王 霞，高 超，王書寧，楊春玉，馬翠卿

(山東大學(xué) 微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266237)

“發(fā)酵工程”是生物工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，具有學(xué)科交叉性、開放性、技術(shù)性和應(yīng)用性等特點(diǎn)[1]。首先，在“發(fā)酵工程”課程的學(xué)習(xí)過程中需要將生物學(xué)、化工、機(jī)械設(shè)備和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識交叉融合，這對教師的授課和學(xué)生的學(xué)習(xí)都提出了更高的要求[2]。其次，“發(fā)酵工程”課程具備的技術(shù)性和應(yīng)用性使該課程的理論知識比較抽象難懂，而所涉及的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備由于沒有實(shí)物參照，使課堂教學(xué)難以具體化[3]。因此，傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式容易使學(xué)生感到枯燥乏味，難以將理論知識應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。

針對傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來的難題，筆者將知識模塊化與混合式教學(xué)方法相結(jié)合應(yīng)用于“發(fā)酵工程”課程的教學(xué)中，以期能夠通過教學(xué)方式的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的顯著提升。知識模塊化就是根據(jù)課程內(nèi)容的不同特點(diǎn)將其進(jìn)行分類，針對不同模塊的特點(diǎn)，采用相對應(yīng)的教學(xué)模式和教學(xué)案例進(jìn)行教學(xué)，以此來實(shí)現(xiàn)對課程知識有目的的分類和有組織的教學(xué)[4-5]?；旌鲜浇虒W(xué)就是將傳統(tǒng)的教學(xué)模式與互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源有效地結(jié)合起來，并且由單一的教師教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生與教師共同參與，在發(fā)揮教師主導(dǎo)作用的同時(shí)使學(xué)生也處于主體地位，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性[6-7]。

1 “發(fā)酵工程”教學(xué)改革思路

針對“發(fā)酵工程”具有的學(xué)科交叉性、開放性、技術(shù)性和應(yīng)用性等課程特點(diǎn)以及傳統(tǒng)教學(xué)模式所具有的局限性，本論文旨在探索適合生物工程專業(yè)本科生的現(xiàn)代教學(xué)方式，利用現(xiàn)代教學(xué)理念嘗試創(chuàng)新教學(xué)方法，扭轉(zhuǎn)單一教學(xué)模式的困境，提升“發(fā)酵工程”的教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量。本論文涉及的“發(fā)酵工程”教學(xué)改革研究主要包含以下3個(gè)方面。

1.1 “發(fā)酵工程”課程教學(xué)內(nèi)容模塊化

模塊教學(xué)在課堂教學(xué)中發(fā)揮著重要作用，并且已有模塊教學(xué)成功應(yīng)用于“微生物發(fā)酵工程”等課程教學(xué)的案例中[8-9]。根據(jù)發(fā)酵工藝主線(菌種→發(fā)酵生產(chǎn)→分離純化→產(chǎn)物)，山東大學(xué)生物工程專業(yè)本科教學(xué)小組設(shè)置了“發(fā)酵工程”“生物反應(yīng)工程”和“產(chǎn)品分離工程”等專業(yè)核心課程?；谏綎|大學(xué)生物工程專業(yè)核心課程“發(fā)酵工程”的教學(xué)內(nèi)容，并參照其他院校“發(fā)酵工程”課程所涵蓋的教學(xué)內(nèi)容[8,10]，將“發(fā)酵工程”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識模塊化分割(圖1)，具體分為“發(fā)酵工業(yè)常用微生物”“發(fā)酵工業(yè)原料及其預(yù)處理”“培養(yǎng)基滅菌”“無菌空氣制備”“生物反應(yīng)器”“發(fā)酵過程質(zhì)量傳遞與質(zhì)能平衡”“微生物反應(yīng)動力學(xué)”“發(fā)酵工藝控制”及“發(fā)酵工業(yè)染菌及防治”共9個(gè)知識模塊。

圖1 “發(fā)酵工程”知識模塊分類及教學(xué)方式Fig.1 The knowledge module classification and teaching models of “Fermentation Engineering”

1.2 知識模塊的特點(diǎn)分析

分別對上述9個(gè)模塊的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并將具有共性的模塊進(jìn)行歸類。

1.2.1 基礎(chǔ)導(dǎo)入型模塊

“發(fā)酵工業(yè)常用微生物”“發(fā)酵工業(yè)原料及其預(yù)處理”和“發(fā)酵工業(yè)染菌及防治”3個(gè)模塊的內(nèi)容與“微生物學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容有交叉重疊，學(xué)生已經(jīng)在上述課程的學(xué)習(xí)中掌握了相關(guān)基礎(chǔ)知識，所以在“發(fā)酵工程”教學(xué)中將這3個(gè)知識模塊列為基礎(chǔ)導(dǎo)入型模塊。

1.2.2 工程性模塊

“培養(yǎng)基滅菌”“無菌空氣制備”和“發(fā)酵工藝控制”3個(gè)模塊中的理論知識是設(shè)備選型和工藝流程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備和工藝操作則是基礎(chǔ)知識的實(shí)際應(yīng)用，理論知識的學(xué)習(xí)不能脫離于實(shí)際發(fā)酵生產(chǎn)。因此，這3個(gè)模塊與實(shí)際發(fā)酵生產(chǎn)緊密相連，具有很強(qiáng)的工程性特點(diǎn)。

1.2.3 設(shè)備模塊

生物反應(yīng)器包含發(fā)酵主設(shè)備(如發(fā)酵罐)和附屬設(shè)備(如蒸汽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng))。該模塊主要涉及發(fā)酵設(shè)備及其附屬設(shè)備的工作原理、功能及實(shí)際操作等相關(guān)內(nèi)容，特點(diǎn)是以設(shè)備為主體，圍繞“工作原理→設(shè)備功能→實(shí)際操作”的模式開展學(xué)習(xí)，所以該模塊的設(shè)備性比較突出。

1.2.4 基礎(chǔ)理論模塊

“發(fā)酵過程質(zhì)量傳遞與質(zhì)能平衡”和“微生物反應(yīng)動力學(xué)”2個(gè)模塊側(cè)重于基礎(chǔ)理論?！鞍l(fā)酵過程質(zhì)量傳遞與質(zhì)能平衡”模塊主要涉及氣液質(zhì)量傳遞和質(zhì)能平衡兩個(gè)方面[8]。質(zhì)能平衡理論可以預(yù)測發(fā)酵過程的基質(zhì)需求量，解除基質(zhì)抑制或減少無效消耗，達(dá)到合理利用質(zhì)能的目的。該模塊知識對于發(fā)酵過程優(yōu)化控制極其重要。氣液質(zhì)量傳遞涉及發(fā)酵過程中供氧和需氧之間的平衡調(diào)控，是好氧發(fā)酵工藝調(diào)控的關(guān)鍵之一。另外，微生物代謝活動與其影響因素之間的關(guān)系是“微生物反應(yīng)動力學(xué)”模塊的重點(diǎn)，如發(fā)酵過程中微生物生長、基質(zhì)消耗及產(chǎn)物合成的速率及其影響因素之間的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程自動化控制的理論基礎(chǔ)。

1.3 建立適合不同知識模塊的教學(xué)模式

知識模塊特點(diǎn)不同，教學(xué)模式和教學(xué)案例的選取也需與之匹配。首先，根據(jù)不同知識模塊的特點(diǎn)，確定與該知識模塊相匹配的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)模式。在確定不同模塊最合適的教學(xué)模式基礎(chǔ)上，將影像資料錄制與整理、代表性教學(xué)案例選取和翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)等不同輔助方式與其匹配。將各模塊綜合整理后再探索基于知識模塊特點(diǎn)的“發(fā)酵工程”教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)模式。

2 “發(fā)酵工程”教學(xué)改革初步嘗試

基于以上教學(xué)改革思路，對“發(fā)酵工程”課堂教學(xué)進(jìn)行了改革嘗試，在教學(xué)內(nèi)容模塊化、知識模塊的特點(diǎn)分析、建立適合于模塊特點(diǎn)的教學(xué)模式并選取相關(guān)教學(xué)案例和建立基于不同知識模塊的混合式教學(xué)方案等方面進(jìn)行了探索。

2.1 基礎(chǔ)導(dǎo)入型模塊采用翻轉(zhuǎn)課堂模式教學(xué)

基礎(chǔ)導(dǎo)入型模塊包括“發(fā)酵工業(yè)常用微生物”“發(fā)酵工業(yè)原料及其預(yù)處理”和“發(fā)酵工業(yè)染菌及防治”，該模塊是以學(xué)生為中心，以主題討論和案例分析為載體，結(jié)合知識點(diǎn)設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式。

具體的實(shí)施流程如圖2(a)所示。首先，學(xué)生利用課程網(wǎng)站進(jìn)行上述3個(gè)模塊課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，教師根據(jù)這3個(gè)模塊中必須掌握的知識點(diǎn)設(shè)計(jì)一系列主題和綜合性的實(shí)踐應(yīng)用案例，如選取已有的成功案例和任務(wù)設(shè)計(jì)；然后，對學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)后準(zhǔn)備演示文稿進(jìn)行課堂展示，并開展課堂討論。在課堂討論中以學(xué)生為中心，教師為輔助，教師承擔(dān)引導(dǎo)思路和概括總結(jié)的作用。

對于上述3個(gè)基礎(chǔ)導(dǎo)入型模塊，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式后發(fā)現(xiàn)，這不僅激發(fā)了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識，能夠獨(dú)立思考、分析研判和互相學(xué)習(xí)，而且提升了學(xué)生在分析總結(jié)、學(xué)術(shù)展示、語言組織與表達(dá)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的綜合能力。

2.2 工程性模塊采用虛擬仿真模擬、可視化影像與實(shí)踐操作相結(jié)合教學(xué)模式

“培養(yǎng)基滅菌”“無菌空氣制備”和“發(fā)酵工藝控制”3個(gè)模塊的工程性比較突出，與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合緊密。如果單純依靠傳統(tǒng)多媒體課件展示和口頭講解，不僅會讓教師覺得教學(xué)內(nèi)容單調(diào)和空洞，而且很難讓學(xué)生對所學(xué)知識有深入和直觀的理解，難以吃透知識點(diǎn)，容易失去學(xué)習(xí)興趣。因此針對這3個(gè)知識模塊的工程性特點(diǎn)，采用虛擬仿真模擬、可視化影像教學(xué)與實(shí)踐操作相結(jié)合的教學(xué)模式，具體實(shí)施流程如圖2(b)所示。首先，進(jìn)行模塊相關(guān)操作流程視頻制作與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；其次，利用虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作和驗(yàn)證等，讓學(xué)生更加深刻全面地了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中涉及的原理與操作等；最后，對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有發(fā)酵罐的實(shí)際操作等進(jìn)行影像視頻資料錄制與整理，采用可視化影像教學(xué)模式，把這幾個(gè)模塊的理論知識與工程操作以形象直觀、簡單易懂、生動有趣的方式展現(xiàn)給學(xué)生。

在此基礎(chǔ)上，將“培養(yǎng)基滅菌”“無菌空氣制備”和“發(fā)酵工藝控制”3個(gè)知識模塊教學(xué)內(nèi)容從原本的課堂教學(xué)搬到實(shí)驗(yàn)室中，通過實(shí)踐操作不僅可以增加真實(shí)感，激發(fā)學(xué)生的興趣與好奇心，還可加深學(xué)生對于重要知識點(diǎn)的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。同時(shí)，將以上教學(xué)內(nèi)容制成短視頻的形式，利用慕課(MOOC)上傳至互聯(lián)網(wǎng)平臺，使學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間不拘泥于課上的時(shí)間，課下也可以實(shí)現(xiàn)課程的學(xué)習(xí)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享，有利于在規(guī)定課時(shí)內(nèi)最大限度地提升教學(xué)效率。

2.3 設(shè)備模塊采用現(xiàn)場設(shè)備講解與觀摩模式教學(xué)

“生物反應(yīng)器”知識模塊主要包括發(fā)酵設(shè)備及其附屬設(shè)備(蒸汽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng))和檢測控制元件的主要部件與功能介紹。盡管在“發(fā)酵工程”等專業(yè)核心課程開課前，生物工程專業(yè)學(xué)生已經(jīng)具備了一定的機(jī)械設(shè)備和工程制圖相關(guān)基礎(chǔ)知識，但是大部分學(xué)生未接觸過生物反應(yīng)器及其檢測控制元件。因此，采用單一的傳統(tǒng)多媒體課件展示的教學(xué)模式，學(xué)生很難將設(shè)備及其部件與其在發(fā)酵過程中的功能作用聯(lián)系在一起，課堂教學(xué)會呈現(xiàn)出抽象、難懂、枯燥和灌輸式的特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，這給教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的提升帶來很大挑戰(zhàn)。

基于以上問題，課程組將“生物反應(yīng)器”模塊的課堂多媒體展示教學(xué)模式與實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場講解與觀摩教學(xué)模式相結(jié)合進(jìn)行(圖2(c))。首先，進(jìn)行課堂知識點(diǎn)講解與設(shè)備視頻介紹；然后，帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)酵設(shè)備的現(xiàn)場講解與觀摩，通過這樣的方式，學(xué)生可以真實(shí)、直觀地了解設(shè)備及其部件在發(fā)酵過程中的作用，將枯燥難懂、抽象化的課堂圖片展示教學(xué)模式轉(zhuǎn)為積極、活躍、高效的現(xiàn)場實(shí)物設(shè)備觀摩學(xué)習(xí)；最后，通過發(fā)酵設(shè)備的實(shí)際使用與操控讓學(xué)生充分理解發(fā)酵設(shè)備及其部件在發(fā)酵過程中的功能與作用。

2.4 基礎(chǔ)理論模塊采用探究型與案例結(jié)合教學(xué)

基于“發(fā)酵過程質(zhì)量傳遞與質(zhì)能平衡”和“微生物反應(yīng)動力學(xué)”2個(gè)模塊側(cè)重于發(fā)酵過程質(zhì)量傳遞與質(zhì)能平衡理論及發(fā)酵過程動力學(xué)的基礎(chǔ)理論特點(diǎn)，如果采用單一的傳統(tǒng)多媒體教學(xué)模式，不僅使得課堂教學(xué)空洞乏味，而且學(xué)生很難做到將理論知識運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。因此，這2個(gè)模塊采用探究型與案例分析結(jié)合的教學(xué)模式，如圖2(d)所示。首先，進(jìn)行課堂知識點(diǎn)講解與學(xué)習(xí)；然后，設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)用案例，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)，總結(jié)歸納這些模塊的理論知識應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的成功案例；最后，讓學(xué)生撰寫科研小論文，分析文獻(xiàn)資料中的成功案例是如何將這些模塊的理論知識與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的，并闡述自己的觀點(diǎn)。

圖2 “發(fā)酵工程”知識模塊教學(xué)方式示意Fig.2 Schematic diagram of the teaching models for different knowledge modules “Fermentation Engineering”

探究型與案例結(jié)合的教學(xué)模式，不僅強(qiáng)化了學(xué)生對理論知識的理解，還提升了學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、歸納整理及科研論文寫作的能力。

3 教學(xué)效果體現(xiàn)

3.1 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

將“發(fā)酵工程”課程的授課內(nèi)容錄制視頻，制作了“發(fā)酵工程”課程網(wǎng)站(http:∥course.sdu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseId=5226&topMenuId=237850&action=view&type=&name=&menuType=1)，使學(xué)生在課余時(shí)間能夠進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。以學(xué)生為中心，結(jié)合知識點(diǎn)以主題討論和案例分析為載體，形成基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以使學(xué)生充分地參與到教學(xué)活動中來，成為教學(xué)過程中的主導(dǎo)者，有利于學(xué)生更加主動深入地去學(xué)習(xí)與了解課程相關(guān)內(nèi)容，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通等能力。

3.2 傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代化教學(xué)資源結(jié)合增加教學(xué)趣味性與學(xué)習(xí)渠道多樣性

使用30 L發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵流程的完整操作，將“培養(yǎng)基滅菌”“無菌空氣制備”和“發(fā)酵工藝控制”等知識模塊的操作流程錄制成視頻模塊，在課堂教學(xué)中，通過可視化影像教學(xué)模式把工程性強(qiáng)的知識模塊以形象直觀、簡單易懂、生動有趣的形式展現(xiàn)給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式與現(xiàn)代教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合，增加了教學(xué)的趣味性。這些新型的教學(xué)方式使教學(xué)內(nèi)容更加生動形象，對一些實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)能夠提前了解并且可以反復(fù)觀看，解決了教學(xué)方式單一的困境，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)利用MOOC技術(shù)的便利性使學(xué)生在課余時(shí)間也能夠進(jìn)行學(xué)習(xí)觀摩，不僅實(shí)現(xiàn)了資源的可重復(fù)利用與共享，學(xué)生也能夠有效地獲取自己感興趣的內(nèi)容，極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，并且學(xué)習(xí)渠道的增加也進(jìn)一步調(diào)動了學(xué)生深層次學(xué)習(xí)的激情，增強(qiáng)了思維模式的訓(xùn)練。

3.3 理論教學(xué)與實(shí)際操作相結(jié)合提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)

課堂上知識的講解使學(xué)生充分學(xué)習(xí)了“發(fā)酵工程”的理論內(nèi)容，現(xiàn)場設(shè)備的講解以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐使學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)了發(fā)酵工藝的整個(gè)過程，對學(xué)生來說既鞏固了他們在理論課堂上的學(xué)習(xí)成果，又可以學(xué)習(xí)到更多與實(shí)際發(fā)酵過程相關(guān)的技能，對發(fā)酵過程中設(shè)備的作用及發(fā)酵工藝有了更加清晰的認(rèn)知和更加透徹的理解，從而進(jìn)一步提高了學(xué)生的綜合能力。例如，生物工程專業(yè)本科生利用所學(xué)知識開展了“淀粉為碳源的結(jié)冷膠發(fā)酵研究”“養(yǎng)殖廢棄物微生物發(fā)酵工藝優(yōu)化”及“微生物燃料電池(MFC)對酸性發(fā)酵廢水的處理與同步產(chǎn)電研究”等多項(xiàng)科創(chuàng)競賽項(xiàng)目。其中，2018級學(xué)生題為“微生物燃料電池(MFC)對酸性發(fā)酵廢水的處理與同步產(chǎn)電研究”的項(xiàng)目研究，獲得了山東大學(xué)第十二屆大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽二等獎和第七屆山東省互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎。

4 結(jié)論

針對“發(fā)酵工程”的課程特點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)，基于生物工程專業(yè)學(xué)生的背景特點(diǎn)，本論文初步探索了適合生物工程專業(yè)本科生的現(xiàn)代教學(xué)方式。將“發(fā)酵工程”教學(xué)內(nèi)容合理模塊化，并使不同模塊之間有效銜接。探索將知識模塊化與混合式教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于“發(fā)酵工程”教學(xué)中的新模式，打破以教師講授和教材知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，提升“發(fā)酵工程”的教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量，也為其他課程教學(xué)提供一定的參考。