虚实结合与自主设计教学情境在“发酵实验”课程中的应用——以内蒙古科技大学生物工程专业为例

卢庆华，卢 俊，王 蕾

（内蒙古科技大学 生命科学与技术学院，内蒙古包头 014010）

内蒙古科技大学生物工程专业立足内蒙古、面向全国，针对发酵与生物制药产业对专业人才的需求，培养掌握生物技术产品生产过程核心技术有较强实践与创新能力的高素质应用型人才。近年来，专业坚持以“工程教育专业认证”理念为导向，努力为区域和社会培养生物发酵行业急需人才。在创新创业越来越受到重视的新时代背景下，用人单位也更加看重大学毕业生在实际工作情境中创新能力的表现[1]。实践教学是高校专业人才培养中对于工程能力培养的重要环节，对于学生在工作岗位中解决工程实际问题的创新能力、实践操作能力的培养具有重要的意义[2]，这就对高校教师提出了新的要求，需要从教学理念与教学情境上大胆创新，提高学生积极性，使生物工程专业“发酵实验”课程更适合时代发展的需要，建立适应新时代的学生培养模式，使学生具备在实践中初步分析问题、解决问题的能力，培养与就业岗位“零对接”的创新性高能力的人才，并为学生在职业生涯发展中能打下坚实的工程基础[3]。自主学习是大学生涯中重要的特征之一，激发学生的学习兴趣和提升学生自主性是教学情境设计中需要重要考虑的因素之一。在内蒙古科技大学生物工程专业课程体系中，“发酵实验”是一门具有在应用和实践方面很强特点的工程课程，可以说是理论知识与生产实践的桥梁，对于学生在工作岗位中解决工程实际问题的创新能力、实践操作能力的培养具有重要的意义[4]。

1 “发酵实验”存在的问题

“发酵实验”课程教学虽然做了很多改进，但仍存在一些问题。例如，由于实验室面积有限，只能以小组为单位进行实验，影响实验效果。实验由教师全程指导，学生易产生依赖性，学习兴趣不浓、主动性不足，对学生创新能力及动手能力的培养尤为不利，不能达到预期的教学效果而且差距较大，导致学生缺乏主动性、积极性和团队合作意识。基于此，生物工程专业已经建成并逐渐完善的发酵实验平台。目前，啤酒实验室已建成并投入使用，小型好氧发酵实验平台也逐步在完善，实验设备如图1所示。设备数量暂时不能同时满足所有的学生，导致学生在实验中不能同时操作，大多数学生缺乏积极主动的预习实验的习惯，导致对实验过程不熟悉。在发酵实验前期开设中发现，即使教师在实验反复强调实验步骤，部分学生在操作过程中仍然不明所以。现阶段可开展的模拟生产试验项目有限，目前仅开展了基于实验室水平的发酵实验，学生对大型发酵设备缺少感官认识，对工业化生产线认识不足，缺乏对生产操作的训练，无法达到学校新型应用型人才培养的目标[5]。因此，创新发酵实验课程教学情境，对培养学生解决工程实际问题的创新能力、实践操作能力的培养具重要的意义。

图1 发酵实验设备

发酵实验设备见图1。

2 虚实结合自主设计的教学情境

随着信息技术发展，多媒体技术与虚拟实验平台技术的更加成熟，也愈加结合和应用到实践类教学过程中[6]。在实践教学中不断的摸索，从早期的手动操作到教学视频和动手操作相结合，再到视频、仿真和实操相结合。最终将教学视频、虚拟仿真实验平台、自主设计和实操相结合的教学情境应用于发酵实验中。通过制作实验过程教学小视频，利用网络共享资源，打造虚实结合自主设计的教学情境。在教学过程中仍然以实操为主，因为在实操过程中学生可真实地感受到发酵产生过程是什么样的，视频和仿真只是头脑中的概念，没有真实感，在实操中可能会发生意想不到的问题需要学生去解决，学生在实操中不仅能学会对工艺流程的操作，还能提高解决突发问题的能力。所以，采用了这种“以虚补实、虚实结合”的教学方式[6]。

2.1 制作教学视频，让学生提前熟悉实验过程

把实验的操作单元录制成小视频，上传到一些网络平台，在实验开设之前学生先通过视频学习来了解实验内容和过程。目前，啤酒生产工艺流程的小视频已入选由吉林大学主编、多校联合建设的“生物学实验基本技术与方法”数字课程。这些视频的展示，能较全面地显示实验操作过程和细节，学生还可在实验结束后进行反复学习巩固实验内容和操作，这样能更有效地帮助其掌握实验内容和实验操作[7-8]。

啤酒生产视频见图2，啤酒品鉴视频见图3，好氧发酵操作视频见4。

图2 啤酒生产视频

图3 啤酒品鉴视频

图4 好氧发酵操作视频

通过提前对实验内容的视频学习，学生会有更多的时间交流，解决疑惑、巩固学习内容。还可以通过协作的方式拓展设计模拟生产综合实验，产生新想法，扩展学生的创新思维和提升他们的创新能力[9]。

2.2 利用国家虚拟仿真平台激发学生学习兴趣

虚拟仿真实验平台是利用信息化技术来实现对实验原理内容、实验耗材与仪器、实验对象、实验操作及实验数据结果的模拟仿真[8，10]。利用计算机营造与现场实景相似的画面与空间，以达到辅助部分或全部替代传统实验操作环境的软硬件环境。利用虚拟仿真实验平台可极大地提高学生学习的积极性和主动性，培养学生的实际操作能力。

目前，国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台中能够用于生物工程实验教学的已经有50 多个，特别符合发酵实验的有白酒、啤酒，抗生素、燃料乙醇等。可利用国家虚拟仿真平台，完成与发酵生产相关的实验项目。同时，学院生物工程系与东方仿真合作完成了阿维菌素生产的仿真模拟。学生可对整个工艺流程中的各个环节反复操作训练，且可通过“试错”来了解“后果”，在实际操作中提高规范生产和安全意识[11]。

2.3 打造教学视频、虚拟仿真、自主设计和实操相结合的“组合拳”教学情境

①课前视频学习，了解实验内容和教学情境。②学生在教师的指导下查阅文献，初步设计实验方案，进一步结合仿真模拟实验。通过仿真实验模拟现场发酵生产过程，激发学生的求知欲。③上罐发酵，发酵过程控制，发酵成熟之后进行产品检测，使学生更好地掌握发酵单元操作及产品分析，突出实践能力培养。

发酵实验教学方法见图5。

图5 发酵实验教学方法

虚实结合自主设计相结合的教学方法，是在传统的教师讲授、学生操作的基础上，充分利用多媒体及网络平台等现代化教学手段，提高教学效率，强化学生对发酵知识的掌握。同时，把设计研发的成果转化为真正的产品，提升了学生的创新思维和创新动力。创新和发展了发酵工程类课程实验教学情境，把传统的实验教学方式转向虚实结合的教学新模式。体现“玩中学”“做中学”，通过教学视频和仿真模块激发了学生的兴趣并提高学生的动手能力。

3 教学效果

创新实验课程教学情境不仅能够弥补学生学习状态不佳和实践设备不足的缺点，利用建设视频学习和国家开放虚拟仿真平台，夯实学生对发酵实验原理和实践操作技能的理解和掌握，还可避免在真实实验中由于操作失误导致的安全问题[6]。通过打造教学视频、虚拟仿真、自主设计和实体实验相结合的“组合拳”这种教学情境，使学生解决工程实际问题的创新能力、实践操作能力都得以提升。这种“组合拳”方式的教学情境，也能解决学生在实验过程中对教师全程指导的依赖、学习兴趣不浓、主动性不足的问题。通过校内学生对课程的满意度调查发现，98%的学生对“发酵实验”的教学方式非常满意，调查结果分析见图6。学生的实验成绩也比较理想，通过课程目标达成度分析可知，3 个课程目标的达成情况都在85%以上。

图6 问卷调查结果

问卷调查结果见图6。

“发酵实验”课教学体系及内容的改革得到了学生们的认可，让学生真正成为了实验的主角[12]、学习的主体。线上线下和自主设计的结合，使每个学生都能真正参与到实验中来，通过虚实结合自主设计，把最新的前沿知识传递给学生，不仅提高了实验教学质量，还提升了学生的自主学习和创新能力[13]。