微生物學(xué)課程教學(xué)中新工科思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

高玉榮，李大鵬，宋俊梅，蔣慧慧，方 舒，張鳳琴

（巢湖學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽合肥238000）

我國社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正處于加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、推動工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)快速調(diào)整升級的關(guān)鍵時期，積極推進(jìn)新工科工程教育改革對促進(jìn)我國社會進(jìn)步和地方高校轉(zhuǎn)型發(fā)展具有非常重要的意義[1]。同時，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)結(jié)構(gòu)的變化，生產(chǎn)企業(yè)對高層次工程技術(shù)應(yīng)用型人才的需求也逐漸擴(kuò)大[2]。因此提升本科生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力成為地方應(yīng)用型本科高校的重要任務(wù)。

“微生物學(xué)”是高等本科院校生物制藥專業(yè)重要的專業(yè)必修課，兼具理論性和實(shí)踐性[3]。微生物學(xué)課程的理論教學(xué)內(nèi)容繁雜，邏輯性較差，極易讓學(xué)生感到零散、抽象和枯燥[4]。另外該課程理論性較強(qiáng)，很難讓學(xué)生聯(lián)系到生物制藥生產(chǎn)的實(shí)際，教師主要采用“灌輸式”的教學(xué)方法，學(xué)生比較被動，這些使得微生物學(xué)課程的教學(xué)模式和教學(xué)效果不能滿足工科思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。國內(nèi)目前在微生物學(xué)課程教學(xué)改革方面的研究比較分散，有的研究課程內(nèi)容體系方面，有的研究教學(xué)方法和手段，也有的研究課程考核方式方法。國外對于微生物學(xué)課程的教學(xué)改革主要集中在教學(xué)內(nèi)容上，注重把最新的研究成果講授給學(xué)生，使學(xué)生始終能接觸到學(xué)科最前沿的動態(tài)。另外，在發(fā)達(dá)國家，其實(shí)驗室的開放程度很高，教師在教學(xué)中十分注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和實(shí)驗設(shè)計能力，這些是我們在“微生物學(xué)”課程教學(xué)上需要重點(diǎn)借鑒的[5]。為了適合新工業(yè)革命與新工科發(fā)展的趨勢，針對巢湖學(xué)院生物制藥專業(yè)的專業(yè)設(shè)置和本校學(xué)生的特點(diǎn)，在總結(jié)前期教學(xué)改革研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，從整體上對生物制藥專業(yè)的“微生物學(xué)”課程的理論教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)效果評價體系進(jìn)行系統(tǒng)的研究與優(yōu)化。

1 優(yōu)化課程內(nèi)容——教學(xué)內(nèi)容的刪與增

生物制藥專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課主要有普通生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)與基因工程、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)概論等，開設(shè)的專業(yè)課主要有發(fā)酵工程、生物制藥工藝學(xué)、藥物分離工程、藥物化學(xué)、藥物分析及藥廠車間設(shè)計與設(shè)備等[6]。授課教師先應(yīng)研究微生物學(xué)課程與生物制藥專業(yè)開設(shè)的其他課程之間的關(guān)系，避免與先行課程的內(nèi)容重復(fù)，又為后續(xù)相關(guān)課程留有余地，突出本課程的特色，進(jìn)行授課內(nèi)容體系的優(yōu)化。

1.1 教學(xué)內(nèi)容的刪減

巢湖學(xué)院生物制藥專業(yè)的微生物學(xué)課程使用是由周德慶編著的《微生物學(xué)教程》[7]，該教程結(jié)構(gòu)較完整，內(nèi)容較全面。教師在授課過程中考慮到該課程與生物制藥專業(yè)先行開設(shè)的其他課程的關(guān)系，對教材的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減。以該教材的第五章微生物的新陳代謝為例。教材中該章安排了四節(jié)內(nèi)容，即“第一節(jié)微生物的能量代謝、第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系、第三節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)、第四節(jié)代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用”，其中第一節(jié)和第二節(jié)內(nèi)容與先行開設(shè)的“生物化學(xué)”課程中的內(nèi)容有重復(fù)，因此刪除了這兩節(jié)內(nèi)容，只講“微生物的代謝調(diào)節(jié)”和“代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用”。通過以上對授課內(nèi)容的調(diào)整，即避免了與先行課程內(nèi)容的重復(fù)，又使授課重點(diǎn)更突出。

1.2 教學(xué)內(nèi)容的拓展

在微生物學(xué)課程授課過程中，緊密圍繞生物制藥專業(yè)的特點(diǎn)及今后相關(guān)專業(yè)課程對微生物學(xué)理論知識的需要，對教材中的部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了拓展。

在第一堂課“緒論”中，突破教材結(jié)構(gòu)，根據(jù)專業(yè)教學(xué)需要，對課程的重要性及微生物與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行了拓展。增加了第一節(jié)“課程簡介”，在其中安排了課程主要內(nèi)容、課程的重要性、教學(xué)思想、如何學(xué)習(xí)等方面的內(nèi)容，重點(diǎn)突出了微生物在抗生素等生物藥物生產(chǎn)中的重要作用，使學(xué)生深刻認(rèn)識到本課程對今后學(xué)習(xí)和工作的重要性。在講授第二節(jié)“微生物及人類對微生物世界的認(rèn)識史”中關(guān)于“微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的進(jìn)步”部分內(nèi)容時，列舉了抗生素、抗菌肽及醫(yī)用酶制劑等大量利用微生物生產(chǎn)的醫(yī)藥產(chǎn)品?？紤]到藥食同源的問題還增加了微生物與食品工業(yè)的關(guān)系，講解了傳統(tǒng)發(fā)酵食品、食品級酶制劑、發(fā)酵生產(chǎn)的食品添加劑、功能性發(fā)酵食品等內(nèi)容。

在講授第二章“真核微生物的形態(tài)、構(gòu)造和功能”的第三節(jié)“絲狀真菌-霉菌”內(nèi)容時，考慮到產(chǎn)黃青霉是發(fā)酵生產(chǎn)青霉素的一類放線菌，而且某些霉菌也是生產(chǎn)功能性成分及功能性食品的一類重要微生物，因此補(bǔ)充講解了曲霉、根霉、毛霉和青霉等四種霉菌的形態(tài)特征、繁殖方式和用途。

在講授第三章“病毒和亞病毒因子”內(nèi)容時，考慮到生物制藥過程中用到的放線菌容易污染噬菌體，在講解噬菌體的形態(tài)、噬菌體的增殖方式的基礎(chǔ)上，拓展了噬菌體包括烈性噬菌體和溫和噬菌體的檢查方法、放線菌是否污染噬菌體的簡單實(shí)用快速的判斷方法。針對目前防病治病所用抗生素的局限性及副作用較大等危害，結(jié)合病毒專一性的特點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生思考“除了利用常規(guī)的用抗生素、中藥中抑菌殺菌的物質(zhì)等防治感染性疾病，有沒有其他方法？”，通過問題的提出，引導(dǎo)學(xué)生得出可以用針對某種病原菌的病毒來防控由該病原菌引起的感染性疾病這一新方法。并將這種新方法推論到可以利用某種病毒代替防腐劑來控制食品腐敗及食源性疾病的發(fā)生。

在講授第四章“微生物的營養(yǎng)和培養(yǎng)基”中的鑒別性培養(yǎng)基時，補(bǔ)充了通用的特殊鑒別培養(yǎng)基，主要講解了添加酸堿指示劑來設(shè)計產(chǎn)酸菌的鑒別培養(yǎng)基、添加底物來設(shè)計產(chǎn)酶菌的鑒別培養(yǎng)基，并重點(diǎn)講解了添加指示菌來設(shè)計產(chǎn)抗生素等抗菌物質(zhì)的鑒別培養(yǎng)基。

對于第五章“微生物的新陳代謝”的“代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用”部分，《微生物學(xué)教程》中只給出了通過育種等手段改良微生物增加其通透性等方法。但在生物醫(yī)藥產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，除了改良菌種，也能通過分離目標(biāo)產(chǎn)物（一邊發(fā)酵一邊將產(chǎn)物分離的耦合發(fā)酵）等方法調(diào)控微生物的代謝。因此增加了菌種不變的前提下，在發(fā)酵過程中進(jìn)行微生物代謝調(diào)節(jié)的方法[8]。

在講授第六章“微生物的生長及其控制”中第五節(jié)“有害微生物的控制”部分的抗生素內(nèi)容時，以目前發(fā)現(xiàn)的“產(chǎn)NDM-1耐藥細(xì)菌”為例，結(jié)合“超級細(xì)菌”及其形成的主要原因包括環(huán)境衛(wèi)生死角、濫用抗生素和基因突變[9]等知識，強(qiáng)調(diào)抗生素濫用的危害。

2 通過案例培養(yǎng)學(xué)生工程化理念及思維方式

為了培養(yǎng)學(xué)生工程化的理念，教師在微生物學(xué)的授課過程中深度挖掘各章節(jié)知識點(diǎn)與生物制藥領(lǐng)域生產(chǎn)過程的關(guān)系，針對各章節(jié)知識點(diǎn)，均會設(shè)計1～2個與生物制藥生產(chǎn)過程相關(guān)的案例，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，并啟發(fā)學(xué)生通過思考得出答案，不僅加深了學(xué)生對知識的掌握，而且培養(yǎng)了學(xué)生工程化的理念及思維方式。例如，在微生物學(xué)“緒論”中講到科赫法則時，先詳細(xì)講解科赫法則的原則，然后設(shè)計與生物醫(yī)藥生產(chǎn)相關(guān)的案例“判斷引起抗生素發(fā)酵失敗的污染菌的方法”。按照科赫法則的理論很容易得出以下方法：①首先取污染的抗生素發(fā)酵液，用顯微鏡觀察雜菌的形態(tài)；②平板分離單菌落并觀察菌落特征；③將單菌落接種到新鮮的無菌抗生素發(fā)酵液中，觀察是否會引發(fā)相同的染菌現(xiàn)象；④如果能引發(fā)相同的污染現(xiàn)象，則再進(jìn)行單菌落的純培養(yǎng)，并將其再接種到無污染的抗生素發(fā)酵液中，如果能引發(fā)相同的污染現(xiàn)象，那么可以確定分離出的雜菌就是導(dǎo)致抗生素發(fā)酵失敗的污染菌。通過以上案例的設(shè)計和啟發(fā)，加深了學(xué)生對科赫法則的理解，也提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)了學(xué)生工程化的理念和思維方式。又如，在講到第一章“原核微生物的形態(tài)、構(gòu)造和功能”中噬菌體的分類（烈性噬菌體和溫和型噬菌體）時，為了培養(yǎng)學(xué)生在生物制藥的實(shí)際生產(chǎn)中解決實(shí)際問題的能力，設(shè)計了對應(yīng)的案例“在利用放線菌生產(chǎn)抗生素的過程中判斷是否污染了噬菌體”，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)兩種噬菌體的特點(diǎn)得出相應(yīng)的方法。即先通過平板或裂解澄清實(shí)驗檢查是否有烈性噬菌體，如果沒有烈性噬菌體，還應(yīng)通過誘導(dǎo)裂解后繼續(xù)檢查是否有溫和型噬菌體。

3 通過目標(biāo)任務(wù)的設(shè)計提高學(xué)生的工程學(xué)理念和創(chuàng)新能力

教師在教學(xué)過程中，以工程化創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，針對各章節(jié)的知識點(diǎn)設(shè)計與實(shí)際生產(chǎn)緊密相關(guān)的目標(biāo)任務(wù)，在指導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)的過程中提高學(xué)生的工程學(xué)理念和創(chuàng)新能力。

例如，在講授第六章“微生物的生長及其控制”中的“單細(xì)胞微生物的典型生長曲線”的理論知識后，設(shè)計了與制藥生產(chǎn)緊密相關(guān)的情境“利用紅酵母發(fā)酵生產(chǎn)蝦青素的過程中，必須先繪制生長曲線，再利用該生長曲線來指導(dǎo)生產(chǎn)”。在此基礎(chǔ)上提出目標(biāo)任務(wù)“設(shè)計生長曲線的測定方法及對生長曲線各階段的控制方法”。通過目標(biāo)任務(wù)的完成，使學(xué)生深入理解了單細(xì)胞微生物典型生長曲線的概念、測定方法及其重要性，同時使學(xué)生掌握在發(fā)酵產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過程中對微生物生長各階段的控制方法。

在講授第六章第四節(jié)“微生物培養(yǎng)法概論”后設(shè)計目標(biāo)任務(wù)“設(shè)計微生物發(fā)酵法制備青霉素微生物培養(yǎng)及發(fā)酵過程”。學(xué)生通過設(shè)計青霉素生產(chǎn)菌產(chǎn)黃青霉菌的斜面培養(yǎng)及活化過程、菌種擴(kuò)大培養(yǎng)過程、接種及發(fā)酵過程，深刻理解并掌握了在抗生素的好氧發(fā)酵過程中菌種的制備及發(fā)酵工藝過程。

教師在授課過程中針對每章內(nèi)容均會設(shè)計與專業(yè)相關(guān)的目標(biāo)任務(wù)，通過目標(biāo)任務(wù)的設(shè)計和完成，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

4 結(jié)束語

在教學(xué)過程中，為了更好地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，對課程的考試內(nèi)容和評價方法也要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。比如，編制科學(xué)合理的微生物學(xué)試題庫，注重擴(kuò)大命題的知識面，使試題類型不僅涵蓋選用教材和授課內(nèi)容，同時兼顧學(xué)科的最新進(jìn)展。在成績評定中可以采取綜合成績評定模式，除常規(guī)的卷面成績、出勤、課堂提問和作業(yè)成績之外，增加了目標(biāo)任務(wù)完成情況環(huán)節(jié)的評定。

總之，為了培養(yǎng)具有新工科思維和創(chuàng)新能力的生物制藥專業(yè)人才，對微生物學(xué)課程授課內(nèi)容體系進(jìn)行了優(yōu)化，使教學(xué)內(nèi)容更貼合專業(yè)生產(chǎn)實(shí)際；通過與實(shí)際生產(chǎn)密切相關(guān)的案例和目標(biāo)任務(wù)的設(shè)計，加深學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生工程化的理念及思維方式。實(shí)踐證明，通過以上教學(xué)改革措施，可進(jìn)一步提高生物制藥專業(yè)新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足目前生物制藥行業(yè)發(fā)展的需要。