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創(chuàng )新設計型生物工程工藝大實(shí)驗研究論文
目前，我國高等教育在創(chuàng )新人才培養方面仍存在諸多限制，如應試教育、教學(xué)內容陳舊、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(wèn)題，在高等教育改革中，需要循序漸進(jìn)，不斷地改革教育觀(guān)念和教育方法，從而提高創(chuàng )新人才培養的質(zhì)量。生物工程專(zhuān)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，培養從事生物發(fā)酵、制藥以及環(huán)境生物處理和食品加工等過(guò)程和設備的生產(chǎn)、研究、開(kāi)發(fā)、設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(zhuān)業(yè)。為了強化大學(xué)生對所學(xué)的系統性專(zhuān)業(yè)知識的掌握，并提高他們的工程實(shí)踐能力，提升其實(shí)踐操作環(huán)節分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，江南大學(xué)生物工程學(xué)院對三年級即將結束的學(xué)生，進(jìn)行工藝大實(shí)驗的綜合培訓與指導。雖然工藝大實(shí)驗能夠提升學(xué)生對生物工程專(zhuān)業(yè)知識的系統掌握，提高他們的工程實(shí)踐能力，但仍存在一些有關(guān)培養大學(xué)生創(chuàng )新能力和獨立思考能力方面的問(wèn)題。如大工藝實(shí)驗采用的工藝流程和技術(shù)參數都是按照工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況而制定的，學(xué)生沒(méi)有參與設計，所以他們獨立思考的空間較少［6］。為了加強學(xué)生的動(dòng)手能力，拓展他們的獨立思考空間，對大工藝實(shí)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(shí)驗，增加了自選原料設計并制作新產(chǎn)品、以小組為單位的設備操作現場(chǎng)考核和綜合實(shí)驗PPT展示的專(zhuān)家考核的內容，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 )新設計型工藝大實(shí)驗教學(xué)方案。
1新工藝大實(shí)驗的教學(xué)內容
我校制定的工藝大實(shí)驗包括厭氧發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)驗和好氧通風(fēng)發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)驗兩大類(lèi)，其中，厭氧生產(chǎn)實(shí)驗是啤酒或黃酒的制作，而好氧通風(fēng)實(shí)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周的內容包括:原料的分析檢測，發(fā)酵過(guò)程各個(gè)參數的跟蹤檢測，發(fā)酵產(chǎn)品的分析或品評等。為了增強學(xué)生獨立思考和設計的能力，強化對生產(chǎn)工藝和控制參數的認識，在教學(xué)方案中，增加了自選原料設計并制作新產(chǎn)品的實(shí)驗內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(shí)驗的任務(wù)與安排
啤酒釀造工藝大實(shí)驗的主要內容包括200L啤酒釀造的綜合實(shí)驗、啤酒酵母的分離保藏和鑒定、啤酒原料分析比較綜合實(shí)驗和自選原料的特色啤酒釀造實(shí)驗4大模塊。200L啤酒釀造周期較長(cháng)，為期3周，包括菌株活化、擴培、原料的預處理和發(fā)酵過(guò)程監測等，要求每組成員，進(jìn)行合理安排，分工合作，使各個(gè)模塊能夠相互協(xié)同。每個(gè)小組包括4位同學(xué)，自行安排各個(gè)實(shí)驗的時(shí)間和設計實(shí)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(shí)驗任務(wù)。此外，為了使實(shí)驗內容能夠順利進(jìn)行，安排研究生助教協(xié)助解決學(xué)生遇到的問(wèn)題。
1.2中試規模的工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)驗
200L啤酒釀造的中試生產(chǎn)實(shí)驗是采用一套半自動(dòng)化啤酒釀造設備，模擬現代啤酒的釀造工藝。進(jìn)行中試生產(chǎn)實(shí)驗事實(shí)，將2～3個(gè)小組合并為一個(gè)大組，每個(gè)大組選擇一個(gè)獨特的原料配方進(jìn)行實(shí)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。這些方案的應用，使學(xué)生能夠掌握不同類(lèi)型啤酒的釀造工藝，同時(shí)認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(shí)驗任務(wù)包括酵母擴培培養基制作、酵母擴培、發(fā)酵罐設備的清洗、原料和輔料的處理、釀造過(guò)程的設備操作和發(fā)酵過(guò)程的參數監測等。每天跟蹤檢測的指標包括啤酒酵母細胞數、啤酒酵母芽生率、雙乙酰含量、發(fā)酵液外觀(guān)，發(fā)酵后期增加分析酒精度、發(fā)酵度和高級醇酯等。從酵母培養到啤酒發(fā)酵成熟，一般為期3周，實(shí)驗內容涉及菌株、原料、設備和發(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)酵設備以及釀酒工藝學(xué)等學(xué)科知識，具有綜合性和實(shí)踐操作性較強的教學(xué)特色。
1.3輔助實(shí)驗在新教學(xué)方案中應用
工藝大實(shí)驗過(guò)程中，同時(shí)安排了有關(guān)菌株和原料的輔助實(shí)驗，加強學(xué)生對工業(yè)原料和工業(yè)分析指標的認識，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(wú)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(zhuān)業(yè)性的理論指導，即通過(guò)PPT演示講解啤酒酵母和原料的相關(guān)知識等。通過(guò)這兩個(gè)模塊的實(shí)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(shí)加強了學(xué)生對啤酒酵母菌管理和啤酒原輔料指標控制的認識。
1.4新產(chǎn)品的設計與制作
經(jīng)過(guò)以上的教學(xué)方案，能夠幫助學(xué)生掌握現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)習主要以操作為主，仍不能靈活應用。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(shí)驗模塊，即以小組為單位，討論并設計新產(chǎn)品，選擇合適原料，制定相應的工藝，進(jìn)行小型實(shí)驗，并進(jìn)行考評。新產(chǎn)品的設計環(huán)節，學(xué)生充分發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)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，達到熟悉和掌握工藝參數的目的。在啤酒釀造實(shí)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(píng)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(dòng)性被充分調動(dòng)，通過(guò)獨立思考，應用所學(xué)知識，創(chuàng )造了全新產(chǎn)品，在短時(shí)間內較好地培養了他們的創(chuàng )新能力。
2工藝大實(shí)驗的創(chuàng )新考核方式
對實(shí)驗教學(xué)效果進(jìn)行考核時(shí)，傳統實(shí)驗報告的考核方式存在諸多缺點(diǎn)，不能使學(xué)生再次系統性地回顧各個(gè)實(shí)驗環(huán)節的原理和內容，也不能評價(jià)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(shí)驗的考核方式，包括實(shí)驗過(guò)程中的自選原料設計新產(chǎn)品的匯報環(huán)節、新產(chǎn)品口感品評與打分的環(huán)節和發(fā)酵設備操作技能的現場(chǎng)考核環(huán)節以及實(shí)驗結束后的綜合匯報考核。新產(chǎn)品設計的匯報考核，重點(diǎn)考查學(xué)生對原料選擇的合理性、原料預處理工藝的正確性和新產(chǎn)品制作的可行性。通過(guò)這一個(gè)環(huán)節的匯報，不但修正了學(xué)生在新產(chǎn)品設計出現的一些錯誤，同時(shí)考查學(xué)生對專(zhuān)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(jià)，考核產(chǎn)品的創(chuàng )新性�，F場(chǎng)設備操作考核，了解學(xué)生對發(fā)酵設備熟練程度。最終的綜合考評，則在5－8分鐘內。以小組為單位，用PPT展示為期3周的所有實(shí)驗內容和結果，并進(jìn)行適當的討論和總結，最后由老師專(zhuān)業(yè)點(diǎn)評和提問(wèn)。通過(guò)該環(huán)節的考核，有效檢驗了學(xué)生的專(zhuān)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用已學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識，清晰展示他們的新產(chǎn)品設計與制作過(guò)程;而一些表現較差的學(xué)生，往往只是學(xué)會(huì )了部分操作步驟和簡(jiǎn)單的工藝。所以，這種新的實(shí)驗教學(xué)考核方式，能夠檢驗學(xué)生的實(shí)驗效果，客觀(guān)反映學(xué)生對知識的掌握情況，且提升學(xué)生發(fā)現問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
3新教學(xué)方案的成效
3.1解決了一些常見(jiàn)的實(shí)驗教學(xué)問(wèn)題
實(shí)驗教學(xué)對提高大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng )新意識具有重要的意義，然而我國高校實(shí)驗教學(xué)仍存在著(zhù)諸多問(wèn)題，例如實(shí)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(shí)驗考核體系等。此外，實(shí)驗教學(xué)普遍采用現有的實(shí)驗步驟和參考書(shū)，實(shí)驗教學(xué)側重于實(shí)驗操作方法的訓練，并未涉及問(wèn)題引導性的自主設計實(shí)驗，難以鍛煉學(xué)生的創(chuàng )新能力。采用新的創(chuàng )新設計型工藝大實(shí)驗的教學(xué)方案，能夠解決這些常見(jiàn)的實(shí)驗教學(xué)問(wèn)題。
1)工藝大實(shí)驗具有獨立教學(xué)的地位，其對象是經(jīng)過(guò)3年學(xué)習的大三學(xué)生，采用獨立性實(shí)驗教學(xué)，具有綜合性的特征。
2)工藝大實(shí)驗內容豐富，模擬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，各個(gè)實(shí)驗環(huán)節相互補充，具備知識綜合性和教學(xué)完整性的特征。而在考核環(huán)節，以學(xué)生小組展示為主導，老師的點(diǎn)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)品的設計與制作，融合到工藝大實(shí)驗中，鍛煉學(xué)生獨立思考和靈活應用知識的能力，激發(fā)他們學(xué)習興趣和創(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 )新設計能力并重的實(shí)驗教學(xué)手段，解決實(shí)驗教學(xué)中普遍存在的教學(xué)問(wèn)題，提高了學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提升他們的專(zhuān)業(yè)技能和創(chuàng )新觀(guān)念，顯著(zhù)提高了實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。
3.2顯著(zhù)提高學(xué)生的創(chuàng )新能力
培養學(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［12］。經(jīng)過(guò)系統的基礎知識和專(zhuān)業(yè)理論知識學(xué)習之后，通過(guò)綜合性較強的工藝大實(shí)驗，強化學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識。同時(shí)，增加他們的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力，是非常必要的，也是培養學(xué)生創(chuàng )新意識的重要途徑。在為期3周的工藝大實(shí)驗中，學(xué)生每天都必須完成多個(gè)實(shí)驗項目，包括化學(xué)分析、微生物操作和設備操作等，其內容豐富，涉及面廣。經(jīng)過(guò)反復的實(shí)驗訓練，使學(xué)生能夠熟能生巧，將積累的實(shí)驗知識應用于新產(chǎn)品的設計和制作過(guò)程中;使學(xué)生切實(shí)體會(huì )所學(xué)知識，包括理論知識、工藝參數、設備布局和員工管理等。經(jīng)過(guò)工藝大實(shí)驗之后，學(xué)生也總結了許多收獲和體會(huì )，比如在實(shí)驗過(guò)程中團隊協(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(shí)驗過(guò)程保持足夠的細心且對不可預期的結果要保持信心、重新認識專(zhuān)業(yè)知識學(xué)習的重要性等。
4結束語(yǔ)
創(chuàng )新設計型工藝大實(shí)驗的教學(xué)方式，提高了學(xué)生專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力，同時(shí)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(shí)驗教學(xué)模式。
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