发酵与酶工程实验教学模式的改革与实践*

张少平，梁盛年

(1 肇庆学院食品与制药工程学院，广东 肇庆 526061；
2 肇庆学院生命科学学院，广东 肇庆 526061)

发酵与酶工程做为生物工程、生物技术和食品等专业的基础必修课，是一门实践性极强的专业课程，发酵与酶工程与生产实际联系紧密。发酵与酶工程实验选用科学的实验内容，合理的实验教学模式对于理论的学习非常重要，肇庆学院做为地方性本科院校，主要目的是培养应用性人才，服务地方经济。发酵与酶工程实验教学不仅要有助于增强理论课程的教学效果，突出实践性与应用性强的特点，而且有利于提高学生的动手能力及解决生产实际问题的创新思维能力。而目前的现状是传统的发酵与酶工程实验教材中的每个实验都是相对独立，实验内容内容关联度不高，相对孤立的实验，彼此缺乏相关性，不利于培养学生综合思维及养成独立思考、解决问题的能力。而且由于实验内容陈旧，实验内容中验证性实验多，设计性，综合性实验少，无法充分调动学生的积极性，最终导致实验效果较差，达不到预期的教学效果[1-2]。实验型课程传统的评价方式是依据考勤，实验报告来确定实验成绩，但在教学实践中经常发现实验过程中动手能力较差，甚至应付实验的同学通过抄袭实验报告从而获得好成绩，这样导致实验成绩缺乏区分度，导致优秀学生与较差的学生成绩相差不大，不利于调动学生的积极性。针对教学中出现的这种情况，我们改革实验内容，通过综合性实验并结合设计性实验在发酵与酶工程实验课程教学上进行了探索和实践，并针对综合性设计性实验的特点设计了相应的实验考核机制。提高了学生的兴趣，提高了学生的学习效果，以下我们就以淀粉酶实验模块为例来探讨如何应用综合性和设计性实验进行发酵与酶工程课程实验教学的改革与实践。

综合性实验是指实验的内容涉及综合利用发酵与酶课程的知识，或与其相关课程的知识，学生需利用多种实验技术来完成实验目的，是学生在掌握一定知识和技能基础上进行综合训练的一种复合型实验[3-4]。设计性实验是指在给定实验目的、实验要求和实验条件的情况下，由学生独立设计出实验方案、选择实验条件方法并加以实施，最后自主对实验数据进行处理[4-5]。综合、设计性实验具有实验内容综合性、实验方法和手段多元化的特征，可以培养学生的综合分析能力，更好地满足对创新型应用人才培养的要求。本研究尝试在发酵与酶工程实验教学中开设综合、设计性实验教学项目，探讨其在实验教学中的效果。

1.1 实验设计思路

发酵与酶工程实验是我院为促进发酵工程及酶工程两大生物技术基础课进行课程整合的一项教学改革，发酵与酶工程实验教学的目的使学生掌握微生物发酵技术，酶制剂生产与制备技术，以及酶的改造及应用知识。同时培养学生的分析及解决问题的能力，进而培养应用型、创造性人才。与理论课程整合相对应的必须更改传统的实验项目，开展综合性实验，将发酵工程和酶工程实验内容进行有机融合是我们进行实验教学设计的主要考虑。在实践操作中我们选择了淀粉酶做为发酵及酶工程综合性实验的主题，淀粉酶是广泛应用于食品，药品，化工行业的一种常用酶制剂，在工业上应用极为广泛，基于这种考虑，我们选定了以α-淀粉酶为主题的综合性大实验，设计了从淀粉酶高产菌株的筛选，复筛，发酵生产，纯化以及利用淀粉酶生产葡萄糖等系列实验，α-淀粉酶高产菌株的筛选，α-淀粉酶发酵生产，纯化等实验内容属于微生物发酵的实验项目，也是酶工程里酶的生产方面的内容。这样学生既掌握了发酵中菌株筛选，发酵，纯化等内容，发酵出的淀粉酶用来生产葡萄糖。又属于酶的应用。这样就实现了发酵工程与酶工程内容的有机融合，避免两门课程中实验项目重复的情况。

1.2 实验项目设计及实施方案

淀粉酶是能够催化水解淀粉分子内糖苷键的能力的一类酶的总称，其中α-淀粉酶是一种重要的淀粉水解酶，广泛应用于食品、酿造等多个工业领域。淀粉酶类是世界上销量最大的酶类，商业上α-淀粉酶主要靠微生物发酵生产，其中使用最广泛的发酵菌株是芽孢杆菌[6]，因此我们选择淀粉酶为项目主题进行实验设计。

1.2.1 设计性实验部分

设计性实验主题为高产α-淀粉酶菌株的筛选，包括初筛和复筛两个实验。实验的目的是让学生学习和掌握菌株选育的基本原理和筛选方法。土壤是微生物的大本营，从土壤中筛选各种高产菌株是发酵工程及微生物工程的必须掌握的基本实验技能，因此，我们以设计性实验主题为高产淀粉酶菌株的筛选为实验主题，要求学生设计实验项目并进行实验操作。具体的教学实施过程如下：

(1)实验前准备工作

教师通过展示高产淀粉酶菌株的初筛和复筛实验流程及实验设计要点表(表1)，从实验目的，方法，过程等对这两个设计性实验进行基本的介绍并对实验设计的关键点进行讲解，说明这两个实验总的要求并对两个实验侧重点进行比较，这样有利于避免学生盲目查阅查阅文献，并能够提高实验设计的准确性。

表1 高产淀粉酶菌株的初筛和复筛实验流程及实验设计要点表Table 1 Experimental flow and key points of experimental design for primary and secondary screening of high amylase producing strains

(2)实验分组及组织实施

教师明确实验内容和设计要点后，对学生进行实验分组。学生可自由结合，每组选出一名组长，每个实验小组成员围绕高产淀粉酶菌株这个主题，进行实验设计，查阅相关文献，学生根据所学的知识、原理以及结合已具备的实验技能，经讨论后制定每组的实验方案，由学委提前两周统一提交给教师，实验教师对实验方案进行审阅，并在课堂上大家一起参与讨论，评价实验方案的合理性及可行性，在此基础上提出修改建议，各实验小组根据教师审阅意见及讨论建议对实验方案进行修改，经教师审阅通过后方可进入下一步实验。实验方案确定后，教师按照学生实验设计准备药品及实验器材，不同小组按照各自的实验设计在随后的实验课中进行实验。在学生实施设计性实验出现问题时，组员先进行组内讨论，再去咨询教师。在解决学生问题的时候，教师不急于说出答案，而是启发学生思考，然后把教师的解决方案和学生自身讨论出的方案作对比，找出两者之间的差距。由于学生设计的实验方案不同，筛选到的菌株也不同，比如由于选用不同的培养基，有些组筛选出的菌株以真菌为主，有些则是以细菌为主，不同的实验设计得到不同的实验结果，在实验中遇到的问题也各不相同，这样就避免了实验结果千篇一律，实验遇到的问题几乎相同的现象，也有利于提高学生的参与意识和学习兴趣，提高学生的创新能力。

1.2.3 综合性实验部分

综合性实验部分包括高产淀粉酶发酵生产(4学时)，淀粉酶的初步纯化(4学时)酶法生产葡萄糖(2学时)三个实验项目，三个实验均在教师的指导下由小组成员协作完成。

(1)高产淀粉酶发酵生产实验内容

种子培养基及发酵培养基的配制，斜面菌种的扩大培养，产淀粉酶菌株的发酵，生长曲线的测定，并绘制生长曲线与淀粉酶活性之间的关系，本实验的目的是通过对筛选到的高产菌株，了解淀粉酶生产菌的生长规律和产淀粉酶的之间的关系。本实验涵盖了发酵工程里的培养基配置，种子扩大培养，摇瓶发酵，及微生物生长动力学及产物合成动力学的内容，由于以酶为发酵对象，也加深了学生对酶的合成及生产的相关内容的认识。通过本实验一方面学生掌握微生物发酵的基本知识，同时也使学生加深酶合成模式的认识。

(2)淀粉酶的初步纯化实验内容

将发酵液用不同浓度的硫酸铵盐析以找到最合适的硫酸铵浓度；
沉淀透析脱盐，酶活测定，发酵产物的纯化是发酵工程的主要内容，而酶的纯化也是酶工程的主要内容，严格说酶蛋白的纯化属于发酵产物纯化中重要的一种，我们设计这个实验目的使学生通过酶蛋白的纯化了解发酵产物纯化的基本过程，同时也使学生掌握像酶这种具有生物活性物质纯化要注意的要点。

(3)双酶法生产葡萄糖

利用酶法生产葡萄糖是目前通用的葡萄糖生产方法，该部分内容属于酶的应用方面的实验内容，在进行教学设计时，我们利用市售的α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶水解淀粉生产葡萄糖做为对照组，而学生初步纯化的淀粉酶作为实验组进行实验，由于学生从土壤中筛选到菌株大多为产α-淀粉酶的菌株，教师应提醒学生α-淀粉酶处理淀粉后，再加入市售的葡萄糖淀粉酶继续进行酶解，该实验设计要求学生利用自己筛选的菌株生产出的淀粉酶水解淀粉生成葡萄糖，这样既提高了学生的兴趣，也促进了学生动手能力的提高。实验完成后教师阐明大多数学生自制淀粉酶为何与市售淀粉酶分解淀粉效果有一定差距。提示学生商业用的菌株是在自然界筛选到的菌株的基础上进行多次改造而产生的，从而与理论课中菌种的诱变等内容结合。加深了学生对菌种选育的理论知识的认识。

良好的考核机制能够合理反映学生的实验设计能力，实验操作技能，实验学习的态度，能够激励实验态度认真的，实验技能良好的学生，从而给教学效果以正反馈效应，然而传传统的实验考核是以实验报告论成绩，这种考核方式存在非常大的片面性，不能真实有效的反映学生的实验能力及实验态度，经常可能出现部分学生基本技能掌握不好，操作不认真，但抄袭他人实验报告出现高分，这种考核方式没有区分度，容易挫伤学生的积极性，因此我们重新改革了实验考核标准，具体如下：对于《发酵与酶工程实验》一般的验证性实验项目按预习占20%、实验操作占60%，实验报告占20%进行成绩评定。而设计性实验项目主要考察重点考察学生综合设计能力：按实验方案40%、实验操作占40%，实验报告占20%进行成绩评定。综合性实验是三个连续的实验项目，前一个实验的效果影响到下一个实验结果，综合性实验考核如果只是把三个实验单独考核的结果简单的相加往往会失去综合性实验的意义，而如果是把三个实验当作一个整体去给一个考核成绩的话，会导致在三个实验项目中有一个实验项目完成不好就会使最终成绩很低，这也不利于提高学生的积极性。因此我们对于这三个实验的考核则采用“总体考核+单独考核”相结合的模式，总体考核按照高产淀粉酶菌株发酵，纯化，应用三个连贯实验整体实验的结果来考核，该部分占实验成绩的40%，考核的具体要求包括：实验报告中学生须对三个实验每个项目实验的数据进行处理，查找实验存在的问题及改进的关键点及提出改进的措施。单独考核则是按照综合实验中三个实验项目各占20%计入考核成绩。这也既可以避免学生因为三个实验项目中有一个失误而导致实验成绩极低从而丧失信心，又可以给予三个实验项目都完成较好，实验技能较高的学生以较高的成绩从而提高其积极性。通过对三种不同类型的实验进行了改革，新的课程考核方法有效调动学生参与实验的积极性，使一人做实验，其他人围观的现象大大减少，学生参与热情得到激发，学生实验操作技能及实践应用能力得到提高。

为检验综合性及设计性实验的教学效果，我们设计了“生物技术专业发酵与酶工程实验问卷调查评价表”，连续两年分别在学生中进行调查，在各小组完成自己本综合实验项目及设计性实验后，请学生进行填写调查问卷，调查学生对本实验项目的接受程度，92%学生对此类综合性实验加设计性实验表示认同，认为这种实验模式更能够调动实验学习的积极性，激发学习兴趣，提高自身的解决问题的能力，对培养良好的习惯和提高创新思维有帮助，90%同学认为新的实验考核模式能解决实验报告抄袭，实验成绩与实验操作及实验技能不符的现象。通过对学生进行的跟踪调查发现，利用综合性、设计性实验的模式进行教学，学生加深对理论课程的理解，实验操作技能得到提高，学生独立解决问题的能力有所提高，在积极性和主动性、解决问题、综合分析问题和创新思维方面普遍较未参加项目型实验的班级有所提升。

通过在发酵与酶工程实验教学中引入综合性设计性实验，同时改变单靠课程成绩评定成绩的课程考核方法，实现了发酵工程与酶工程实验的有机融合，综合设计性实验教学项目的开设，充分调动了学生学习积极性和主动性。不仅能加强学生的实际操作能力，引导学生利用已有的理论知识去主动分析和解决问题，同时使学生更直观深入地理解发酵与酶工程的理论。通过课程的改革与实践，发现新的教学模式有利于学生实践和创新能力的培养，从而满足普通本科院校培养应用型人才的要求。

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