劉修濤，熊鵬

（山東理工大學 生命與醫(yī)藥學院，山東 淄博 255000）

隨著國家“碳中和、碳達峰”戰(zhàn)略的提出，利用低碳環(huán)保的生物合成方法進行化學品的高效合成，已成為當前的研究發(fā)展趨勢.發(fā)酵工程是一門專門研究化學品生物合成與放大的綜合性課程，兼具有理論性與實踐性的特點.作為生物工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，發(fā)酵工程課程的設置符合當前的發(fā)展趨勢，貼合社會關注的熱點與行業(yè)需求，在本專業(yè)內(nèi)的重要性越來越高.學生在學習該課程時，由于尚未參與教學實訓或生產(chǎn)實訓，容易給其造成課程內(nèi)容枯燥、知識點抽象的印象，因此傳統(tǒng)的課堂灌輸法難以激發(fā)學生的學習熱情，達不到理想的教學效果.發(fā)酵工程作為實驗室科研走向?qū)嶋H生產(chǎn)的橋梁性課程，其中存在著大量的鮮活案例.將案例教學法在發(fā)酵工程課程中進行應用，能有效拉近課本知識與實際生產(chǎn)之間的距離，最大限度地調(diào)動學生的積極性，增強學生的學習感受，培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新實踐能力，從而實現(xiàn)課堂效率的提高與學生專業(yè)知識技能的有效提升.

1 案例教學法和發(fā)酵工程課程概述

1.1 案例教學法概述

案例教學法是以教師為主導，學生為主體，教學案例為基礎的一種課堂教學模式，通過對真實事件或情境模式的分析討論，使學生熟悉并掌握相關的知識與技能.該模式提倡將課堂還給學生，教師扮演課堂設計者與推動者的角色，鼓勵學生發(fā)表和交流觀點，促進學生積極討論，并適時地將案例內(nèi)容升華為課程關鍵知識點，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力[1].案例教學法歷史悠久，兩千多年前古希臘教育學家蘇格拉底論述道理時采用的“啟發(fā)式問答法”，已經(jīng)具備案例教學法的基本雛形.我國春秋戰(zhàn)國時期，許多經(jīng)典典籍如《莊子》《論語》《左傳》等，在闡明道理時所采用的敘事或比喻方法，也具備了案例教學法的顯著特征[2].現(xiàn)代案例教學法最早于19 世紀60 年代，由哈佛大學法學院院長蘭德爾提出，他強調(diào)了典型案例在法律教育課程中的重要性[3].時至今日，案例教學法在理論性與實踐性兼具的課程中應用廣泛，并具備顯著的優(yōu)勢：（1）能夠促進學生獨立思考，課堂中通過引入最真實、最典型的案例，促使學生利用學過的理論知識進行案例剖析、解讀、驗證和交流，將抽象的理論知識拿到實際生產(chǎn)中，消除理論與實踐之間的隔膜，理論指導實踐，讓學生在一次又一次的思想碰撞中完成獨立思考的過程與重點知識的掌握[4]；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)教學相長，案例教學法對教師的角色提出更高的要求，要求教師能夠提供涵蓋多方面知識點的典型案例，同時在案例教學中又要做到把控全程，能夠積極引導學生投入其中，并完成關鍵知識點的總結(jié)概括[5].整個過程中，教師既能夠及時發(fā)現(xiàn)自己的弱點，又能獲得學生大量的一手材料，從而實現(xiàn)課堂效率與學生能力的同步提升[6].

1.2 發(fā)酵工程課程概述

發(fā)酵工程是高等院校生物工程有關專業(yè)的重要專業(yè)必修課程，該課程以生物化學、工業(yè)微生物學、生物化工原理等相關課程知識為支撐[7].在系統(tǒng)學習本課程的基礎上，又為學生更好地理解和掌握生化分離工程、生物工藝學、生物催化與生物轉(zhuǎn)化、生物反應器的多尺度放大、生物反應工程等后續(xù)課程奠定基礎.發(fā)酵工程囊括了發(fā)酵工業(yè)的菌種選育、培養(yǎng)基設計、工業(yè)種子制備、無菌技術(shù)、發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制、發(fā)酵經(jīng)濟學等關鍵技術(shù)，同時還涉及發(fā)酵動力學、發(fā)酵工業(yè)中氧的供需、發(fā)酵罐的放大與設計、發(fā)酵工程控制等理論性較強的知識[8].課程內(nèi)容以發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過程中各分支領域共性的工藝基本原理和生產(chǎn)技術(shù)為主，兼具理論性與實踐性.通過本課程的學習，使學生掌握發(fā)酵工業(yè)的典型過程、基本原理、基本技術(shù)以及基本實驗操作技能，了解該學科的發(fā)展方向，能夠理論聯(lián)系實際地去分析和解決發(fā)酵過程中出現(xiàn)的具體問題，為學生今后從事相關新產(chǎn)品或新工藝的研究與開發(fā)打下良好的理論與技術(shù)基礎[9].

2 案例教學法在發(fā)酵工程課程中的應用

發(fā)酵工程課程在講授過程中以微生物發(fā)酵生產(chǎn)的全過程為主線，重點闡明各個階段、各種產(chǎn)品的生產(chǎn)原理與技術(shù)，講解理論知識的同時，又重點突出生產(chǎn)的工藝操作與控制技術(shù)等實際問題[10].該課程涵蓋的知識面廣，理論公式較多，課程內(nèi)容比較抽象，且學生沒有見過實際的發(fā)酵設備，容易對課程感到厭倦，難以調(diào)動主觀能動性，加大了發(fā)酵工程課程的教學難度.而案例教學法給學生提供了一個良好的學習討論情境，能夠?qū)⒄n本中的理論知識變成能夠?qū)嶋H接觸的案例，其典型生動、直觀多樣的特點，激發(fā)了學生的求知欲，得到了學生的廣泛認可.

2.1 虛擬仿真的案例教學方法

發(fā)酵工程課程涉及很多化學品的生產(chǎn)過程，如白酒釀造、陳醋釀造、啤酒生產(chǎn)、琥珀酸的生物合成等.課本內(nèi)容描述比較枯燥，為使學生更加真實地了解實際生產(chǎn)過程，最好的方法是帶領學生進入工廠認識實際生產(chǎn)，感受實際操作環(huán)境.為此本課程提出利用虛擬仿真系統(tǒng)為學生提供一個三維的、高交互操作的、高度仿真的、全程參與式的認知學習平臺，讓學生在平臺上練習，熟悉和鞏固專業(yè)基礎知識.同時提出生產(chǎn)中會出現(xiàn)的實際問題，讓學生在虛擬平臺上進行模擬，了解不當操作造成的實際后果，并組織學生集體交流，提出完整的解決方案，并再次在平臺上進行解決方案的驗證.利用該反饋式操作，能有效加深學生的印象，提高學生解決問題的能力.

如利用食醋固態(tài)釀造虛擬平臺，讓學生操作3D 生產(chǎn)車間場景內(nèi)的角色，首先認識食醋工廠內(nèi)部的蒸糧車間、拌曲車間、酒精發(fā)酵車間、輔料拌和車間、醋酸發(fā)酵車間、熏醅車間、淋醋車間的布局與構(gòu)造，并通過虛擬場景交互式操作，熟悉食醋釀造過程中的原料處理、攤晾下曲、酒精發(fā)酵、輔料拌和、醋酸發(fā)酵、熏醅、淋醋、陳放等關鍵工藝流程.學生在了解主要技術(shù)操作后，結(jié)合他們實際掌握與領悟情況，向?qū)W生提出釀造過程中會面臨的實際問題，如原料粉碎細度不達標、下曲溫度不合適、不同季節(jié)醋酸菌種接火量的差異、淋醋溫度設置不當?shù)?然后每4～6 名學生成立1 個小組，每個小組選取一種問題案例進行解讀.學生通過文獻調(diào)研、虛擬仿真驗證、PPT 制作等，最終以小組的形式進行匯報和交流.交流的內(nèi)容包括不同操作對最終產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響，產(chǎn)生這種影響的主要原因，如何實現(xiàn)有效規(guī)避等.同時在案例分享交流過程中，教師引入理論知識的解讀與總結(jié)，如下曲溫度實際反映的是發(fā)酵過程的溫度選擇，并由此引申出溫度對發(fā)酵的影響與控制措施等.

該虛擬仿真平臺的應用，有效解決了發(fā)酵工廠設計、發(fā)酵過程控制、發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制3 部分的教學內(nèi)容.具體表現(xiàn)為：（1）發(fā)酵工廠設計方面.虛擬仿真平臺作為一項食醋固態(tài)發(fā)酵實例的模擬，其中虛擬食醋工廠內(nèi)各個車間的布局與構(gòu)造，形象展示了各車間的內(nèi)在聯(lián)系，展示了發(fā)酵工廠的設備類型與簡況，展示了車間管路的設計與布置、產(chǎn)品生產(chǎn)的完整工藝流程.這些具象化的展示，進行發(fā)酵工廠設計的教學時，為發(fā)酵工廠的總圖布置、車間設備布置與管道設計、發(fā)酵工藝流程設計等內(nèi)容提供了良好的素材，并有效地輔助完成了該部分的講解.（2）發(fā)酵過程控制方面.在虛擬仿真平臺中，通過讓學生模擬食醋固態(tài)釀造過程中的“兩發(fā)酵”（酒精發(fā)酵與醋酸發(fā)酵）階段，掌握原料經(jīng)由自然微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)榘氤善肪契?，半成品酒醪?jīng)由醋酸菌發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)榇姿岬倪^程，并進一步掌握發(fā)酵過程控制教學內(nèi)容中的發(fā)酵過程的代謝調(diào)控等相關知識內(nèi)容.在“兩發(fā)酵”階段，讓學生進行溫度控制的模擬，進行敞口發(fā)酵向封缸發(fā)酵轉(zhuǎn)化的模擬，認識溫控不合理或發(fā)酵條件不合適對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并由此完成發(fā)酵過程控制教學內(nèi)容中的溫度及溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制等相關知識內(nèi)容的講授.（3）發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制方面.讓學生利用虛擬仿真平臺模擬進行淋醋工作，即用煮沸的水或醋將醋醅中的醋酸及有益成分過濾出來.隨后讓學生模擬進行醋的陳釀過程，即“夏伏曬、冬撈冰”的釀造過程，最終得到成品醋.這一系列仿真模擬操作，展示了發(fā)酵產(chǎn)物提取與精制的工藝流程，讓學生在模擬中了解到工藝細節(jié)，進一步加深理論知識，推動該部分教學內(nèi)容的高效掌握.

虛擬仿真的案例教學方法活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學生的獨立思考.在學習基礎知識的同時，教學案例也讓學生了解到我國幾千年的釀醋文化、釀酒文化等，感受了中國發(fā)酵文化的博大精深，培養(yǎng)了學生的文化自信，踐行了課程思政.

2.2 實操輔助的案例教學方式

發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化、發(fā)酵工程控制、發(fā)酵罐放大與設計等是發(fā)酵工程課程中非常重要的內(nèi)容.在這些章節(jié)的講述過程中，既有理論計算（如正交實驗設計、極差分析等），又涉及一些工程化的認知（如溫度控制過程中所需夾套或蛇管的樣式，補料過程中補料泵的工作方式，發(fā)酵罐內(nèi)部消泡漿或攪拌槳的構(gòu)造等[11]）.

利用正交實驗進行發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基優(yōu)化的講解中，由于涉及到的計算量較大，很多學生對正交實驗的設計方案表示難理解，同時對正交實驗的實驗效果表示疑惑.為促進該部分知識的講解，通過與發(fā)酵工程實驗課教師進行溝通，將該部分內(nèi)容與實驗課聯(lián)動進行講解.在理論課中，教師以培養(yǎng)基實例優(yōu)化過程中的三水平、四因素需求為導入，讓學生以此進行實驗方案的設計.學生在設計過程中，發(fā)現(xiàn)三水平、四因素的需求共81 種組合方式，需要進行81 次實驗.如此大的實驗量，讓學生有了簡化實驗的需求.教師此時引入正交實驗的原理講解，同時提出正交表的設計方法，在此基礎上，學生才能更好地理解正交表的均勻分散性與整齊可比性.學生在理解正交實驗的原理后，教師讓學生利用正交原理再次進行三水平、四因素的實驗設計.學生會發(fā)現(xiàn)，在正交原理的指導下，只需要進行8 次實驗便可確定最優(yōu)因素水平組合.為了進一步加深和鞏固學生對該知識點的掌握，將學生分為10 組，其中一組利用正交實驗進行因素水平的設計，另外9 組利用原始方法進行因素水平的設計.完成理論設計后，在實驗課中，將理論設計付諸實踐，以驗證正交設計的實驗效果.通過該實操輔助的方法，讓學生認識到正交實驗在優(yōu)化實驗方案、減輕實驗工作量方面的重要性，并加速學生對相關理論知識的掌握.

在發(fā)酵工程控制及發(fā)酵罐設計的講解中，由于學生沒有接觸過實際的發(fā)酵設備，均表示內(nèi)容比較抽象，僅依靠上課時課件的圖片，難以很好地理解和想象.而親自實踐是透徹認識事物的重要途徑之一，為此在發(fā)酵工程課程中引入2 臺5 L 全自動機械攪拌不銹鋼發(fā)酵罐作為教學模型.在講授相關內(nèi)容時，教師將學生帶至專業(yè)設備現(xiàn)場，進行現(xiàn)場教學.教學過程中，一邊和學生共同操作，一邊進行講解.以講授為主，共同操作為輔，將理論帶入實際，主要是促進抽象或復雜知識的理解，提高學生的具象化認識.在講解過程中，學生可以對發(fā)酵罐進行全方位的拆解、組裝與試運行，逆向了解發(fā)酵罐的各個部位與連接方式.同時，引導學生對發(fā)酵罐的相關參數(shù)進行測量，如攪拌葉輪直徑Di、擋板寬度B、攪拌葉間距S、下攪拌葉與罐底距離C及關鍵比例參數(shù)S/Di、C/Di等，讓學生對發(fā)酵罐設計的基本理論有全方位立體化的了解.學生通過實踐的方式獲取關鍵參數(shù)后，由此向?qū)W生提出發(fā)酵工廠生產(chǎn)規(guī)模擴大時的實際需求.讓學生根據(jù)實際生產(chǎn)中的產(chǎn)熱情況、需氧情況、生產(chǎn)規(guī)模等，進行發(fā)酵罐冷卻裝置、攪拌槳形態(tài)、罐體樣式及尺寸、管路布局等的設計.在設計過程中，將學生分成若干小組，每組4～6 人，組內(nèi)每名學生負責發(fā)酵罐的一部分設計，然后進行組內(nèi)的討論與整合，最終每小組形成整套的設計方案，然后在課堂上進行小組展示與討論.學生在設計與交流過程中，不斷地進行思想碰撞，理論結(jié)合實際，實現(xiàn)關鍵知識的掌握與鞏固.

3 案例教學法的應用成效

案例教學法的應用充分調(diào)動了學生的學習積極性，應用成效在學生的學習成績及學生的第二課堂中有明顯的體現(xiàn)，具體表現(xiàn)為：（1）在傳統(tǒng)的教學模式下，2016，2017 級學生的平均成績分別為79.3，80.1，掛科率分別為1.4%，2.6%；在案例教學法的教學模式下，2018，2019 級學生的平均成績分別為83.2，82.8，掛科率均為0，學生的平均成績上漲且掛科率明顯下降.（2）第二課堂是指學生在非上課時間，自愿選擇一名導師，進入相應科研實驗室，接受科研訓練，進行科研工作.這可以鍛煉學生的科研思維能力，提高學生對本專業(yè)的認識.在案例教學法應用之前，學生積極性不高，選擇發(fā)酵工程相關科研實驗室作為第二課堂的學生比例為22%；在案例教學法應用之后，經(jīng)統(tǒng)計，選擇發(fā)酵工程相關科研實驗室作為第二課堂的學生比例提高至67%，較之前提高了3 倍.由此可見，案例教學法的應用，對學習成績的提升有促進作用，對推動學生第二課堂的開展也有積極作用.

發(fā)酵工程課程作為生物工程專業(yè)內(nèi)理論與實際結(jié)合比較密切的課程之一，在本專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中占據(jù)著重要地位[12].案例教學法的實施，凸顯了學生在本課程中的主體性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力與實踐技能.同時案例教學法的引入，也需要配套的考核方式改革.傳統(tǒng)的教學考核過程中，總成績=平時成績（30%）+期末考試成績（70%），很多內(nèi)容強調(diào)學生對課程內(nèi)容的死記硬背.而當前學生的考核方式變革為總成績=課堂展示（25%）+論文撰寫（20%）+平時成績（15%）+期末考試成績（40%）.其中，期末試卷的命題大大降低了客觀題（名詞解釋等）的比例，增加了生產(chǎn)實例方面的題目，為學生提供了展示自己創(chuàng)新能力的空間.案例教學法的實施，讓學生把課堂上學到的知識點主動利用有效的案例連成線，實現(xiàn)了知識的有效掌握.通過課堂上的相互交流與展示，又將知識串成網(wǎng)，實現(xiàn)了內(nèi)容的融會貫通，培養(yǎng)了學生的學習興趣，提高了學生的個人能力，實現(xiàn)了“傳統(tǒng)傳授式課堂”向“自主學習式課堂”的轉(zhuǎn)變.