韓毅強，高亞梅，王偉東

摘 要：綜合性實驗教學(xué)對于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要作用。文章以酶工程綜合性實驗“黑曲霉的固定化實驗”為例，從“黑曲霉固定化”實驗教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，詳述了酶工程綜合性實驗教學(xué)的實施策略，以期為其他課程的綜合性實驗教學(xué)提供有益經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：酶工程;實驗教學(xué);策略;黑曲霉固定化

中圖分類號：G640 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）03-0027-02

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是高等教育的重要方面。高校除理論教學(xué)外，實驗教學(xué)是實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義[1-2]。生物課程具有很強的實踐性，伴隨實驗教學(xué)改革的不斷深入，綜合性、創(chuàng)新性實驗比例增加以及一些難度較高的涉及前沿技術(shù)的實驗教學(xué)內(nèi)容的增設(shè)，對實驗室的管理、實驗人員的素質(zhì)提出了更高要求。酶工程課程是生物技術(shù)專業(yè)的主干課，也是一門技術(shù)應(yīng)用性很強的學(xué)科，在酶工程的實驗教學(xué)過程中，設(shè)計性、綜合性為主的實驗項目逐漸增加。要求開放實驗室，采用開放式實驗教學(xué)，同時，開放式實驗教學(xué)也是實驗教學(xué)改革的總體趨勢[3-5]。設(shè)計性、綜合性實驗的開設(shè)能夠提高學(xué)生的實踐技能和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣與自信心，獲得了良好的實驗教學(xué)效果[6-7]。下面對黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命學(xué)院酶工程課程黑曲霉固定化實驗的改革作簡單介紹。

一、“黑曲霉固定化”實驗教學(xué)現(xiàn)狀

對原有的黑曲霉固定化實驗分析發(fā)現(xiàn)，原有實驗課程是對黑曲霉進行固定化，通過固定化黑曲霉產(chǎn)生的淀粉酶水解淀粉生產(chǎn)糖。原有的實驗內(nèi)容較為簡單，只要求學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握包埋法固定化細胞技術(shù)的基本過程，學(xué)生對細胞固定化方法的影響因素、實驗設(shè)計方法以及優(yōu)越性和重要性等認識不足，對其應(yīng)用的意義不能深刻理解。

二、“黑曲霉固定化”綜合性實驗教學(xué)策略

依據(jù)前期的分析結(jié)論，在實驗中增加了影響固定化細胞發(fā)酵的四種因素。經(jīng)過改進后實驗課程對學(xué)生提出了更多的要求：（1）認識固定化細胞與游離細胞發(fā)酵能力的差別;（2）掌握固定化細胞發(fā)酵的溫度、pH值、發(fā)酵的時間、底物濃度對發(fā)酵的影響;（3）掌握評價固定化細胞應(yīng)用效果的方法;（4）學(xué)會正交實驗的設(shè)計和應(yīng)用。改進后的黑曲霉固定化實驗讓學(xué)生在對比中發(fā)現(xiàn)固定化細胞的重要用途，切實體會細胞固定化的優(yōu)越性，并且在實驗中掌握影響固定化黑曲霉活性的主要因素。讓學(xué)生學(xué)會在多種因素存在時通過簡單快速的方法（正交實驗）獲得理想的結(jié)果。

（一）探討發(fā)酵反應(yīng)的影響因素

發(fā)酵反應(yīng)受到多種因素的影響，首先，要保證正常的發(fā)酵過程，就需確定最適溫度，維持最適溫度。其次，pH值也是影響發(fā)酵的重要因素之一，在黑曲霉發(fā)酵實驗中淀粉酶最適合的pH值與其他生物體不盡相同，需要精確測定其最適合pH值。再次，溶解氧和發(fā)酵液中各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，特別是碳氮比、無機鹽和維生素的濃度，會直接影響菌體的生長和代謝產(chǎn)物的積累。因此，我們將發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH值、發(fā)酵時間和底物淀粉濃度，均改為三個梯度，便于研究各種因素對發(fā)酵反應(yīng)的影響，提高學(xué)生對發(fā)酵反應(yīng)的理解、認識各種因素對發(fā)酵的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究思維方式（見表1）。

表1 ?改進后實驗主要區(qū)別

（二）運用正交法進行實驗設(shè)計

影響發(fā)酵過程的因素眾多，如對上面四個因素三個水平的各種搭配都要考慮，按一般方法共需做3×3×3×3=81次實驗（見表2），實驗次數(shù)過多，實驗難以實施。

因此，可以應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法中的正交法來安排實驗，計算和分析實驗結(jié)果。如對四個因素三個水平分析用正交表（見表2）只需做9次實驗，選用L9（34）表（L是正交表的代號，L右下角的數(shù)字表示實驗次數(shù)）。L9（34）表有兩個特性：（1）在每一列中各個不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相同，每一列中“1”“2”“3”這三個數(shù)字都出現(xiàn)三次;（2）每兩列的橫行組成的各種不同的“數(shù)對”出現(xiàn)的次數(shù)也都相同，每兩列的橫行組成的“數(shù)對”共有九個，九種不同的數(shù)對（1，1）、（1，2）、（1，3）、（2，1）、（2，2）、（2，3）、（3，1）、（3，2）、（3，3）均出現(xiàn)一次。這兩個特點保證了用正交表安排的實驗計劃的均衡搭配性[8]。因此，分析數(shù)據(jù)比較方便，結(jié)果比較可靠。這樣就能通過少量實驗取得較好的效果。讓學(xué)生應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法解決生物學(xué)問題可以深刻體會到在生物學(xué)研究時統(tǒng)計學(xué)的重要性，系統(tǒng)掌握這種方法，對學(xué)生的科學(xué)養(yǎng)成大有裨益。

表2 ?正交實驗設(shè)計L9（34）表

（三）注重綜合性實驗結(jié)果的分析

原實驗結(jié)果較為單一，僅有糖含量的數(shù)據(jù)，沒有具體的對照，不能判斷固定化的優(yōu)缺點。改進后的實驗通過結(jié)果能夠獲得產(chǎn)品的生產(chǎn)強度：即每小時每升反應(yīng)體積所生產(chǎn)的產(chǎn)品的克數(shù)。通過固定化細胞和游離細胞對照，可以比較出固定化細胞在發(fā)酵中的優(yōu)勢，通過正交實驗掌握發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH值、發(fā)酵時間和底物濃度四種因素對固定化細胞的影響，并通過數(shù)學(xué)計算獲得最佳的發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH值、發(fā)酵時間和底物濃度。在撰寫實驗報告總結(jié)時學(xué)生需要理論知識與實踐相結(jié)合。這必將提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，提高同學(xué)間協(xié)作能力，訓(xùn)練學(xué)生的溝通能力，提高學(xué)生對實際工作的適應(yīng)性，使學(xué)生成為實驗改革的直接受益者。

三、綜合性試驗實施的關(guān)鍵

（一）保障實驗室的開放時間

為了使實驗開設(shè)順利完成，我們通過實驗設(shè)計將實驗時間盡量控制在正常工作時間，減少中午、夜間和節(jié)假日實驗安排。建立教師值班制度，保證在實驗室開放時間段內(nèi)有教師在實驗室指導(dǎo)和管理?，F(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè)越發(fā)齊全，電話人手一機，實驗室建立了網(wǎng)絡(luò)通訊組并設(shè)立實驗預(yù)約電話。學(xué)生通過網(wǎng)上預(yù)約、電話預(yù)約等方式保證實驗時間。

（二）合理使用藥品和儀器

為保證學(xué)生更好地學(xué)習(xí)實驗技術(shù)，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)開設(shè)有藥品和儀器使用的“儀器使用”理論課程。教師在實驗課程前對學(xué)生進行相關(guān)教育，講授2—4學(xué)時，讓學(xué)生了解實驗室的各項規(guī)章制度。同時對進入開放實驗室的學(xué)生進行短期的培訓(xùn)，要求每名學(xué)生學(xué)會必要的實驗室常識和禮節(jié)，熟知實驗室中各種有害藥品和防護方法，熟練掌握各種儀器的使用方法。要求精密儀器必須在教師的指導(dǎo)下使用。

（三）健全開放實驗教學(xué)管理機制

綜合性實驗的開設(shè)使實驗教學(xué)管理工作更加復(fù)雜，對實驗室的管理提出了更進一步的要求[9-11]。實驗室管理細化，記錄進出實驗室學(xué)生的人數(shù)、姓名和時間，通過加裝攝像頭、門禁卡等方式進行嚴格管理，實驗教師精確掌握學(xué)生進出實驗室的情況，輔導(dǎo)和解決學(xué)生在實驗中遇到的困難和問題，糾正學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的不規(guī)范動作和習(xí)慣，維護實驗室的安全、有序和穩(wěn)定運行。

綜上所述，為提升酶工程實驗教學(xué)的質(zhì)量，針對其實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法、實驗室開放管理等開展了一系列改革嘗試，酶工程綜合性和設(shè)計性實驗的開設(shè)益處非常明顯。學(xué)生在實驗過程中獨立動手能力加強，對學(xué)習(xí)的理論內(nèi)容理解更透徹，激發(fā)了學(xué)生的興趣，達到了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

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