盧慶華，盧 俊，王 蕾

（內(nèi)蒙古科技大學 生命科學與技術(shù)學院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

內(nèi)蒙古科技大學生物工程專業(yè)立足內(nèi)蒙古、面向全國，針對發(fā)酵與生物制藥產(chǎn)業(yè)對專業(yè)人才的需求，培養(yǎng)掌握生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程核心技術(shù)有較強實踐與創(chuàng)新能力的高素質(zhì)應用型人才。近年來，專業(yè)堅持以“工程教育專業(yè)認證”理念為導向，努力為區(qū)域和社會培養(yǎng)生物發(fā)酵行業(yè)急需人才。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)越來越受到重視的新時代背景下，用人單位也更加看重大學畢業(yè)生在實際工作情境中創(chuàng)新能力的表現(xiàn)[1]。實踐教學是高校專業(yè)人才培養(yǎng)中對于工程能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對于學生在工作崗位中解決工程實際問題的創(chuàng)新能力、實踐操作能力的培養(yǎng)具有重要的意義[2]，這就對高校教師提出了新的要求，需要從教學理念與教學情境上大膽創(chuàng)新，提高學生積極性，使生物工程專業(yè)“發(fā)酵實驗”課程更適合時代發(fā)展的需要，建立適應新時代的學生培養(yǎng)模式，使學生具備在實踐中初步分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)與就業(yè)崗位“零對接”的創(chuàng)新性高能力的人才，并為學生在職業(yè)生涯發(fā)展中能打下堅實的工程基礎(chǔ)[3]。自主學習是大學生涯中重要的特征之一，激發(fā)學生的學習興趣和提升學生自主性是教學情境設(shè)計中需要重要考慮的因素之一。在內(nèi)蒙古科技大學生物工程專業(yè)課程體系中，“發(fā)酵實驗”是一門具有在應用和實踐方面很強特點的工程課程，可以說是理論知識與生產(chǎn)實踐的橋梁，對于學生在工作崗位中解決工程實際問題的創(chuàng)新能力、實踐操作能力的培養(yǎng)具有重要的意義[4]。

1 “發(fā)酵實驗”存在的問題

“發(fā)酵實驗”課程教學雖然做了很多改進，但仍存在一些問題。例如，由于實驗室面積有限，只能以小組為單位進行實驗，影響實驗效果。實驗由教師全程指導，學生易產(chǎn)生依賴性，學習興趣不濃、主動性不足，對學生創(chuàng)新能力及動手能力的培養(yǎng)尤為不利，不能達到預期的教學效果而且差距較大，導致學生缺乏主動性、積極性和團隊合作意識?；诖耍锕こ虒I(yè)已經(jīng)建成并逐漸完善的發(fā)酵實驗平臺。目前，啤酒實驗室已建成并投入使用，小型好氧發(fā)酵實驗平臺也逐步在完善，實驗設(shè)備如圖1所示。設(shè)備數(shù)量暫時不能同時滿足所有的學生，導致學生在實驗中不能同時操作，大多數(shù)學生缺乏積極主動的預習實驗的習慣，導致對實驗過程不熟悉。在發(fā)酵實驗前期開設(shè)中發(fā)現(xiàn)，即使教師在實驗反復強調(diào)實驗步驟，部分學生在操作過程中仍然不明所以。現(xiàn)階段可開展的模擬生產(chǎn)試驗項目有限，目前僅開展了基于實驗室水平的發(fā)酵實驗，學生對大型發(fā)酵設(shè)備缺少感官認識，對工業(yè)化生產(chǎn)線認識不足，缺乏對生產(chǎn)操作的訓練，無法達到學校新型應用型人才培養(yǎng)的目標[5]。因此，創(chuàng)新發(fā)酵實驗課程教學情境，對培養(yǎng)學生解決工程實際問題的創(chuàng)新能力、實踐操作能力的培養(yǎng)具重要的意義。

圖1 發(fā)酵實驗設(shè)備

發(fā)酵實驗設(shè)備見圖1。

2 虛實結(jié)合自主設(shè)計的教學情境

隨著信息技術(shù)發(fā)展，多媒體技術(shù)與虛擬實驗平臺技術(shù)的更加成熟，也愈加結(jié)合和應用到實踐類教學過程中[6]。在實踐教學中不斷的摸索，從早期的手動操作到教學視頻和動手操作相結(jié)合，再到視頻、仿真和實操相結(jié)合。最終將教學視頻、虛擬仿真實驗平臺、自主設(shè)計和實操相結(jié)合的教學情境應用于發(fā)酵實驗中。通過制作實驗過程教學小視頻，利用網(wǎng)絡共享資源，打造虛實結(jié)合自主設(shè)計的教學情境。在教學過程中仍然以實操為主，因為在實操過程中學生可真實地感受到發(fā)酵產(chǎn)生過程是什么樣的，視頻和仿真只是頭腦中的概念，沒有真實感，在實操中可能會發(fā)生意想不到的問題需要學生去解決，學生在實操中不僅能學會對工藝流程的操作，還能提高解決突發(fā)問題的能力。所以，采用了這種“以虛補實、虛實結(jié)合”的教學方式[6]。

2.1 制作教學視頻，讓學生提前熟悉實驗過程

把實驗的操作單元錄制成小視頻，上傳到一些網(wǎng)絡平臺，在實驗開設(shè)之前學生先通過視頻學習來了解實驗內(nèi)容和過程。目前，啤酒生產(chǎn)工藝流程的小視頻已入選由吉林大學主編、多校聯(lián)合建設(shè)的“生物學實驗基本技術(shù)與方法”數(shù)字課程。這些視頻的展示，能較全面地顯示實驗操作過程和細節(jié)，學生還可在實驗結(jié)束后進行反復學習鞏固實驗內(nèi)容和操作，這樣能更有效地幫助其掌握實驗內(nèi)容和實驗操作[7-8]。

啤酒生產(chǎn)視頻見圖2，啤酒品鑒視頻見圖3，好氧發(fā)酵操作視頻見4。

圖2 啤酒生產(chǎn)視頻

圖3 啤酒品鑒視頻

圖4 好氧發(fā)酵操作視頻

通過提前對實驗內(nèi)容的視頻學習，學生會有更多的時間交流，解決疑惑、鞏固學習內(nèi)容。還可以通過協(xié)作的方式拓展設(shè)計模擬生產(chǎn)綜合實驗，產(chǎn)生新想法，擴展學生的創(chuàng)新思維和提升他們的創(chuàng)新能力[9]。

2.2 利用國家虛擬仿真平臺激發(fā)學生學習興趣

虛擬仿真實驗平臺是利用信息化技術(shù)來實現(xiàn)對實驗原理內(nèi)容、實驗耗材與儀器、實驗對象、實驗操作及實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的模擬仿真[8，10]。利用計算機營造與現(xiàn)場實景相似的畫面與空間，以達到輔助部分或全部替代傳統(tǒng)實驗操作環(huán)境的軟硬件環(huán)境。利用虛擬仿真實驗平臺可極大地提高學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學生的實際操作能力。

目前，國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺中能夠用于生物工程實驗教學的已經(jīng)有50 多個，特別符合發(fā)酵實驗的有白酒、啤酒，抗生素、燃料乙醇等。可利用國家虛擬仿真平臺，完成與發(fā)酵生產(chǎn)相關(guān)的實驗項目。同時，學院生物工程系與東方仿真合作完成了阿維菌素生產(chǎn)的仿真模擬。學生可對整個工藝流程中的各個環(huán)節(jié)反復操作訓練，且可通過“試錯”來了解“后果”，在實際操作中提高規(guī)范生產(chǎn)和安全意識[11]。

2.3 打造教學視頻、虛擬仿真、自主設(shè)計和實操相結(jié)合的“組合拳”教學情境

①課前視頻學習，了解實驗內(nèi)容和教學情境。②學生在教師的指導下查閱文獻，初步設(shè)計實驗方案，進一步結(jié)合仿真模擬實驗。通過仿真實驗模擬現(xiàn)場發(fā)酵生產(chǎn)過程，激發(fā)學生的求知欲。③上罐發(fā)酵，發(fā)酵過程控制，發(fā)酵成熟之后進行產(chǎn)品檢測，使學生更好地掌握發(fā)酵單元操作及產(chǎn)品分析，突出實踐能力培養(yǎng)。

發(fā)酵實驗教學方法見圖5。

圖5 發(fā)酵實驗教學方法

虛實結(jié)合自主設(shè)計相結(jié)合的教學方法，是在傳統(tǒng)的教師講授、學生操作的基礎(chǔ)上，充分利用多媒體及網(wǎng)絡平臺等現(xiàn)代化教學手段，提高教學效率，強化學生對發(fā)酵知識的掌握。同時，把設(shè)計研發(fā)的成果轉(zhuǎn)化為真正的產(chǎn)品，提升了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新動力。創(chuàng)新和發(fā)展了發(fā)酵工程類課程實驗教學情境，把傳統(tǒng)的實驗教學方式轉(zhuǎn)向虛實結(jié)合的教學新模式。體現(xiàn)“玩中學”“做中學”，通過教學視頻和仿真模塊激發(fā)了學生的興趣并提高學生的動手能力。

3 教學效果

創(chuàng)新實驗課程教學情境不僅能夠彌補學生學習狀態(tài)不佳和實踐設(shè)備不足的缺點，利用建設(shè)視頻學習和國家開放虛擬仿真平臺，夯實學生對發(fā)酵實驗原理和實踐操作技能的理解和掌握，還可避免在真實實驗中由于操作失誤導致的安全問題[6]。通過打造教學視頻、虛擬仿真、自主設(shè)計和實體實驗相結(jié)合的“組合拳”這種教學情境，使學生解決工程實際問題的創(chuàng)新能力、實踐操作能力都得以提升。這種“組合拳”方式的教學情境，也能解決學生在實驗過程中對教師全程指導的依賴、學習興趣不濃、主動性不足的問題。通過校內(nèi)學生對課程的滿意度調(diào)查發(fā)現(xiàn)，98%的學生對“發(fā)酵實驗”的教學方式非常滿意，調(diào)查結(jié)果分析見圖6。學生的實驗成績也比較理想，通過課程目標達成度分析可知，3 個課程目標的達成情況都在85%以上。

圖6 問卷調(diào)查結(jié)果

問卷調(diào)查結(jié)果見圖6。

“發(fā)酵實驗”課教學體系及內(nèi)容的改革得到了學生們的認可，讓學生真正成為了實驗的主角[12]、學習的主體。線上線下和自主設(shè)計的結(jié)合，使每個學生都能真正參與到實驗中來，通過虛實結(jié)合自主設(shè)計，把最新的前沿知識傳遞給學生，不僅提高了實驗教學質(zhì)量，還提升了學生的自主學習和創(chuàng)新能力[13]。