立足于问题导向的发酵工程实验教学改革实践.pdf

高校生物学教学研究（电子版）2023 年 4 月，13（2）：58-61ISSN 2095-1574 CN 11-9307/R DOI 10.3868/j.issn.2095-1574.2023.02.014专题实践教学实验教学是培养学生科学素养、提升创新能力和综合素质的必要环节1-3，在生命科学创新人才培养中具有重要作用。随着新时代大学生群体的知识积累和知识结构的转变及学科发展和社会发展对人才综合素质要求的提高，高校需要创新的教学理念和教学模式来不断完善实验课教学1-2。发酵工程实验是生物学国家级实验教学示范中心（兰州大学）面向生物技术专业大三学生开设的系列实验课程之一，涉及生物化学、微生物学、代谢工程和化工原理等学科的知识和理论，是实现基因工程、酶工程和细胞工程等其他生物工程的最终手段和途径，具有极强的实践性和学科综合性2-3。传统的教学模式中，教师讲解实验内容，学生按教师的讲解“照方抓药”，在实验过程中对教师过分依赖，即使不理解自己所做的实验，也可以“成功”完成实验3-4；学生的主体地位缺失，不仅达不到对发酵工程基本概念和深层次原理的认识和理解，更缺乏对跨学科问题的思考与探索，不利于学生创新意识的培养和综合能力的提高1。近年来，兰州大学生命科学学院发酵工程实验教学团队通过挖掘课程的知识内涵，完善教学理念，建立了以问题为导向（problem-based learning，PBL）的实验教学模式5；将实验课程的教学目标从深化理论教学的从属性、掌握实验技能的单一性上升到激发学生的学习自主性、培养学生的科学思维，以期达到提升立足于问题导向的发酵工程实验教学改革实践张新芳（），令桢民，段建功，王勇，冯虎元兰州大学生命科学学院，兰州，730000摘 要：实验教学在生命科学创新人才培养中具有重要作用，随着学生知识结构的改变和社会发展对人才素质要求的提高，传统的实验教学模式已经难以适应拔尖创新人才培养的要求，亟待改革创新。本文以发酵工程实验为例，探索以科学问题为导向的实验教学组织和实施策略，引导学生提出科学问题，在分析和解决科学问题的过程中，培养独立研究能力；在阐释科学问题过程中建立写作规范，提升自主学习能力和解决问题能力，训练学生的科学思维，提高科学素养和创新能力，提高人才培养质量。关键词：发酵工程实验，问题导向，教学改革，科学问题，人才培养Practice of PBL in Teaching of Fermentation Engineering Experiments for UndergraduatesZHANG Xin-fang（），LING Zhen-min，DUAN Jian-gong，WANG Yong，FENG Hu-yuanSchool of Life Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China收稿日期：2022-01-06；修回日期：2023-02-08基金项目：兰州大学 2022 年度课程思政建设项目（2022206）；教育部第二批新工科研究与实践项目（E-SWYY20202517）；中国高等教育学会理科教育专业委员会（20ZSLKJYZD08）；甘肃省教育厅 2023 年教学成果培育项目（2023003）；兰州大学生命科学学院教育教学改革研究项目（2020347）通讯作者：张新芳，E-mail：生物（23年4月刊）-正文.indd 582023-6-12 15:21:40张新芳等：立足于问题导向的发酵工程实验教学改革实践 59学生的科学素养和创新能力的目的。1 锻炼提出科学问题的能力，培养科学思维开展凝练、提出并解决问题的科学思维训练，是培养创新型人才的重要环节，也是我国教育体系中，包括中小学直至大学教育中需要加强和重视的部分6。从生产实践、科技文献中发现、凝练出有意义的科学问题，不仅是必要的知识积累过程，也是有意识的思维训练过程。以我校开设的发酵工程实验之一“野油菜黄单胞菌分批发酵生产黄原胶”为例，实验综合了微生物学、生物化学和发酵工程知识，涉及菌种选育、生理代谢调控、生物反应器发酵系统的运行、理化参数的检测和控制、发酵产物的测定评价等一系列模块7-8，持续时间较长，但整个实验又是一个有机的整体，因此需要在教学过程中，以科学问题为载体，建立实验的内在联系和逻辑主线。课前预习是实验课程的重要教学环节。“发酵工程实验”各环节连接知识点较多，课前教师在班级信息平台发布教学课件、相关网络教学资源、预习问题和要求，引导学生通过解答针对实验关键知识点的问题，学习相关的理论、充分了解实验内容和基本实验框架。然后通过查阅资料和小组讨论，以及反转课堂的讲解、班级讨论，形成待解决的科学问题和假设。如：“哪些因素影响黄原胶产量”是本实验最主要的科学问题之一。要解决这个问题，需要学生在预习阶段解决以下问题：黄原胶化学本质是什么，结构特点有哪些？它是初级代谢产物还是次级代谢产物？其合成代谢通路如何？代谢过程有哪些限制性的关键酶？黄单胞菌是需氧菌还是厌氧菌？该菌分批发酵系统中，次级代谢产物主要产生于菌体生长哪个时期等。通过回答这些问题，促进学生掌握相关知识，提出科学假设，如：“培养基碳/氮比是黄原胶碳转化率的主要影响因素”“溶氧含量是影响黄原胶产量的主要因素”“菌体生物量是影响黄原胶产率的主要因素”“稳定期长短是影响黄原胶产量的主要因素”等。这些指标的测定对本科生具有可行性，但通过 PBL 教学法，则需要学生主动思考，通过对科学问题的解析，对整个发酵过程的动态变化及影响因素层层剥离，整合思考实验包含的多个模块，根据需要解决的科学问题或假设去寻求研究方案，主动学习实验步骤关联的科学知识，增强学生的学习积极性和主动探索性9。预习时学生提出的有些假设或者问题，可能是现阶段的课程内容无法实现、甚至目前还未知的研究领域，如黄原胶产生的代谢通路和电子传递链的调控10等，但经过主动思考，这些问题也许会一直在学生脑海中萦绕闪现，随着知识的拓展和认识的深入，可能会成为将来科研或工作的萌芽和启迪。在这种立足于学生探索性和拓展性的开放型学习中，教师更多地在进行引导和辅导，学生掌握较大主动权，这能够激发学生主动吸收更多思想和知识，培养其科学思维和发现科学问题的能力；学生的反馈和思考也能够丰富教师的授课内容，师生互动，加强启发，形成教学相长的良性循环。2 增强自主解决问题能力，培养独立研究能力提出问题重要，解决问题也很关键。基于发酵工程实验的学科交叉性和理论综合性，预习环节中深入透彻地预习实验原理、提出科学问题和假设后；需以所列问题为导向，通过梳理相关的实验流程和实验操作要点，在基本实验框架的基础上，给学生主动权和独立的思维空间，以小组为单位自行设计实验方案和技术路线，并以翻转课堂的形式对实验方案的合理性及可行性进行阐述和讨论。如针对前述的科学问题，不同小组通过控制发酵罐中的通气量/搅拌、或培养基碳/氮比成分和 pH 以及测定发酵进程中还原糖含量或菌体浓度的变化去验证开放型的科学假设，回答所提出的科学问题。同时，鼓励学生通过问题主动解析实验操作关键环节，如：菌种准备过程的无菌操作和分离纯化为何重要；二级种子的培养时间、接种量对发酵过程为何重要；pH 的重要性及其内源调节和外源调节的异同；发酵进程中溶氧变化的原因及其控制和监测的方法；等等。教师针对实验操作的问题进行必要的补充强调，如强调菌株分离纯化技术看似简单，但如果掌握不好，小则由于菌种的污染会导致整个实验的失败，而发生在工业生产中，则会导致上百吨发酵罐原材料的损失；菌株分离纯化过程要思考留意是否有正向突变菌株，注意菌种性状是否退化，这些都会关系到发酵的成败3；强调 pH、溶氧和消生物（23年4月刊）-正文.indd 592023-6-12 15:21:4060 张新芳等：立足于问题导向的发酵工程实验教学改革实践泡电极校准的重要性及工作原理等。为增加学生的兴趣和积极性，还可以提出属于课堂实验下游的预习问题：如食品添加黄原胶有什么评价标准？鼓励学生将终产物黄原胶添加进果汁或者酸奶并评价其对饮品口感、观感和食用安全性的影响等。通过运用 PBL 教学法，在教学中形成“以学生为中心”、引导学生自主发现并构建知识体系的教学理念，形成“以问题为中心”的“互动教”“主动学”的教学新模式5，9。教师通过对科学问题及实验流程中问题的解析，让学生明白实验操作的理论依据，明白每个实验步骤的关键性，提高学生综合运用理论知识和实验技能解决问题的能力。在探索和解决科学问题的过程中，获得发酵工程研究的基本思路和技术；了解操作技能对于发酵工程本身或以发酵工程为技术手段解决科学问题的重要性，进而明白科学和技术的关系；提高动手能力和自主解决问题的能力，而不是拘泥于“照猫画虎”式完成实验操作2，11，从而促进了学生严谨的科学态度、独立研究能力和创新能力的培养。3 培养分析和阐释科学问题的能力，锻炼写作和逻辑思维能力按照教育金字塔理论，论文写作涉及分析、评价，属于高级认知，是整个教育中最难的部分12-13。我国教育体系中，中小学阶段的科技论文写作训练基本是缺失的13；到大学阶段，有些教师在教学中会以作业的形式要求学生撰写某一领域的文献综述；也有一些学生会参加院、校或国家的“创新创业”研究项目并撰写项目报告；近年来，一些国内顶尖大学也开始开设写作课14。但大多数学生直到撰写本科毕业论文，依然不明白科技论文的写作格式及基本要求，遑论写作逻辑的培养建立。直到研究生期间撰写论文，才开始琢磨论文写作的格式、技巧，导致科技论文写作逻辑混乱，许多研究成果不能及时准确地表达，既影响创新能力的提高，也影响潜在优秀科技人才的发展，因此，开展学生科技论文写作培养有重要意义。实验报告是锻炼理科学生归纳和数据分析能力、培养逻辑思维和批判性思维并进行科学表达的重要途径13。传统的实验报告包括实验目的、实验方法和内容、实验结果等部分，这种撰写格式简单明了，但各部分之间的科学联系不紧密，弱化了彼此间的逻辑关系和所解决科学问题的重要性。为提高学生的数据分析和阐释科学问题的逻辑思维能力，帮助其掌握科技论文的写作规范，更有效地培养科学素养和创新能力，“发酵工程实验”要求以科学问题为导向，以科技论文的形式完成实验报告。学生实验报告写作存在的问题，既有格式方面如文献引用和量词、缩略词不规范等；也有分析和逻辑方面，如前言部分缺乏提出科学问题的逻辑性，结果部分写成流水账，只描述各种变量的变化，但不能围绕科学问题组织数据；相应地，讨论部分不能深入探讨数据变化背后的理论依据，不能以论证的方式、有逻辑层次地回答讨论科学问题，更多是根据自己的理解、以推理的方式自说自话等。为提高学生的科技论文写作能力，除了在以问题为导向的预习过程中引导学生阅读相关文献，探讨提出科学问题的逻辑思维和理论依据外；在发酵实验进程的间隙，组织学生讨论实验遇到的问题、数据分析的方法，以及数据背后的理论基础，避免“只讲变化，不论科学”的倾向；同时引导学生解析文献，围绕中心观点（main idea）组织数据和材料（supporting details），达到阐释科学问题的目的。通过上述努力，大多数学生的写作能力得以提高，能够提出本实验要解决的科学问题，并以科学问题为主线组织数据，分析多变量参数背后的相互关系及其说明的科学问题，并凝练出实验结果和结论。但学生撰写的实验报告水平差异较大，反映了学生对理论知识、实验和数据分析的理解和把握能力的差异。诚然，数据分析和写作能力的提高是一个长期甚至伴随整个职业生涯的过程，但可以肯定的是，本科教育中抛砖引玉式的训练和培养，对学生学会数据分析挖掘、建立写作规范，以及提高其科学思维和科学素养有极大的帮助13。4 优化考核评价体系，激励学习积极性根据 PBL 教学模式的核心思想，为更好培养分析和解决问题的能力，教学团队优化了考核评价体系，重视课前预习和讨论中对实验思路的理解和提出科学问题的能力，课中的实验操作、团队精神和对实验过程中问题的发现和解决能力，课后实验报告展示的理论知识掌握情况、分析讨论能力及阐释生物（23年4月刊）-正文.indd 602023-6-12 15:21:40张新芳等：立足于问题导向的发酵工程实验教学改革实践 61科学问题能力（附表 1）。同时，对学生在实验中的优秀想法和改进设置额外加分项，驱动学生创新的同时为课程的优化改革提供方向。5 教学效果以问题为导向的教学方法是否达到了预期效果，是一个需要验证的问题。教学团队设计了相关调查问卷（附表 2），教改后对 2017、2018 和 2019 级 114名学生进行了匿名调查。结果显示（附图 1），学生对基于 PBL 模式的教学效果满意度为 98.25%，其中 42.98%为非常满意；96.50%的学生对考核方式满意。有 67.54%的学生认为，提出科学问题对实验非常重要，28.07%的学生认为比较重要，说明绝大多数学生（共 95.61%）认识到科学问题对科学思维培养、实验方案、实验操作和结果分析的指导性作用。但有 25.44%的学生认为自主预习对提出科学问题难度较大，有 66.67%的学生认为有一定难度，说明还需要加强文献阅读和理论储备，及问题导向的思维引导训练。问题导向的预习对 93%的学生理解实验理论依据、91.33%的学生分析和解决实验过程遇到的问题非常有帮助或者有帮助。大多数学生认为，翻转课堂有助于理解和掌握实验设计及实验内容，但 20%左右的学生认为没有帮助（附图 1）。说明还需要进一步完善翻转课堂，兼顾主动性及学习总结能力较弱的学生。另外，大多数学生认为科技论文形式的实验报告更有助于理解和阐释科学问题（89.48%），帮助掌握理论知识、提高实验和数据分析的综合能力（90.35%），规范论文写作、提高逻辑思维和科学表达能力（93.86%）；10%的学生认为没有帮助。说明教师还需要改进对写作的科学问题表达、数据结果和讨论呈现的教学分析方法，学生需要加强知识储备，提高思考和分析能力。以上结果表明，问题导向的发酵工程实验教学模式改革得到大多数学生的认可，促进了科学思维训练，提升了学生分析解决问题的能力和创新意识，帮助学生感受到了科研探索之趣。6 结语发酵工程实验是训练学生科学思维、培养科学态度、提升创新能力的重要环节。树立以学生创新能力培养为目标的教学理念，将学生提出、解决科学问题的能力和思维培养贯穿于整个教学过程；通过实验教学中的各个环节激发学生的学习兴趣和主动性，实现学生理论知识、实践水平和创新能力的同步提升，最终达到“授人以渔”的效果，满足学科和社会发展对创新型、综合型人才的需求。参考文献1陈宇.以培养创新能力为导向的实验教学初探J.教育研究，2016（6）：46-47.2胡益波，陈宇，莫湘涛，等.基于参与式教学法的发酵工程实验教改的探索J.高校生物学教学研究（电子版），2019，9（3）：47-50.3王海燕.发酵工程生物化学实验课程教学改革与探索J.实验科学与技术，2019，17（2）：83-85.4江南屏，任瑶瑶，廖海.发酵工程本科实验教学改革与实践初探J.大学教育，2018（6）：90-92.5SAVIN-BADEN M，MAJOR C H.Foundations of problem based learningM.Berkshire：McGraw-Hill Education，2004.6王建，白世彪，赵业思，等.以问题为导向的野外实践教学J.中国大学教学，2014（3）：85-88.7王子朝，朱莉，吴剑荣，等.以甘油为底物发酵生产新型黄原胶J.食品与生物技术学报，2018，37（10）：1028-1034.8李增胜，张庆，徐世艾.搅拌和溶氧对黄原胶发酵的影响J.食品科学，2009，30（17）：253-257.9赵斌.PBL 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教学效果问卷调查问卷号问卷内容问卷选项ABCD1你认为提出一个科学问题对发酵工程实验是否重要？非常重要比较重要不重要2以问题为导向的自主预习对提出科学问题是否有难度？较大难度有一定难度没有难度3以问题为导向的自主预习是否有助于更好认识实验待解决的科学问题？非常有帮助有帮助没有帮助4问题导向的自主预习是否有助于理解发酵工程实验的理论依据？非常有帮助有帮助没有帮助5翻转课堂的教学形式对理解和掌握实验设计和实验内容有没有帮助？非常有帮助有帮助没有帮助6你认为翻转课堂的教学形式是否有助于更好地掌握实验操作技术？非常有帮助有帮助没有帮助7你认为问题导向的自主预习是否有助于分析和解决实验过程遇到的问题？非常有帮助有帮助没有帮助8你认为发酵工程实验教学是否有助于认识研究问题和研究方法的区别？非常有帮助有帮助没有帮助9你认为科技论文形式的实验报告写作是否更有助于理解和阐释实验所研究的科学问题？非常有帮助有帮助没有帮助10你认为科技论文形式实验报告是否可以帮助提高学生对理论知识、实验技能和数据分析的掌握能力？非常有帮助有帮助没有帮助11你认为科技论文形式的实验报告是否更有助于规范学生论文写作，提高学生的逻辑思维和科学表达能力？非常有帮助有帮助没有帮助12你对发酵工程实验的考核方式是否满意？非常满意比较满意满意不满意13你对发酵工程实验教学效果是否满意？非常满意比较满意满意不满意附表 1 发酵工程实验的考核内容及相应权重考核内容评价角度占比/%方案设计科学问题10文献调研及研究方案10表达能力、小组讨论5团队合作5实验操作原理掌握10实验操作及仪器使用10分析和解决问题10实验室规范2.5时间统筹2.5实验报告数据分析10报告书写规范10问题和结果的讨论分析15生物（23年4月刊）-正文.indd 622023-6-12 15:21:40附页 张新芳等：立足于问题导向的发酵工程实验教学改革实践附图 1 教学效果问卷结果统计（横坐标序号及 A、B、C、D 的含义见附表 1）生物（23年4月刊）-正文.indd 632023-6-12 15:21:40