基于OBE理念的“發酵動力學實驗”教學改革

于 貞,邢榮蓮,姜愛麗,陳麗紅

(煙臺大學 生命科學學院,山東 煙臺 264005)

OBE(Outcomes-based education,OBE)是一種強調以學生為中心,以產出為導向,并在教學過程中持續改進的教學理念。隨著國家工程質量認證工作的大力推進,該理念日益深入人心,實踐教學是達成培養目標的重要環節[1-2]。為提高生物工程專業學生的理論聯系實踐能力、動手能力以及分析問題、解決問題的能力,在學習“生物化學工程”之后,煙臺大學生物工程專業設置了“發酵動力學實驗”課程,該課程分為2個模塊,即反應器傳質性能及其影響因素、微生物反應動力學模型的實驗室構建。對工科學生工程思維方式的教育和培養是工程教育最核心的任務[3-6],因此也利用該課程對學生進行工程思維訓練?！吧锘瘜W工程”“發酵動力學實驗”分別在第五、第七學期開設,“發酵動力學實驗”“谷氨酸發酵”“谷氨酸的分離提取”共同構成“生物工程與工藝綜合實驗”,在完成所有理論課以后開展。目前,“發酵動力學實驗”課程在教學中存在的主要問題:1) 由于實驗課比理論課晚了2個學期,學生對動力學實驗所涉及的理論知識遺忘較多,在理論缺乏的情況下,如果僅按照講義進行實驗,學生很難判斷實驗進展正常與否,不能對異?，F象進行正確分析,無法給出正確的改進措施,學生不能正確認識問題、分析問題和解決問題,與開設綜合實驗的宗旨相悖。2) 部分學生對實驗的預習流于形式。這是因為在過去6個學期所開展的實驗課基本上是驗證性實驗,其操作步驟基本固定,學生只要按照講義做就能完成實驗,故形成了思維定式,在預習“發酵動力學實驗”時也照抄照搬實驗講義,不能很好地進行實驗設計,使得學生在實踐教學過程中的主動性和能動性無法體現出來。此外,受新冠疫情影響,部分學生只是觀看了相應視頻,并未參加“分析化學實驗”課程的操作環節,實際操作的缺失導致很多學生的基本操作不規范,甚至操作錯誤,導致數據采集不正確。

為貫徹OBE教學理念,更好地提高學生理論聯系實踐的水平,強化學生認識問題、分析問題和解決問題的能力,訓練學生的工程思維,筆者對“發酵動力學實驗”課程的教學方式進行改革,把以教師為主體的授課方式轉變為以學生為主體的授課方式。

1 扎實學習理論知識,增強學生認識問題的能力

1.1 改進預習和實驗設計環節

針對學生在預習環節存在照抄實驗講義的弊端,指導教師在實驗原理、測定方法、實驗操作及數據處理等環節設計了問題,在實驗前一周發給學生,讓學生帶著問題預習,將對問題的解答構成預習報告的一部分,通過問與答,讓學生復習實驗涉及到的理論知識,以提高學生認識問題的能力。在充分預習的基礎上,讓學生提出自己的思路,把實驗要解決的問題以及解決問題的依據、方法和措施等內容通過流程圖呈現出來,分析在實驗中可能出現的各種問題,以及如果出現這些問題該如何解決,并把預習報告提前交給指導教師審閱,教師對學生的問題及問題的解決方案進行剖析,指出解決方案中出現的不足。教師將批改后的預習報告返還給學生后進行實驗分組,要求各小組根據指導教師的反饋意見進行討論并制定正式的實驗流程圖。

1.2 分解實驗內容

為加強學生對實驗的理解,將“發酵動力學實驗”分成6個模塊:1) 硫代硫酸鈉標準溶液的制備和標定;2) 發酵工藝參數對氧傳質速率的影響;3) 細胞濃度標準曲線的繪制;4) 還原糖的測定;5) 發酵過程參數的檢測;6) 模型方程的建立和模型參數的估算。按照模塊依次開展實驗,有助于學生抓住各模塊的重點,可以更好地完成實驗。

1.3 把以學生為主、教師為輔的教學模式落到實處

教師在講解實驗時改變授課策略,不再滿堂灌,而是換個角度向學生提問實驗原理和測定方法,針對同一問題,每組選出一名同學回答,其他同學負責補充和完善,而后由指導教師結合預習環節的提問進行完整講解,使學生從多個維度加深對實驗原理和測定方法的理解。學生對實驗有更清晰的認識后方能對實驗過程進行預判,第一時間知道檢測結果的對錯,如果結果與預期不符,則及時進行分析并采取相應措施,通過實驗結果對所采取措施的正確與否進行驗證,可以提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

2 注重細節,增強學生分析問題和解決問題的能力

2.1 重視實驗日志記錄

教師有意識地引導學生觀察實驗現象并撰寫在實驗報告里,與實驗數據進行相互印證,加深學生對理論的理解。比如第一個模塊生物反應器傳質性能及其影響因素,是通過“Copper法測定氧的傳質速率”的實驗完成的。體積氧傳質系數KLa與其影響因素之間的關系為

(1)

式中:KLa為體積氧傳質系數,s-1;Pg為機械攪拌軸功率,W;V為發酵罐的體積,m3;Ws為空塔氣速,即氣體的線速度,m/s,通氣量/罐體截面積;n為攪拌轉速,r/s。

該實驗實際上是考察通風量和攪拌轉速對氧的傳質速率的影響:1) 把亞硫酸鈉的水溶液裝入反應器中后,指導教師開動通風裝置,讓學生觀察不同通風量產生的氣泡在反應器內上升的現象;2) 固定通風量,開動攪拌裝置,觀察并記錄攪拌槳對氣泡的打碎程度和氣液混合的效果,使學生對攪拌轉速和通風量對氧的傳質的影響產生直觀印象?？諝膺^載現象在“生物化學工程”第六章有講述,通過數據和實驗現象的相互印證可以讓學生加深對氧傳質的動力學原理的理解。

2.2 重視實驗數據采集的準確性

2.2.1 亞硫酸鈉濃度測定

2.2.2 細胞濃度測定

細胞濃度既可以用“個/mL”表示,也可以用細胞質量濃度“細胞干質量/L”表示,前者通過平板菌落計數法或者血球板計數法獲得,是微生物細胞濃度的粗略計數方法;后者需要將菌懸液離心洗滌,將所獲細胞低溫烘干稱量后獲得,是菌懸液的絕對細胞質量濃度。在建立微生物動力學時,要測定的是絕對細胞質量濃度。為方便測定,通常不是每次取樣后都進行離心、洗滌、烘干和稱量等操作,而是先制作細胞質量濃度和其吸光度的標準曲線,然后在每次取樣后離心、洗滌,將獲得的細胞重新懸浮,測定其吸光度,利用標準曲線求細胞質量濃度。由于分光光度計本身的刻度具有線性范圍,所以細胞質量濃度和吸光度之間的關系也有線性范圍,一般情況下,分光光度計的線性范圍為0.25～0.75,故在測定細胞懸液時也應該調整其稀釋或濃縮倍數,使稀釋或濃縮后的細胞懸液的吸光度為0.25～0.75。利用該法獲得的標準曲線是沒有零點的,即回歸獲得的線性方程y=ax+b中的b≠0。真實的細胞質量濃度是先根據測定的吸光度在標準曲線上查出對應的細胞質量濃度,再乘以稀釋倍數或除以濃縮倍數獲得的。

為開闊學生的視野,要求學生查閱文獻了解活細胞濃度在線檢測方法、所用設備和檢測原理,并將查閱結果寫在實驗報告里。

2.2.3 還原糖質量濃度測定

受實驗條件限制,本次實驗中還原糖質量濃度采用斐林試劑法測定。該法對操作要求極其嚴格,要求滴定過程同時滿足條件:1) 正式滴定和空白滴定的總體積相同;2) 必須在1 min內到達滴定終點;3) 到達滴定終點耗用的標準葡萄糖溶液必須要少于1 mL。斐林試劑測定還原糖質量濃度采用的滴定試劑是標準葡萄糖,故稀釋后發酵液里還原糖的質量濃度要低于空白滴定值,就是將稀釋后的1 mL發酵液加入到斐林試劑中加熱,如果藍色不消失,則可以確定發酵液的稀釋倍數。滴定的3個條件如何才能同時滿足?在以往的實驗過程中,絕大多數同學都沒有做到這一點,只能保證后2個條件,條件1一般無法滿足,稀釋倍數也沒有明確的依據。究其原因是對測定原理不清楚。在本次教學改革中,教師引導學生從實驗原理、試劑配制、試劑在測定中的作用以及空白滴定、預備實驗、正式滴定的作用等方面進行梳理,在空白滴定正確的前提下,根據預備實驗的條件確定發酵液的稀釋倍數,調整蒸餾水的添加量,使正式滴定與空白滴定的總體積相同,保證還原糖數據采集的準確性。

2.3 強調實驗操作的規范性

“發酵動力學實驗”是為期1周的綜合性實驗,涉及到很多基本操作,如物質的稱量、溶液的配制和移液管的使用等。受新冠疫情和擴招的影響,學生能夠進行實驗操作的項目數量大幅下降,如基礎實驗只能進行8次,且部分為線上教學,導致學生在線下實驗操作時規范性不強。在“發酵動力學實驗”的預習階段,教師有意識地設計相關問題讓學生思考,實驗開始前讓部分學生演示,其他同學糾錯,教師講解如何正確操作,強化實驗操作規范。學生必須嚴格按照操作規程開展實驗,如滴定管的調零必須為0.00 mL,物料在稀釋時必須定容,烘干的物料需要在干燥皿里冷卻等,既能保證數據采集的準確性,又能培養學生良好的實驗習慣。

2.4 重視實驗總結和數據處理

在實驗結束時設置提問環節,對實驗中出現的現象利用所學理論知識進行解釋。由于整個實驗是由小組成員分工合作完成,故在最后1個環節中要求每個學生口頭闡述實驗的詳細過程,以確保學生均能獨立完成實驗。

數據處理是“發酵動力學實驗”重要組成,也是進行工程思維訓練的重要載體[6]。動力學數據的處理方法來源于高等數學的微積分,然而動力學數據的采集是在數學思維的框架下按照減小實驗誤差的原則進行的,因此數據處理也要遵循相同的原則才能獲得正確的模型參數。特別是在利用直線求模型參數時采用的是5點作圖法,通過直線在2個坐標軸上的截距來獲得模型參數,而不是數學上聯立求解的2點作圖法,將純數學方法和最小二乘法的工程方法之間的差異通過圖示加以說明,該數據處理過程就是數學思維的工程化過程。

2.5 將思政教育融入實驗教學

將思政教育融入實驗教學過程中,有助于培養學生的“理性與辯證思維”[7],培養學生成為“德才兼備,全面發展”的創新型人才[8]。

2.5.1 提高工程倫理素養

雖然輕工業是我國的支柱產業之一,但是由于過去較長時間以來人們的工程倫理意識不強,導致環境污染比較嚴重[9-10],在我國的工業廢水中,由輕工業產生的占了2/3[10]?！鞍l酵動力學實驗”涉及到鉻、銅和鐵等重金屬,滴定后的溶液不能直接倒入下水道,需要收集到廢料桶中進行集中處理,在實驗過程中培養的微生物在丟棄前要經過滅活處理。以上這些要求可以培養學生的環境保護意識,提升其工程倫理素養。

企業組織生產的終極目標之一是利潤最大化。作為工科學生,在進行復雜問題分析和解決過程中,要重點考慮經濟要素。提高反應速率,縮短反應時間,在生產的各個環節實現節能減排等正是企業提高經濟效益經常采用的手段。實驗過程中對滴定管調零時多余的溶液要回收,定糖過程中要根據耗糖情況及時調整發酵液的稀釋倍數,節約標準葡萄糖的使用量。因此,在制定工藝方案時,不僅要關注經濟效益,而且還要考慮環境效益和社會效益,實現三者的和諧統一。

2.5.2 樹立實驗室安全意識

高校實驗室是師生進行科研和教學的主要場所,實驗室安全管理是高校穩定發展的重要環節[11]?！鞍l酵動力學實驗”中會用到鹽酸、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、碘和碘化鉀等比較危險的化學藥品,在實驗前對實驗過程中可能出現的誤操作會引起的緊急情況要給學生仔細講解,并作好預案。比如在定糖操作時,需要在溶液沸騰的情況下滴定,按照通常的方式操作容易導致燙傷事故的發生,故以此為切入點,讓學生想辦法改進操作方式,并提出應對措施,強化學生實驗室安全意識。

2.5.3 強化工程思維訓練

筆者在“生物化學工程”課堂教學中就很注重對學生工程思維的訓練,然而在理論課教學過程中更注重的是學生如何將數學思維轉變為工程思維,所講授的例題也都是方法指導,即針對某類問題的通用解決方法。在“發酵動力學實驗”教學中,筆者首先根據實驗目的引導學生明確需要采集的數據;然后指定某個學生根據采集到的數據講解數據處理方法,其他同學補充或者糾錯;最后以教師總結的方式引導學生采用正確的方式來得到相應的動力學模型參數,以此來強化學生的工程思維。

3 采用形成性評價方式,提高學生實驗積極性

以往的實驗教學往往以單一的實驗報告成績作為最終成績,也就是過程評價,并且評價是在所有學生完成實驗以后,不夠客觀。本次實驗教學改革采用形成性評價,根據工程質量認證的要求,“生物工程與工藝綜合實驗”有4個課程教學目標。

課程目標1:能夠通過所學專業知識,結合文獻查閱,分析我國谷氨酸發酵工業發展狀況,并分別就發酵工藝過程、發酵動力學參數檢測及下游谷氨酸分離制備提出可行的實驗方案。

課程目標2:能夠在給定的實驗內容和實驗條件下,搭建實驗裝置,安全并規范地開展實驗;正確地采集和整理實驗數據,對實驗結果進行關聯分析,并能根據實驗過程參數變化,及時優化實驗方案,正確開展實驗。

課程目標3:能正確運用作圖軟件,并能運用所學理論知識對實驗過程中出現的問題和實驗結果進行科學分析,提出改進措施,獲得有效的結論。

課程目標4:具備一定的組織管理和個人擔當能力,主動承擔相應的實驗任務,并能與團隊成員密切配合,具有良好的團隊合作精神,合作完成實驗任務。

“發酵動力學實驗”是“生物工程與工藝綜合實驗”的3個模塊之一,按照課程目標考核,考核分4部分,“生物工程與工藝綜合實驗”和畢業要求之間的支撐關系見表1?！鞍l酵動力學實驗”的考核內容和分值見表2。

表1 “生物工程與工藝綜合實驗”課程目標對生物工程專業畢業要求的支撐關系

表2 課程考核評價方式

實驗預習與方案設計階段:1) 由教師指出實驗原理和操作方法的關鍵問題,引導學生更好地理解實驗原理與方法;2) 每個學生撰寫自己的實驗方案并上交給指導教師,指導教師對每個方案進行評閱;3) 教師在實驗開始前進行講評和提問,并對學生進行分組,每組3～4人;4) 各小組討論并形成本次實驗的實驗方案,交由教師審核,通過后落實到人;5) 個人和小組的實驗方案分別打分,個人得分和小組得分的平均值形成預習和方案設計的得分。

實驗中:以指導教師為主研究生為輔,考察所有學生的實驗裝置是否正確搭建,儀器的使用操作和實驗數據的記錄是否規范,對實驗現象的觀察是否細致,能否及時辨別異常的實驗現象并迅速作出相應的調整,據此進行講評,形成實驗過程得分。

實驗后:實驗數據的處理方法和對實驗現象的分析討論,形成實驗報告得分;實驗報告的批閱是及時進行的,發現問題立即找學生溝通,讓學生本人意識到問題所在,同時在下一組學生實驗時進行提醒,防止發生類似的錯誤,這在以往的過程性評價是無法實現的。

個人和團隊的考核:實驗結束,學生根據實驗表現對小組內所有成員和其他組進行評價,學生的個人成績=學生自我評價分值×50%+同組其他同學對他的評價分值的平均值×50%,該學生的團隊成績=其他小組對該學生所在小組打分的平均值,最后學生的個人與團隊合作成績=學生的個人成績×50%+學生的團隊成績×50%。

4 結 論

該教學改革在2017,2018級煙臺大學和煙臺理工學院生物工程專業學生的“發酵動力學實驗”中實施,課程目標達成度均高于0.8。實驗中,學生的積極性和主動性有所提高;實驗結束后,學生紛紛表示“這是四年來做得最明白的實驗”,認為整個實驗過程清晰明了,對實驗滿意度較高。我校學生深受研究生招收單位和企事業用人單位的歡迎和贊賞,各單位一致認為“煙臺大學走出了一大批理論基礎扎實,綜合素質強的優秀本科畢業生”。這種以學生為主教師為輔的教學方式,其思想同樣適合于生物工程專業其他實驗課程,對其他專業的綜合實驗教學也有一定的借鑒意義。