吳志軍，陶玲玲，徐淑艷，李麗陽(yáng)，劉昕旸，張 華，曹宏偉

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)術(shù)理論研究部，黑龍江大慶 163319；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

生物工程是實(shí)踐性要求很強(qiáng)的專業(yè)， 培養(yǎng)高素質(zhì)、適應(yīng)現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的復(fù)合型人才，不僅需要加強(qiáng)學(xué)生的理論知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，也需要樹立工程思維、 具備掌握科學(xué)設(shè)計(jì)和分析試驗(yàn)的能力［1］。 但目前生物類專業(yè)的學(xué)生普遍工科基礎(chǔ)較差，尤其是試驗(yàn)設(shè)計(jì)能力缺乏，成為阻礙創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的瓶頸［2-3］。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)要求，通過經(jīng)濟(jì)、科學(xué)合理地設(shè)計(jì)，利用少量試驗(yàn)快速建立數(shù)學(xué)模型并找到最佳試驗(yàn)條件的方法［4］。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是高等農(nóng)業(yè)院校農(nóng)學(xué)、植物保護(hù)、生命科學(xué)、畜牧、獸醫(yī)和食品等專業(yè)的基礎(chǔ)課程。 在教學(xué)過程中，由于沒有課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行支撐，試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程講授內(nèi)容與實(shí)踐脫節(jié)。 生物工程專業(yè)的學(xué)生對(duì)單純的試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程興趣低， 且數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍較差［5］，很多學(xué)生只是被動(dòng)地學(xué)習(xí)。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)課程邏輯性強(qiáng)、理論抽象、推導(dǎo)較多、計(jì)算復(fù)雜，加之課程的實(shí)踐性強(qiáng)，如果沒有配套的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行訓(xùn)練， 學(xué)生很難掌握試驗(yàn)設(shè)計(jì)的精髓和相關(guān)軟件的使用［6-7］。

生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握生物反應(yīng)過程的基本實(shí)驗(yàn)技能， 包括培養(yǎng)基配制與滅菌、菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)、反應(yīng)器內(nèi)的傳遞、過程設(shè)計(jì)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)與控制等［8］。 生物反應(yīng)是受多個(gè)因素影響的復(fù)雜過程， 在此過程中如何提高目標(biāo)產(chǎn)物的得率、實(shí)現(xiàn)過程的最優(yōu)化，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［9-10］。在多變量影響的體系中， 快速有效地找到對(duì)目標(biāo)響應(yīng)值有顯著影響的變量并進(jìn)行優(yōu)化非常重要。 將試驗(yàn)設(shè)計(jì)與生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)中的微生物發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化部分相結(jié)合，通過生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生系統(tǒng)掌握試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論與常用的優(yōu)化方法，同時(shí)掌握設(shè)計(jì)和分析軟件。通過該實(shí)驗(yàn)課的訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的工程試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論講授

1.1 常規(guī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

常規(guī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，通常存在一定的局限性。不能考查各因素交互作用，得不到最佳條件［11］。單因素試驗(yàn)在考查多個(gè)試驗(yàn)因素時(shí)，所需的試驗(yàn)次數(shù)較多、周期較長(zhǎng)，且無(wú)法獲得各因素交互情況。完成每個(gè)因素的試驗(yàn)后，通常得不到預(yù)期的試驗(yàn)效果。正交試驗(yàn)是常用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法， 能更加科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，可同時(shí)考查多個(gè)因素的水平組合，但不能確定響應(yīng)值和各因素之間明確的數(shù)學(xué)模型， 無(wú)法在整個(gè)區(qū)域上獲得因素的最優(yōu)組合［12］。

1.2 Plackett-Burman 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)面方法

Plackett-Burman 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是由Plackett 和Burman 于1946 年提出的二水平析因設(shè)計(jì)，Plackett-Burman 設(shè)計(jì)能通過n 次試驗(yàn)最多分析n-1 個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的效應(yīng)， 可以設(shè)置虛構(gòu)變量以估算誤差［13］。 根據(jù)Plackett-Burman 設(shè)計(jì)的結(jié)果，通過比較各因素的顯著性水平， 得到關(guān)于響應(yīng)值和各因子間的一次回歸模型，并篩選出重要因子，通過試驗(yàn)對(duì)這些因子進(jìn)一步優(yōu)化［14-15］。Plackett-Burman設(shè)計(jì)雖然不能考查各因素交互作用， 但能通過少數(shù)試驗(yàn)， 快速?gòu)闹T多因子中篩選到對(duì)響應(yīng)值有顯著效應(yīng)的主要因子， 比較適合應(yīng)用于一些受多種因素影響的生物反應(yīng)過程， 如發(fā)酵參數(shù)設(shè)置和培養(yǎng)基成分的確定等。

通過Plackett-Burman 試驗(yàn)設(shè)計(jì)從眾多因素中確定重要因素后， 利用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析的方法進(jìn)行過程建模與優(yōu)化［15］。 響應(yīng)面法的目的是試圖用二次多元回歸模型描述各影響因素與目標(biāo)響應(yīng)值定量關(guān)系，并通過計(jì)算，確定最佳條件和目標(biāo)響應(yīng)值。 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)能通過旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，考查各因子對(duì)生物過程的影響，通過響應(yīng)面回歸模型的建立， 評(píng)價(jià)各因素的效應(yīng)和交互作用的程度，獲得最優(yōu)化條件。

2 教學(xué)改革實(shí)施內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論教學(xué)

實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行前，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)，達(dá)到對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有較清晰認(rèn)識(shí)和理解的效果。 理論課程的講授通過對(duì)單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)、 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法講授， 使學(xué)生了解各試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，調(diào)動(dòng)其積極性和創(chuàng)造性，系統(tǒng)地掌握最新的試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論與方法。同時(shí)，進(jìn)行微生物反應(yīng)的過程和動(dòng)力學(xué)知識(shí)的講解， 增加實(shí)驗(yàn)的目的性，使學(xué)生提前掌握理論知識(shí)，更加深刻地理解試驗(yàn)過程。 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中常有學(xué)生上課只為應(yīng)付考試的情況，思維不活躍，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程缺乏整體認(rèn)識(shí)， 難以將理論知識(shí)通過做實(shí)驗(yàn)融會(huì)貫通。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容

將試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)部分，選取“利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑實(shí)驗(yàn)” 為例， 讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)，找出影響枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)生物表面活性劑過程中的影響因素，初步確定各因素的高低水平。

首先通過Plackett-Burman 設(shè)計(jì)，對(duì)影響芽孢桿菌生長(zhǎng)的因素如裝液量、pH 值、接種量、培養(yǎng)溫度、碳源、氮源等進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選對(duì)發(fā)酵過程有顯著影響的重要因子。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過比較各因素的效應(yīng)系數(shù)和顯著性， 篩選出有主要影響的因子；確定各因素的步長(zhǎng)，沿與等高線垂直的梯度方向，進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)，確定各因素逼近最大響應(yīng)區(qū)域的水平，在最大響應(yīng)區(qū)域進(jìn)行中心組合試驗(yàn)，對(duì)各因子的水平進(jìn)行分析， 建立二次模型和響應(yīng)曲面圖。 響應(yīng)面法即利用多元二次回歸模型描述試驗(yàn)因素與目標(biāo)值的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)化理論求出模型的極大值， 確定枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)表面活性劑的最優(yōu)培養(yǎng)條件， 并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件的使用

在實(shí)驗(yàn)開始前， 將SPSS、Minitab、Design-Experts 和Origin 等軟件的參數(shù)設(shè)置和使用方法講解和演示， 使學(xué)生掌握以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件的基本操作，便于后期自行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，提升數(shù)理統(tǒng)計(jì)和建模的能力。

2.4 課程效果的評(píng)價(jià)與考核

學(xué)生按小組完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，詳細(xì)記錄，對(duì)結(jié)果加以總結(jié)。 成績(jī)考核分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分， 理論部分考查學(xué)生對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法基本知識(shí)的理解情況，占50 分；試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程和結(jié)果分析部分占50 分，考查具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)的掌握情況。微生物生長(zhǎng)曲線的繪制、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程的擬合等方面也作為考查內(nèi)容。

2.5 總結(jié)教學(xué)效果

對(duì)教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)和效果及時(shí)總結(jié)， 了解學(xué)生對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的掌握程度，分析難點(diǎn)，找出存在的問題，對(duì)存在的問題立即糾正，將經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)寫成教學(xué)研究論文供大家探討。 教學(xué)過程和試驗(yàn)設(shè)計(jì)路線以“利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)表面活性劑實(shí)驗(yàn)”為例（見圖1）。

3 總結(jié)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)課程存在的問題提出解決方案，拓展學(xué)生的知識(shí)范疇，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)， 建立與生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)課程適應(yīng)的完善的試驗(yàn)設(shè)計(jì)體系。 從以下幾個(gè)方面對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

3.1 增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣和課堂參與的積極性

經(jīng)過生物工程專業(yè)2016—2018 級(jí)共3 屆學(xué)生的實(shí)踐探索， 大部分學(xué)生較好地理解了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的精髓，掌握了理論知識(shí)和軟件的使用。多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)?cè)?0 分以上，學(xué)生反映通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程提高了實(shí)驗(yàn)課程參與的興趣和積極性。

3.2 提高學(xué)生試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的能力

課程結(jié)束后， 針對(duì)教學(xué)效果和學(xué)生對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的掌握情況， 進(jìn)行問卷調(diào)查。 共完成問卷調(diào)查150 份，包括40 名已畢業(yè)學(xué)生。 94%的學(xué)生反饋，通過生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)， 對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。 該課程不僅增強(qiáng)了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，也提高了分析問題和解決問題的能力。64.7%（97/150）已畢業(yè)的學(xué)生反饋，在讀研和工作階段仍然用到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法， 且部分學(xué)生曾與老師有相關(guān)問題的探討。 96%（144/150）的學(xué)生反饋，贊同采用類似的方法進(jìn)行課程教學(xué)。 42.7%（64/150）的學(xué)生反饋，在表面活性劑的分析檢測(cè)過程中使用高效液相色譜儀等設(shè)備的經(jīng)歷， 對(duì)畢業(yè)后從事的工作有較大幫助，增強(qiáng)了就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3 教學(xué)過程中存在的問題

少數(shù)學(xué)生數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)較差， 無(wú)法很好地理解試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理和計(jì)算過程運(yùn)用； 對(duì)軟件操作系統(tǒng)掌握不熟練， 不能完全掌握設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用軟件。今后將加強(qiáng)數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)方面的教學(xué)，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

圖1 教學(xué)過程和試驗(yàn)設(shè)計(jì)路線

4 結(jié)論

微生物反應(yīng)是非常復(fù)雜的生物過程， 受多個(gè)因素的影響。 科學(xué)、合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠事半功倍。 生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)生物工程專業(yè)學(xué)生工程基礎(chǔ)較為薄弱的特點(diǎn)， 將試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法融入課程教學(xué)， 通過該課程的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析訓(xùn)練、理論與實(shí)踐結(jié)合，提高了學(xué)生試驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析以及計(jì)算機(jī)軟件使用等方面的能力。 同時(shí)掌握完整、系統(tǒng)、科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，具備從紛繁復(fù)雜的影響因素中快速找出關(guān)鍵因子的能力，提高了學(xué)生的工程建模能力和創(chuàng)新能力， 達(dá)到應(yīng)有的教學(xué)效果。