開辦十二年來，參與教學(xué)的教師針對生物工藝實驗的教學(xué)特點，對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷總結(jié)和改革，形成了一套適合本科實踐教學(xué)的體系，同時積累了大量寶貴經(jīng)驗。

1 實驗過程的長時間連續(xù)性

生物工藝的實質(zhì)就是微生物培養(yǎng)，其過程是漫長的。長時間連續(xù)的培養(yǎng)過程，短則十幾小時，多則十幾天。學(xué)生參與的實驗和實踐近乎于工業(yè)化要求，要在實驗室經(jīng)歷長周期的發(fā)酵操作。此外，發(fā)酵實驗由于涉及實驗設(shè)備、原料、工藝及人員操作等諸多主觀及客觀因素，影響比基礎(chǔ)實驗更為明顯。實驗結(jié)果往往是不確定的，有時甚至可能失敗。這種不確定性與實驗的周期成正比。因此，在實踐環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，要重視重復(fù)性實驗在長周期實驗中的合理設(shè)計，使實驗數(shù)據(jù)得以合理共享。

1.1 實驗過程的長時間連續(xù)性

從教學(xué)周期看，生物工藝實驗具有與其他實驗不同的特點。其一就是實驗時長較長，比如，在谷氨酸發(fā)酵過程中，除了前期準(zhǔn)備工作如配制培養(yǎng)基、滅菌、接種等準(zhǔn)備工作需要大概2小時外，學(xué)生還要迎來48小時的發(fā)酵周期實驗。其二就是實驗的連續(xù)性。由于涉及的實踐環(huán)節(jié)較多，各個環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，缺一不可，因此在教學(xué)實踐中多采取分批次、分組的方式， 學(xué)生在產(chǎn)品發(fā)酵期間采取分批值班的方式各自完成某一實驗環(huán)節(jié)的操作。學(xué)生實行連續(xù)分批次實驗保證了發(fā)酵過程的連續(xù)性，類似工業(yè)生產(chǎn)中的三班倒。

1.2 生物工藝的大實驗特征

生物工藝實驗包括了所有具備實驗教學(xué)條件的專業(yè)內(nèi)容。目前可以在實驗室進(jìn)行小試研究教學(xué)的發(fā)酵范圍涉及厭氧發(fā)酵和好氧發(fā)酵。涉及與工廠生產(chǎn)相關(guān)的行業(yè)有氨基酸發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、檸檬酸發(fā)酵、啤酒發(fā)酵、白酒發(fā)酵等。幾乎所有發(fā)酵實驗具備大實驗特點，比如，啤酒發(fā)酵實驗包括簡單的酵母質(zhì)量檢查、酵母計數(shù)、糖度酸度檢測、雙乙酰檢測、乙醇檢測、質(zhì)量品評、主發(fā)酵控制、后發(fā)酵控制等實驗項目。要求學(xué)生根據(jù)每個實驗特點掌握各個實驗項目的操作方法步驟。

1.3 生物工藝實驗條件及結(jié)果的不確定性

微生物發(fā)酵過程十分復(fù)雜且周期長，本身充滿不確定性，過程控制可以高度一致，但結(jié)果卻可能相差很大甚至相反。學(xué)生要學(xué)習(xí)生物工藝實驗的分析研究方法，要找到這種不確定性，最終發(fā)現(xiàn)原因，比如閥門泄漏、濾膜穿孔、膠管松脫等造成結(jié)果誤差太大。由于增加了自主分析思考，這類大實驗更能培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。

1.4 實踐環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格控制條件

為了控制微生物生長，使其為我所用，在發(fā)酵的各個環(huán)節(jié)，要求各參數(shù)控制在一定范圍之內(nèi)，以利于微生物的生長，利于代謝產(chǎn)物的生成或菌體的生長。嚴(yán)格控制各參數(shù)條件是發(fā)酵過程的重要操作環(huán)節(jié)，也是體現(xiàn)學(xué)生現(xiàn)場處理、分析和解決問題能力的重要依據(jù)，當(dāng)然更強(qiáng)化學(xué)生在實操環(huán)節(jié)的工程素質(zhì)。

1.5 重復(fù)性實驗在長周期實驗中的合理設(shè)計

學(xué)生在進(jìn)行連續(xù)分批實驗時，各批次處在不同的發(fā)酵周期，重復(fù)實驗即可得到系列數(shù)據(jù)。由于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，每個學(xué)生都可以如實了解整個實驗過程的具體數(shù)據(jù)，實驗報告可以重點分析自己工作時間段的發(fā)酵情況，包括參數(shù)控制分析、現(xiàn)象分析、數(shù)據(jù)分析等。針對大實驗的具體分工使學(xué)生在其負(fù)責(zé)環(huán)節(jié)能做到具體問題具體處理，使過程設(shè)計更為合理。

2 實踐過程的協(xié)作性

實踐教學(xué)過程不單體現(xiàn)老師與學(xué)生的配合，更體現(xiàn)了學(xué)生之間的配合與協(xié)作。教師按教學(xué)計劃制定實驗大綱與方案，要求學(xué)生認(rèn)真實踐并圓滿完成。學(xué)生們要在大實驗的框架下預(yù)習(xí)、實踐、觀察、總結(jié)。其中要求最高的也是最能體現(xiàn)學(xué)生能力的就是其協(xié)作性。首先是排班問題，要求學(xué)生在按質(zhì)按量完成實驗任務(wù)的前提下做好分批組員的編排。其次是公共試劑的配制，要求學(xué)生統(tǒng)一操作，使誤差減小到最低。第三是儀器使用，特別是涉及多人操作的儀器尤其要強(qiáng)調(diào)配合及協(xié)作，才能使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，共享成為現(xiàn)實。①協(xié)作過程就是團(tuán)隊精神的體現(xiàn)，為今后研究工作打下良好基礎(chǔ)。

2.1 分工協(xié)作是生物工藝實驗必需的工作素養(yǎng)

生物工藝過程在實際工廠中是包羅萬象的。在實驗室只能完成其中的小部分內(nèi)容，包括發(fā)酵、提取、糖化、精制、菌種保障等環(huán)節(jié)缺一不可。所以分工協(xié)作是發(fā)酵實驗必須的工作素養(yǎng)，能關(guān)注實驗細(xì)節(jié)并在實驗環(huán)節(jié)做到積極配合的學(xué)生必將收獲良好的工作習(xí)慣。

2.2 合作過程要求操作方法的高度統(tǒng)一

不同批次的學(xué)生在不同時段進(jìn)行重復(fù)實驗要求在操作方式上高度統(tǒng)一。比如閥門控制、取樣、檢測等都必須嚴(yán)格依照規(guī)程，否則，會使整個實驗數(shù)據(jù)增加不確定性。在數(shù)據(jù)記錄方式、小數(shù)點取位、數(shù)據(jù)單位等都要做到統(tǒng)一、合理。實驗報告也要求對批量數(shù)據(jù)、參數(shù)處理方式的一致性。

2.3 團(tuán)隊精神的培養(yǎng)

生物工藝大實驗的實施有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊精神。分組可能存在競爭，每組學(xué)生都會以全力以赴做好本組的實驗。在每批實驗過程中，也要注意相互幫助，協(xié)同實驗。比如，某組實驗儀器出現(xiàn)問題，其它組同學(xué)不會袖手旁觀，主動出主意盡快解決問題。公共設(shè)備如電、氣環(huán)節(jié)出了問題，要有同學(xué)負(fù)責(zé)簡單處理同時報告實驗老師。②

3 實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性

生物工藝實驗存在實驗過程的不確定性，同時具有實驗創(chuàng)新的可能性。正是因為它的不確定性，體現(xiàn)了其產(chǎn)物的影響因素是多方面。影響因素包括原料、工藝、操作、檢測方法等內(nèi)容。單就原料的變化來講，生物工藝實驗所反應(yīng)的結(jié)果是多變的。比如原料來源不同，糖化方式不同，加入的酶不同等等，都會引起下游產(chǎn)品的連鎖反應(yīng)。因此，考慮對眾多環(huán)節(jié)的變化因素，生物工藝實驗必然存在適合學(xué)生開發(fā)的創(chuàng)新點，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計性實驗、綜合性實驗項目的開設(shè)。③

3.1 實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性

生物工藝涉及到的微生物過程是復(fù)雜的，涉及相關(guān)的生物化學(xué)、微生物學(xué)、生化技術(shù)等相關(guān)實踐內(nèi)容。在具體操作環(huán)節(jié)要嚴(yán)格按照實驗步驟進(jìn)行，儀器使用、實驗手法嚴(yán)格按規(guī)程執(zhí)行，數(shù)據(jù)記錄要求實事求是，參數(shù)控制實驗過程要求一絲不茍。

3.2 實驗操作環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性

近年來，各地高校不斷提高實踐教學(xué)課時比例，以此提高學(xué)生實踐動手能力，提高綜合性實驗、設(shè)計性實驗項目比例以提高學(xué)生創(chuàng)新意識。實驗的操作環(huán)節(jié)要按規(guī)程嚴(yán)格操作，但在實驗設(shè)計環(huán)節(jié)要展開思路，充分創(chuàng)新。要求學(xué)生在實驗過程中要不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，要學(xué)會用會到的理論知識分析一般實踐問題。多用發(fā)散思維進(jìn)行開創(chuàng)性的思考，不要局限于某一些實驗機(jī)械的步驟、原理和方法。找到可能的突破口，進(jìn)行科研自由探索。④

4 實驗器材大型化，設(shè)備控制方法智能化、機(jī)械化

生物工藝實驗設(shè)備普遍大型化。比如日產(chǎn)100升啤酒釀造設(shè)備由4只100升的發(fā)酵罐、一只100升的糖化鍋、一只50升的糊化鍋、一只100升的過濾回旋槽、一臺制冷機(jī)、一臺粉碎機(jī)、一臺罐裝機(jī)、一臺過濾機(jī)組成。

設(shè)備控制方式智能化。發(fā)酵罐可以通過PID實現(xiàn)溫度的全自動控制，制冷機(jī)溫度可以實現(xiàn)對制冷液0至-20℃的自動控制。全自動控制電路對學(xué)生學(xué)習(xí)自控理論是很好的現(xiàn)場教材，可以直接與工業(yè)化設(shè)備對接，增加學(xué)生的直觀認(rèn)知。

設(shè)備控制方式機(jī)械化。CIP系統(tǒng)可以通過循環(huán)清洗系統(tǒng)實現(xiàn)自動運轉(zhuǎn)，物料可以通過倒料泵實現(xiàn)方便運轉(zhuǎn)。機(jī)械化操作是現(xiàn)代工業(yè)的基本要求與屬性，學(xué)生在實驗室接觸到的機(jī)械化控制有助于培養(yǎng)其工程素質(zhì)。

生物工藝設(shè)備可以做為工廠的小試裝備，在生物工藝實驗教學(xué)中可以起到加深學(xué)生對工程設(shè)備認(rèn)識的作用。對了解工廠設(shè)備及運作打下良好基礎(chǔ)，有利于工程人才的培養(yǎng)。

5 教學(xué)方式的改革創(chuàng)新

高等教育改革的一個方向就是在實踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新。由于各高校的具體情況不一致，各專業(yè)的設(shè)置，人才培養(yǎng)方向的差異使實踐教學(xué)的改革創(chuàng)新不能按照一個模式開展。就本校生物工藝實驗來說，教學(xué)方式宜按照現(xiàn)有管理機(jī)制、設(shè)備規(guī)模、人才儲備等進(jìn)行循序漸進(jìn)式的改革。按照專業(yè)實驗的特點，開發(fā)訂單式的實驗項目內(nèi)容。隨著改革創(chuàng)新的深入，再進(jìn)一步培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才，以此實現(xiàn)教學(xué)改革的螺旋上升式發(fā)展。結(jié)合上述生物工藝實驗現(xiàn)有特點，我們認(rèn)為采取采用自主式實驗教學(xué)和將科研成果引入實驗教學(xué)的方式是可行的。

5.1 采用主動式實驗教學(xué)

過去的實驗教學(xué)基本是在教師按課本制定教案進(jìn)行的。學(xué)生在實驗過程中存在被動學(xué)習(xí)的情況，比如預(yù)習(xí)報告就是抄書。如果采用主動式實驗教學(xué)，學(xué)生通過各種方式查閱相關(guān)資料，制定相關(guān)實驗方案步驟，經(jīng)老師批閱后再進(jìn)行實驗研究。這種主動式的實驗教學(xué)能使學(xué)生對實驗進(jìn)行更深入細(xì)致的分析思考，對理論與實踐的結(jié)合、專業(yè)知識的深入掌握是非常有益的。同時有老師的把關(guān)，實驗理論和實驗技術(shù)可以得到保證。對主動式的實驗，學(xué)生更有成就感，印象更深刻，更能開拓其創(chuàng)新能力。在實驗結(jié)束時，針對主動式實驗教學(xué)進(jìn)行總結(jié)分析，深入了解每位學(xué)生對實驗的收獲和看法，（下轉(zhuǎn)第131頁）（上接第128頁）以利于下一步的改進(jìn)；同時為學(xué)生進(jìn)行答疑解惑，現(xiàn)場改正每位學(xué)生的每一個錯誤，包括知識點、操作方法等。教師要本著使學(xué)生在實驗教學(xué)中掌握并熟練應(yīng)用專業(yè)知識的目的，針對一些實驗現(xiàn)象進(jìn)行合理科學(xué)的解釋。綜上所述，我們要通過多樣的教學(xué)形式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生利用專業(yè)理論知識分析和解決實踐問題的能力。⑤

5.2 將科研成果引入實驗教學(xué)

將科研成果引入實驗教學(xué)，形成新型的實驗教學(xué)體系。⑥教學(xué)體系的針對性和完整性與學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)直接相關(guān)，同樣也決定著學(xué)生畢業(yè)后在社會上的競爭能力。在實驗教學(xué)中引入教師的研究成果，可以很好地將學(xué)與研有機(jī)地結(jié)合起來，使學(xué)生了解現(xiàn)代科技進(jìn)展情況。同時促進(jìn)教師更深入地進(jìn)行本學(xué)科的研究，拿出最新的科研成果。

總之，生物工藝實驗是一個有機(jī)的整體，因為它涉及多門學(xué)科知識。除了工藝過程周期長且復(fù)雜化外，它的實驗器材中大型化，控制方法智能化、機(jī)械化。這種獨有的特點使實驗教學(xué)更趨向工程化，能夠使工程人才素質(zhì)的培養(yǎng)得到加強(qiáng)，同時更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

*通訊作者：楊東升

注釋

①②蔣群，何麗明，張雪洪.在微生物發(fā)酵實驗教學(xué)中加強(qiáng)素質(zhì)教育[J].微生物學(xué)通報，2008.35（4）：605-607.

③ 江珩，吳雪梅.關(guān)于深化高校實驗教學(xué)改革的幾點認(rèn)識[J].中國大學(xué)教學(xué)，2005.6：42-43.

④⑥楊華，路福平，王洪玲.生物工程專業(yè)教學(xué)體系的探索與實踐[J].中國輕工教育，2006.1：56-57.

⑤ 任曉莉，佟春生，趙金安等.基于OBE的發(fā)酵工程實驗教學(xué)改革探索[J].化工高等教育，2014.31（2）：65-67，47.