王 芳，賈萬利，王海賓，郭建峰

（中北大學，山西 太原 030051）

“發(fā)酵工程”是理工科高等院校生物技術(shù)、生物工程、生物制藥及食品工程等多個工科專業(yè)的核心課程之一，該課程系統(tǒng)學習工業(yè)發(fā)酵的共性原理及技術(shù)，涵蓋生物學和工程學內(nèi)容，基礎(chǔ)理論性和實踐性要求都很高。在新工科教育背景下，工科素養(yǎng)的培養(yǎng)、實踐能力的提升對課程的教學內(nèi)容和教學方式提出了更高的要求。多個高校相關(guān)課題組結(jié)合各自教學實際對“發(fā)酵工程”課程進行了教學內(nèi)容的重組、教學方法的改進等相關(guān)的研究和實踐[1-2]。

1 “發(fā)酵工程”實驗教學改革研究進展

1.1 虛擬仿真技術(shù)在發(fā)酵工程實驗中的應(yīng)用

“發(fā)酵工程”實驗是“發(fā)酵工程”課程必不可少的一部分，在發(fā)酵工程學科素養(yǎng)培養(yǎng)過程中發(fā)揮重要作用。針對傳統(tǒng)實踐教學的局限性，“互聯(lián)網(wǎng)+”和虛擬仿真技術(shù)在實踐教學中的應(yīng)用越來越多，發(fā)酵工程實驗方面也產(chǎn)生了一批優(yōu)秀的虛仿實驗項目。如武漢理工大學、哈爾濱工業(yè)大學相關(guān)課程組分別針對本科生和研究生層次建設(shè)了“抗生素發(fā)酵生產(chǎn)工藝與工程實踐”“微生物絮凝劑合成機理研究及應(yīng)用”等虛仿實驗項目，將線下不易實現(xiàn)的實驗內(nèi)容通過計算機展現(xiàn)給學生，并從微觀到宏觀，從原理到設(shè)備多層次、多角度逐步展示[3]。南京工業(yè)大學“發(fā)酵工程”課程組則將VR 技術(shù)與實驗室設(shè)備結(jié)合，構(gòu)建了一個虛實結(jié)合的多維工程中試實驗室平臺，推進工程素質(zhì)教育[4]。以上虛擬仿真項目在培養(yǎng)學生綜合利用所學知識探索微生物生長及發(fā)酵過程發(fā)揮了重要作用，并在教學中得到了學生積極的反饋。發(fā)酵方式包括深層液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵，然而，目前“發(fā)酵工程”實驗相關(guān)的虛仿項目均以液態(tài)發(fā)酵技術(shù)為主，在固態(tài)發(fā)酵，尤其是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵方面虛仿項目較少。

1.2 傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵特征及實驗項目開發(fā)現(xiàn)狀

微生物被譽為發(fā)酵食品的“靈魂”，與純種液態(tài)發(fā)酵相比，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的微生物大多來源于釀造環(huán)境、原料，微生物種類與數(shù)量繁多，相互影響逐步演變，形成一個獨特的微生態(tài)群落，且隨著釀造工藝的進行，其微生態(tài)組成和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵主要應(yīng)用在風味食品的制作，如釀酒、釀醋、豆腐乳、豆豉、泡菜等，其群落中的微生物對原料的代謝途徑多樣而復(fù)雜，并隨之形成獨特的感官、營養(yǎng)和功能物質(zhì)。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵在現(xiàn)代多種名優(yōu)地理標志產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有純種液態(tài)發(fā)酵不可替代的效果[5-6]。除此之外，固態(tài)發(fā)酵用水量少、在后續(xù)加工過程中能耗少的特點在低碳清潔生產(chǎn)中有極大潛力。然而，由于研究技術(shù)的限制，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵食品的核心功能微生物組成及種群演變規(guī)律、代謝物變化規(guī)律、特征風味物質(zhì)形成過程等很多原理和機制還不甚明了，因此對于經(jīng)驗和環(huán)境要求較高，學生在實驗室不易成功。實際上，不論是作為科學研究還是工程內(nèi)容，固態(tài)發(fā)酵過程同樣遵循微生物生長代謝基本規(guī)律、微生物與環(huán)境互作，以及物質(zhì)傳遞、動量傳遞以及熱量守恒等基本化工單元操作基本規(guī)律，是一個復(fù)雜工程體系[7]。

固態(tài)發(fā)酵過程中問題的解決需要微生物生理和工程計算方面知識綜合分析，可以作為重要抓手培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力。然而在現(xiàn)實中，由于固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)周期長、自然微生物受地理條件限制、產(chǎn)品質(zhì)量不易控制等問題，學生通常很難在線下有限的實驗時間和實驗空間內(nèi)高質(zhì)量地完成，嚴重影響實際開課率。很多高校生物工程專業(yè)“發(fā)酵工程”實踐課程只開設(shè)液態(tài)發(fā)酵內(nèi)容，忽略固態(tài)發(fā)酵，尤其是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的綜合實驗。

2 以山西老陳醋為例建設(shè)固態(tài)發(fā)酵虛擬仿真項目

山西老陳醋是中國四大名醋之首，是中國食醋地理標志產(chǎn)品。山西老陳醋以當?shù)靥厣‰s糧高粱為主要原料，配以豌豆、苦蕎、小麥麩皮等原料，經(jīng)大曲糖化、酒精發(fā)酵、高溫引種醋酸菌、熏醅等工藝發(fā)酵而成。其原料、微生物菌源自產(chǎn)地，發(fā)酵完成之后要經(jīng)歷1～3 年的夏曬冬撈冰陳釀后熟過程。陳釀不僅是老陳醋的濃縮過程，也是各種生化反應(yīng)進行，進一步形成老陳醋特有風味物質(zhì)的過程[8]。整個釀造工藝是地理生態(tài)環(huán)境、微生物與釀造工藝的完美結(jié)合，是傳統(tǒng)文化中就地取材、順應(yīng)自然的大生態(tài)理念的體現(xiàn)，極具科學性與傳承價值。以“山西老陳醋”為例，將傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵以虛擬仿真實驗的形式融入“發(fā)酵工程”實驗教學中，可以為發(fā)酵工程實驗體系補足重要的一環(huán)，同時也是山西省地方特色釀造文化的升級和傳承。

2.1 從山西老陳醋發(fā)酵中提煉微生物發(fā)酵及食品生化反應(yīng)知識點

在發(fā)酵工藝及原理方面，老陳醋釀造在內(nèi)容上貫通厭氧酒精發(fā)酵和需氧醋酸發(fā)酵，實驗過程涉及原料選取與預(yù)處理、大曲糖化、大曲質(zhì)量鑒定及微生物菌相分析、糖化過程中酶活和營養(yǎng)物質(zhì)的變化、酒精發(fā)酵、引火工藝、醋酸發(fā)酵、熏醅及美拉德反應(yīng)、陳釀及關(guān)鍵芳香物質(zhì)的形成等10 個知識點。對工藝技術(shù)及背后科學原理的深刻理解需要調(diào)動生物產(chǎn)品工藝學、微生物學、發(fā)酵工程、生物化學、有機化學、生物工廠設(shè)計與生物設(shè)備、食品工藝學等多門基礎(chǔ)和專業(yè)課程的知識，將其中涉及的知識點融匯貫通，從而為培養(yǎng)工科學生“解決復(fù)雜工程問題能力”提供一次重要的實踐。

課程組在太原寧化府老陳醋生產(chǎn)車間實地取材建模，委托上海曼恒科技有限公司進行技術(shù)開發(fā)，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學管理于一體，建設(shè)成為具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺（http://121.196.15.100/page2021/vinegar/index.html）。線上項目內(nèi)容與傳統(tǒng)課堂教授內(nèi)容交互，并在手機端進行了內(nèi)容的擴展，為學生提供系統(tǒng)、完備的學習體驗。該項目既可以作為生物工程在校學生的教學軟件，也可以服務(wù)于老陳醋生產(chǎn)企業(yè)崗前培訓。

項目通過“情景再現(xiàn)”與“產(chǎn)品化實習”，重現(xiàn)真實發(fā)酵工藝生產(chǎn)流程，縮短實驗周期，讓學生有親臨其境的真實感受，提升實訓效率及效果。學習并實踐了山西老陳醋虛仿固態(tài)發(fā)酵工藝之后，學生應(yīng)理解老陳醋中微生物生長代謝規(guī)律及其與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)系，進一步清楚固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵的異同點，為培養(yǎng)固態(tài)發(fā)酵中復(fù)雜工程問題的分析和解決能力提供實踐平臺。

2.2 項目按照“虛實結(jié)合，能實不虛”的原則，圍繞全程質(zhì)量控制的思想構(gòu)建了從初級到高級的訓練考核體系

項目按照“能實不需，虛實結(jié)合”的思路設(shè)計，打造虛實結(jié)合的實驗項目（見圖1）。線上內(nèi)容主要通過虛擬仿真模擬老陳醋的整體工藝、設(shè)備及質(zhì)量監(jiān)控要點，比如釀造過程中涉及到整體工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境等，讓學生對整體生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備有全面的了解。線上部分還包括工藝中重要的質(zhì)量控制點，如發(fā)酵培養(yǎng)過程、熏醅、陳釀等步驟，每一個質(zhì)量控制點的操作條件均會影響到其中的生化反應(yīng)進程，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差異。因此，在設(shè)計中不同的操作會產(chǎn)生不同結(jié)果，錯誤的操作程序會給出殘次品的結(jié)果，并給出選擇返回重做，借此糾偏模塊加深學生對工藝控制點作用的理解。在實驗的關(guān)鍵步驟中穿插了問答題，涉及了該步驟背后的主要原理相關(guān)知識點的理解，如微生物菌相變化、酶的變化、風味變化和營養(yǎng)成分變化，讓學生能夠?qū)嶋H聯(lián)系理論，強化學生對發(fā)酵機理和工程原理的應(yīng)用能力。

線下部分主要在工藝中選取實物體積小的原料、中間產(chǎn)物和終端產(chǎn)物，在線下實驗室利用已有分析設(shè)備進行分析檢測及感官評價，如高粱、豌豆等原料的認知，大曲的感官及活性檢測、酒精度檢測、新醋和老陳醋的醋酸檢測及感官評價等。線上和線下質(zhì)量監(jiān)控點包含了老陳醋生產(chǎn)過程中主要的檢測內(nèi)容，通過實踐深化全程質(zhì)量控制的理念。

實驗設(shè)計思路見圖1。

圖1 實驗設(shè)計思路

為了提高仿真實驗項目對學生從知識到解決復(fù)雜工程問題能力不通層次的培養(yǎng)，實驗由易到難設(shè)計了初級、中級、高級3 個模塊。初級和中級通常按既定模式學習和應(yīng)用，高級層次以“質(zhì)量糾偏模塊”來實現(xiàn)。此模塊中會隨學生操作參數(shù)不同而出現(xiàn)生產(chǎn)中的各種問題，學生需要根據(jù)所學知識和實際情況進行分析，找到產(chǎn)生問題的原因，提出綜合解決方法及依據(jù)，并通過操控模式解決。系統(tǒng)根據(jù)問題解決的程度，進行打分?！疤搶嵔Y(jié)合”與“在線糾錯”，減少了實驗材料的損耗、避免了盲目操作的風險、縮短了實驗培訓時間。

2.3 項目設(shè)計分層次、多維度展示實驗內(nèi)容在時間、空間、操作上的變化

項目具體分為實驗預(yù)習、實驗?zāi)M和考核測評3 個模塊，每個模塊層層展開，涉及車間選擇和排序、場景展示、原料和設(shè)備選擇、分步操作、參數(shù)輸入、產(chǎn)生數(shù)據(jù)、形成結(jié)果等一系列實施過程。具體講可以從4 個層面。

第一層面為運行模塊內(nèi)容。該實驗把整個實驗內(nèi)容融入到3 個運行模塊中，從而更清晰地展現(xiàn)所涵蓋的過程體系。

第二層面為場景性內(nèi)容。利用場景性帶入法，每個過程模塊對應(yīng)一個或者若干個相應(yīng)場景（車間），通過360 °全景巡視，創(chuàng)設(shè)一種身臨其境的感覺，從而引導(dǎo)學生更容易進入相應(yīng)的實驗步驟和所設(shè)立的實驗環(huán)節(jié)中。

第三層面是時間性內(nèi)容。通過設(shè)置實驗流程、現(xiàn)在所處實驗步驟、實驗操作提示，進入每個場景后，通過界面友好的引導(dǎo)，學生能夠?qū)崟r感受到自己所處的操作節(jié)點，領(lǐng)悟當前操作要領(lǐng)，基于先前的預(yù)習和討論，能夠一步一步將實驗進行下去，最終完成一個場景的所有操作。

第四層面為實驗訓練內(nèi)容。借助引導(dǎo)和激勵，通過嘗試和糾錯，根據(jù)實驗進程設(shè)計一系列關(guān)節(jié)點，如同游戲闖關(guān)，不能完成關(guān)鍵過程，只能退出重來，從而增強實驗的吸引力和挑戰(zhàn)性。在具體的實驗過程中，充分體現(xiàn)學生的自主性學習，尤其是學習時間和學習地點的靈活性，學習模塊和學習場景的自主選擇和重要環(huán)節(jié)的反復(fù)操演，鍛煉學生解決問題的動手能力。

2.4 選擇多種教學方法交叉融合，讓學生成為“教”“學”過程的中心和主體

整個項目通過課堂教學、線上討論組等方式實現(xiàn)師生互動式、研討式教學；學生通過自主學習和組隊學習進行自主式、合作式、探究式學習。項目建設(shè)過程有學生的全程參與，以學生的需求為項目建設(shè)的主體。項目含有自主學習模塊，相比于傳統(tǒng)“填鴨式”教學方法，學生的自主創(chuàng)新和學習能力有了顯著提高，學習效果更好。其中，線上自主考核系統(tǒng)，學生根據(jù)自己的想法操作實驗，實現(xiàn)實習時間、實習步驟、實習報告的管理和分享，可以追溯和管理實習的過程。

3 山西老陳醋項目建設(shè)中優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的滲透

中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化博大精深，體現(xiàn)在人們生活、勞動的方方面面。很多名特優(yōu)地理標志產(chǎn)品，如汾酒、茅臺、老陳醋、豆豉等，都是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵多富集自然菌種，菌種微生態(tài)來源和動態(tài)演變，以及對最終產(chǎn)品獨特風味的貢獻是自然環(huán)境氣候、水、原料、用具、工藝和諧統(tǒng)一的結(jié)果，在釀造過程中既體現(xiàn)了微生物對環(huán)境氣候溫度、濕度等條件的依賴，也凸顯了通過人為調(diào)整原料中營養(yǎng)物質(zhì)、pH 值、發(fā)酵時間等對發(fā)酵方向的控制。比如山西老陳醋傳統(tǒng)釀造工藝中的“夏曬冬撈冰”“酒精發(fā)酵時間隨夏天與冬天而變化”、酒精發(fā)酵向醋酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化時加入的輔料，都暗含了我國“天人合一”“順應(yīng)自然”“天時、地利、人和”自然統(tǒng)一等哲學思想。

在傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵虛擬仿真項目的建設(shè)過程中，課程組積極挖掘山西老陳醋工藝中蘊含的哲學思考，并將其在虛仿課程引導(dǎo)片中展示出來，使得學生在學習、使用虛仿課程的同時，領(lǐng)會體悟其中蘊含的傳統(tǒng)哲學思想，提升工科學生的人文素養(yǎng)[9]。

4 結(jié)語

項目旨在以山西老陳醋為切入點，研究、傳承、提升傳統(tǒng)自然固態(tài)發(fā)酵，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了虛擬仿真項目。在教學中融合線上虛擬仿真軟件和線下實驗室的分析檢測，讓學生更好地掌握固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備、工藝條件和質(zhì)量控制方法，為綜合培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力提供一個著力點。