創(chuàng)新設(shè)計型生物工程工藝大實驗研究

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目前，我國高等教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面仍存在諸多限制，如應(yīng)試教育、教學(xué)內(nèi)容陳舊、以教材為中心的教學(xué)方法和單一考核方式等［1］。針對這些問題，在高等教育改革中，需要循序漸進(jìn)，不斷地改革教育觀念和教育方法，從而提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質(zhì)量。生物工程專業(yè)，是進(jìn)行生物技術(shù)和工程工藝的理論和技能的培訓(xùn)，培養(yǎng)從事生物發(fā)酵、制藥以及環(huán)境生物處理和食品加工等過程和設(shè)備的生產(chǎn)、研究、開發(fā)、設(shè)計等的高級工程技術(shù)人才，是技術(shù)性、綜合性和通用性都很強的專業(yè)。為了強化大學(xué)生對所學(xué)的系統(tǒng)性專業(yè)知識的掌握，并提高他們的工程實踐能力，提升其實踐操作環(huán)節(jié)分析問題和解決問題的能力，江南大學(xué)生物工程學(xué)院對三年級即將結(jié)束的學(xué)生，進(jìn)行工藝大實驗的綜合培訓(xùn)與指導(dǎo)。雖然工藝大實驗?zāi)軌蛱嵘龑W(xué)生對生物工程專業(yè)知識的系統(tǒng)掌握，提高他們的工程實踐能力，但仍存在一些有關(guān)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力和獨立思考能力方面的問題。如大工藝實驗采用的工藝流程和技術(shù)參數(shù)都是按照工業(yè)生產(chǎn)實際情況而制定的，學(xué)生沒有參與設(shè)計，所以他們獨立思考的空間較少［6］。為了加強學(xué)生的動手能力，拓展他們的獨立思考空間，對大工藝實驗的教學(xué)方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用多種原料工藝的中試大實驗，增加了自選原料設(shè)計并制作新產(chǎn)品、以小組為單位的設(shè)備操作現(xiàn)場考核和綜合實驗PPT展示的專家考核的內(nèi)容，從而形成了以學(xué)生獨立思考、獨自操作和獨立演講匯報為核心的創(chuàng)新設(shè)計型工藝大實驗教學(xué)方案。

1新工藝大實驗的教學(xué)內(nèi)容

我校制定的工藝大實驗包括厭氧發(fā)酵生產(chǎn)實驗和好氧通風(fēng)發(fā)酵生產(chǎn)實驗兩大類，其中，厭氧生產(chǎn)實驗是啤酒或黃酒的制作，而好氧通風(fēng)實驗是檸檬酸、氨基酸或是一些重組菌的發(fā)酵生產(chǎn)。為期3周的內(nèi)容包括:原料的分析檢測，發(fā)酵過程各個參數(shù)的跟蹤檢測，發(fā)酵產(chǎn)品的分析或品評等。為了增強學(xué)生獨立思考和設(shè)計的能力，強化對生產(chǎn)工藝和控制參數(shù)的認(rèn)識，在教學(xué)方案中，增加了自選原料設(shè)計并制作新產(chǎn)品的實驗內(nèi)容和以小組為單位進(jìn)行匯報展示的新考核方式。

1.1工藝大實驗的任務(wù)與安排

啤酒釀造工藝大實驗的主要內(nèi)容包括200L啤酒釀造的綜合實驗、啤酒酵母的分離保藏和鑒定、啤酒原料分析比較綜合實驗和自選原料的特色啤酒釀造實驗4大模塊。200L啤酒釀造周期較長，為期3周，包括菌株活化、擴(kuò)培、原料的預(yù)處理和發(fā)酵過程監(jiān)測等，要求每組成員，進(jìn)行合理安排，分工合作，使各個模塊能夠相互協(xié)同。每個小組包括4位同學(xué)，自行安排各個實驗的時間和設(shè)計實驗方案，他們在這3周均必須保持較高的工作強度，才能順利完成既定的實驗任務(wù)。此外，為了使實驗內(nèi)容能夠順利進(jìn)行，安排研究生助教協(xié)助解決學(xué)生遇到的問題。

1.2中試規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)實驗

200L啤酒釀造的中試生產(chǎn)實驗是采用一套半自動化啤酒釀造設(shè)備，模擬現(xiàn)代啤酒的釀造工藝。進(jìn)行中試生產(chǎn)實驗事實，將2～3個小組合并為一個大組，每個大組選擇一個獨特的原料配方進(jìn)行實驗，包括純大麥麥芽、焦香麥芽(黑啤)、大麥麥芽與小麥麥芽混合、大麥麥芽和青稞芽混合、添加不同輔料(大米、玉米淀粉或加玉米糖漿)等原料使用方案。這些方案的應(yīng)用，使學(xué)生能夠掌握不同類型啤酒的釀造工藝，同時認(rèn)識不同啤酒釀造原料對啤酒質(zhì)量和口感的影響。中試生產(chǎn)的實驗任務(wù)包括酵母擴(kuò)培培養(yǎng)基制作、酵母擴(kuò)培、發(fā)酵罐設(shè)備的清洗、原料和輔料的處理、釀造過程的設(shè)備操作和發(fā)酵過程的參數(shù)監(jiān)測等。每天跟蹤檢測的指標(biāo)包括啤酒酵母細(xì)胞數(shù)、啤酒酵母芽生率、雙乙酰含量、發(fā)酵液外觀，發(fā)酵后期增加分析酒精度、發(fā)酵度和高級醇酯等。從酵母培養(yǎng)到啤酒發(fā)酵成熟，一般為期3周，實驗內(nèi)容涉及菌株、原料、設(shè)備和發(fā)酵工藝及最后階段的口感品評。涵蓋啤酒釀造的各方面，包含微生物學(xué)、發(fā)酵工業(yè)分析、發(fā)酵設(shè)備以及釀酒工藝學(xué)等學(xué)科知識，具有綜合性和實踐操作性較強的教學(xué)特色。

1.3輔助實驗在新教學(xué)方案中應(yīng)用

工藝大實驗過程中，同時安排了有關(guān)菌株和原料的輔助實驗，加強學(xué)生對工業(yè)原料和工業(yè)分析指標(biāo)的認(rèn)識，包括啤酒酵母的分離、低雙乙酰酵母篩選以及酵母保藏;啤酒原料的水分、淀粉含量分析、無水浸出率分析以及協(xié)定糖化和協(xié)定麥汁的分析等。此外，重新對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)性的理論指導(dǎo)，即通過PPT演示講解啤酒酵母和原料的相關(guān)知識等。通過這兩個模塊的實驗，不但鍛煉了學(xué)生對微生物原輔料的分析操作能力，同時加強了學(xué)生對啤酒酵母菌管理和啤酒原輔料指標(biāo)控制的認(rèn)識。

1.4新產(chǎn)品的設(shè)計與制作

經(jīng)過以上的教學(xué)方案，能夠幫助學(xué)生掌握現(xiàn)有的啤酒釀造的綜合知識，但是這些知識體系較為固定，學(xué)生的學(xué)習(xí)主要以操作為主，仍不能靈活應(yīng)用。為了加強他們的創(chuàng)新能力，新的教學(xué)方案增加了自選原料制作新產(chǎn)品的實驗?zāi)K，即以小組為單位，討論并設(shè)計新產(chǎn)品，選擇合適原料，制定相應(yīng)的工藝，進(jìn)行小型實驗，并進(jìn)行考評。新產(chǎn)品的設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，自主選擇特色原材料，定位獨特的產(chǎn)品。此外，學(xué)生需要將新原料與新工藝相互匹配，達(dá)到熟悉和掌握工藝參數(shù)的目的。在啤酒釀造實驗中，學(xué)生制作的新產(chǎn)品，風(fēng)格豐富多樣，如香醇豐富的桂花蜂蜜啤酒、色彩鮮艷的玫瑰啤酒、果味突出的蘋果啤酒和咖啡香味的咖啡啤酒等。在這種創(chuàng)新教學(xué)方案中，學(xué)生的主動性被充分調(diào)動，通過獨立思考，應(yīng)用所學(xué)知識，創(chuàng)造了全新產(chǎn)品，在短時間內(nèi)較好地培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。

2工藝大實驗的創(chuàng)新考核方式

對實驗教學(xué)效果進(jìn)行考核時，傳統(tǒng)實驗報告的考核方式存在諸多缺點，不能使學(xué)生再次系統(tǒng)性地回顧各個實驗環(huán)節(jié)的原理和內(nèi)容，也不能評價學(xué)生掌握相關(guān)知識的熟練程度。我們改進(jìn)這種大工藝實驗的考核方式，包括實驗過程中的自選原料設(shè)計新產(chǎn)品的匯報環(huán)節(jié)、新產(chǎn)品口感品評與打分的環(huán)節(jié)和發(fā)酵設(shè)備操作技能的現(xiàn)場考核環(huán)節(jié)以及實驗結(jié)束后的綜合匯報考核。新產(chǎn)品設(shè)計的匯報考核，重點考查學(xué)生對原料選擇的合理性、原料預(yù)處理工藝的正確性和新產(chǎn)品制作的可行性。通過這一個環(huán)節(jié)的匯報，不但修正了學(xué)生在新產(chǎn)品設(shè)計出現(xiàn)的一些錯誤，同時考查學(xué)生對專業(yè)知識掌握程度。新產(chǎn)品的口感品評考核，則對學(xué)生制作的產(chǎn)品在色、香、味方面進(jìn)行綜合感官評價，考核產(chǎn)品的創(chuàng)新性?，F(xiàn)場設(shè)備操作考核，了解學(xué)生對發(fā)酵設(shè)備熟練程度。最終的綜合考評，則在5－8分鐘內(nèi)。以小組為單位，用PPT展示為期3周的所有實驗內(nèi)容和結(jié)果，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠懻摵涂偨Y(jié)，最后由老師專業(yè)點評和提問。通過該環(huán)節(jié)的考核，有效檢驗了學(xué)生的專業(yè)知識和創(chuàng)新能力。優(yōu)秀的學(xué)生能夠很好地掌握并應(yīng)用已學(xué)過的專業(yè)知識，清晰展示他們的新產(chǎn)品設(shè)計與制作過程;而一些表現(xiàn)較差的學(xué)生，往往只是學(xué)會了部分操作步驟和簡單的工藝。所以，這種新的實驗教學(xué)考核方式，能夠檢驗學(xué)生的實驗效果，客觀反映學(xué)生對知識的掌握情況，且提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

3新教學(xué)方案的成效

3.1解決了一些常見的實驗教學(xué)問題

實驗教學(xué)對提高大學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新意識具有重要的意義，然而我國高校實驗教學(xué)仍存在著諸多問題，例如實驗教學(xué)缺乏獨立的教學(xué)地位、缺乏整體性和缺乏科學(xué)的實驗考核體系等。此外，實驗教學(xué)普遍采用現(xiàn)有的實驗步驟和參考書，實驗教學(xué)側(cè)重于實驗操作方法的訓(xùn)練，并未涉及問題引導(dǎo)性的自主設(shè)計實驗，難以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。采用新的創(chuàng)新設(shè)計型工藝大實驗的教學(xué)方案，能夠解決這些常見的實驗教學(xué)問題。

1)工藝大實驗具有獨立教學(xué)的地位，其對象是經(jīng)過3年學(xué)習(xí)的大三學(xué)生，采用獨立性實驗教學(xué)，具有綜合性的特征。

2)工藝大實驗內(nèi)容豐富，模擬工業(yè)生產(chǎn)過程，各個實驗環(huán)節(jié)相互補充，具備知識綜合性和教學(xué)完整性的特征。而在考核環(huán)節(jié)，以學(xué)生小組展示為主導(dǎo)，老師的點評為輔，能夠科學(xué)地檢驗學(xué)生對綜合知識體系掌握的熟練程度。

3)新產(chǎn)品的設(shè)計與制作，融合到工藝大實驗中，鍛煉學(xué)生獨立思考和靈活應(yīng)用知識的能力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。所以，新教學(xué)方案以工業(yè)生產(chǎn)操作技能與創(chuàng)新設(shè)計能力并重的實驗教學(xué)手段，解決實驗教學(xué)中普遍存在的教學(xué)問題，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提升他們的專業(yè)技能和創(chuàng)新觀念，顯著提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

3.2顯著提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是高效教學(xué)的基本目標(biāo)［12］。經(jīng)過系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論知識學(xué)習(xí)之后，通過綜合性較強的工藝大實驗，強化學(xué)生的專業(yè)知識。同時，增加他們的專業(yè)實踐能力，是非常必要的，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要途徑。在為期3周的工藝大實驗中，學(xué)生每天都必須完成多個實驗項目，包括化學(xué)分析、微生物操作和設(shè)備操作等，其內(nèi)容豐富，涉及面廣。經(jīng)過反復(fù)的實驗訓(xùn)練，使學(xué)生能夠熟能生巧，將積累的實驗知識應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計和制作過程中;使學(xué)生切實體會所學(xué)知識，包括理論知識、工藝參數(shù)、設(shè)備布局和員工管理等。經(jīng)過工藝大實驗之后，學(xué)生也總結(jié)了許多收獲和體會，比如在實驗過程中團(tuán)隊協(xié)作和有效溝通的重要性，虛心求教和碰到難題不妥協(xié)的態(tài)度，對實驗過程保持足夠的細(xì)心且對不可預(yù)期的結(jié)果要保持信心、重新認(rèn)識專業(yè)知識學(xué)習(xí)的重要性等。

4結(jié)束語

創(chuàng)新設(shè)計型工藝大實驗的教學(xué)方式，提高了學(xué)生專業(yè)實踐能力，同時也極大提升了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是一種具有推廣意義的新的工藝大實驗教學(xué)模式。

作者：朱林江 鄭飛云 李永仙 李崎 單位：江南大學(xué)生物工程學(xué)院