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摘要：微生物工程是生物技術專業重要的專業方向課，綜合性設計性實驗由于其特殊的優勢日益受到大學教育的重視，如何將微生物工程實驗開設為綜合性設計性實驗，以提高生物技術專業學生的創新精神和動手能力，一直是不斷探究的課題。文章就地方高校開設綜合性設計性實驗的優勢及存在的實際問題進行了剖析，同時以佳木斯大學多年來開設微生物工程綜合性設計性實驗的案例，供同類院校切磋。
關鍵詞：地方高校;微生物工程;綜合性設計性實驗
生物技術是21世紀六大技術領域的核心技術，許多國家已將生物技術的科技開發作為資金投入的戰略重點，也是各國提高國際科技競爭的重要的科學技術之一，生物技術產業正在成為世界新的經濟增長點?，F代生物技術是以基因工程為主導，微生物工程（即發酵工程）為中心，加上酶工程、細胞工程、蛋白工程等的綜合工程體系。微生物工程是實現生物技術產業化的最主要工程技術，在生物技術體系中處于核心主導地位。因此，許多高校將微生物工程課程作為生物技術、生物工程等其相關專業的必修專業課。國家教育部門對綜合性設計性實驗非常重視，教育部制定的《普通高等學校本科教學工作水平評估方案》中，等級優的要求標準是：綜合性、設計性實驗的課程占實驗課程總數80%以上。綜合性設計性實驗是指給定實驗目的、要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。設計性實驗可以培養學生創新意識和綜合實踐能力,培養學生分析問題、研究問題與解決實際問題的能力。但現實與理想總是存在矛盾，本文就地方高校開設綜合性、設計性實驗存在的實際問題進行剖析，同時提供我校多年來開設微生物工程綜合性設計實驗的案例，供同類院校切磋。
一、微生物工程開設綜合性設計性實驗的必要性
微生物工程是采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能為人類生產所需要的產品的過程，也稱為發酵工程。包括菌種的制備、培養基的制備、發酵過程的控制和產品的分離精制四部分。微生物工程應用的行業非常廣泛，如釀酒、食品、化工、制藥、酶制劑、環境凈化、農業、冶金等行業。目前，以微生物菌體或微生物發酵生產的保健食品又成為我國社會各界關注的焦點。微生物工程的應用遍及各行各業，掌握微生物工程技術與學生們的就業創業密切相關。將微生物工程實驗開設成綜合性設計性實驗，是學生們能掌握微生物工程技術的關鍵，因為綜合性設計性實驗較傳統的驗證性實驗有以下優勢。
（一）以學生為主體，最大限度發揮學生學習的主動性和創造性
綜合性設計性實驗是在指導老師給定實驗原料、實驗目的和實驗條件的前提下，學生在老師的指導下自己設計試驗方案。學生接受實驗任務后，必須明確實驗目的，獨立思維，運用自己掌握的知識進行分析、探討，制定試驗方案、試驗步驟，獨立完成試驗過程，并記錄實驗數據，對試驗數據進行計算和處理，對試驗結果進行分析和討論。在整個實驗過程中，以學生為主體，學生的創造性思維以及主動學習的積極性被調動，能最大限度發揮學生學習的主動性和創造性，是一種真正的以學生自我訓練為主的教學模式。
（二）使實驗轉化成試驗，有利于學生科研能力的培養
驗證性實驗的實驗結果是是唯一的、也是已知的；綜合性設計性實驗可以有多種情況：原料一樣，可以設置不同的試驗條件進行對比；不同原料在同一條件下進行對比；還可以設置多因素的正交試驗等等。總之，綜合性設計性實驗將傳統的驗證性實驗轉化成具有探究性質的“試驗”，學生們可以有許多試驗方案，也可以獲得多種試驗結果和結論。學生從試驗方案設計、到準備實驗、歷經試驗全過程、得到結果，再通過與其他小組不同設計方案的實驗結果進行比較，得出有價值的結論。對于本科生來講，這是一次科研經歷和嘗試，既培養了學生的科研能力，又能為學生今后從事相關方面的科研、生產及管理等工作奠定基礎。從根本上改變了傳統驗證性實驗的弊端,能激發學生的學習興趣和對實驗內容的探索，有利于學生創新能力和科研能力的培養。
（三）與教師科研相結合，提高綜合性設計性實驗的實際應用價值
教學與科研相結合是高校教師的特點，大學教師在完成教學任務的同時，還要進行深入的科學研究。而大學生的精力充沛、思維活躍、求知欲高、探索性強，喜歡參與科研活動。教育部及各高校積極鼓勵大學生參與科研活動或從事科研活動，包括設立各級大學生創新創業項目，建立師生共同科研制度，建立評獎評優獎勵機制等。但目前受客觀條件的限制，地方高校教師的科研項目不多，甚至沒有。加之本科學生數量大，能全部參與科研項目也是不現實的。而綜合性設計性實驗恰恰能為本科學生提供了一個參與科研的平臺，使本科學生都能接觸或參與一定的科研活動。另外，教師們進行科研活動需要購置原料、藥品以及儀器等，還需要投入較多的人力、大量的精力和科研經費。教學中的綜合性設計性實驗也需要花費人力、精力和經費。如果能夠將綜合性設計性實驗與教師的科研相結合，融二為一，不僅可以節約大量的科研經費、節省教師寶貴的科研時間，為科研項目的順利完成提供保障；還可以使綜合性設計性實驗具有重大的現實意義，提高綜合性設計性實驗的實際應用價值。
二、地方高校開設綜合性設計性實驗存在的問題
（一）所需實驗儀器不能充分保障
綜合性設計性實驗是步驟較多、檢測指標較多的試驗，組與組之間測試的指標不盡相同，但目前地方性高校普遍存在實驗儀器種類少，數量不足的問題，不能充分滿足綜合性設計性實驗對儀器設備的要求。
（二）實驗場所不能充分滿足
目前，高校在校學生人數多，實驗室數量不足，多門實驗課共用一個實驗室成為普遍現象。實驗室的容生量為30人，每次實驗為一個行政班級，學生人數在30人左右。每次上課是一個挨著一個，實驗課每名學生可以利用的操作臺不足30cm，對于需要器皿、設備較多的生物類實驗，即使驗證性實驗也不能滿足每名學生都能進行實驗操作，只能部分學生操作，部分學生在旁邊觀看。實驗室數量不足、人員密集、環境不良是開設綜合性設計性實驗的制約因素之一。
（三）指導教師與學生比例偏低
每次實驗課配有指導教師一名，指導教師與學生的比例在1:30左右，綜合性設計性實驗較驗證性實驗需要教師多付出幾倍或幾十倍的時間和精力，會有比較多的問題需要教師解決和處理，在師生比例偏低的情況下，全面開設綜合性設計性實驗比較困難。
（四）實驗課的課時不足
綜合性設計性實驗是費時較多、連貫性較強的實驗，開設綜合性設計性實驗必須有一定學時或較多的學生課余時間作保障。目前的現狀是學生上課門數比較多，每門課的學時比較少，課程排的比較滿，無論是實驗學時還是學生課余時間，都不能為綜合性設計性實驗提供時間保障。
（五）實驗教師素質有待提高
綜合性設計性實驗對指導教師的整體素質要求比較高，要求指導教師除了完成教學任務外，還要申報科研、教研項目。根據學科前沿發展情況，不斷挖掘新的實驗內容，開發新的實驗方法，改革和創新實驗教學手段、教學方法等；此外，實驗指導教師還應有堅實的專業知識儲備、豐富的科學研究經驗、熟練實踐操作技能和使用現代科學儀器設備的能力，以備解決綜合性設計性實驗教學過程遇到的實際問題，解釋學生可能會問及的許多相關問題，討論出現的較多不可預期的實驗現象和結果。由于目前地方高校教師的教學和科研經歷、教學水平、科研能力等參差不齊，加之，大部分教師愿意將更多精力投入在理論教學上，而對需要付出較多勞動的科學研究和實踐教學投入的精力不足。因此，開設綜合性設計性實驗，教師的整體素質、知識儲備、吃苦耐勞、樂于奉獻等綜合素質有待提高。
（六）學校政策上的支持和鼓勵不夠
提高實驗指導教師的綜合素質的前提下，學校在政策上要給予開設綜合性設計性實驗教師支持和鼓勵。對開設綜合性設計性實驗成功的教師，申報課題優先考慮，工作量的系數提高，實驗材料充分滿足，評優、晉職給予加分等，良好的激勵機制可以提高教師們開設綜合性設計性實驗的積極性。學校應根據實驗教師實際情況制定培訓計劃，加強對實驗指導教師專業技能、科研能力和師德師風等的培訓，或者提供到科研院所、生產企業外出學習和實踐的機會，以提高實驗指導教師的的科研能力和專業技能。
三、我校微生物工程課程開設綜合性設計性實驗案例分析
以下是佳木斯大學生物技術專業《微生物工程》實驗課開設綜合設計性實驗案例，在不增加課時的情況下，將葡萄酒釀造由驗證性實驗轉為綜合性設計性實驗。
（一）驗證性葡萄酒釀造實驗
驗證性葡萄酒釀造實驗，實驗學時8學時，兩次實驗，每次4學時。第一次實驗按老師給定的配方稱量葡萄、糖及酵母，按實驗操作步驟進行操作，葡萄破碎、裝瓶、接種、控溫發酵，經過大約一周的發酵，第二次實驗將其過濾、裝瓶、放冰箱后熟，實驗結束。這樣，雖然也能達到學習葡萄酒釀造方法的目的，但在整個實驗過程中，沒有以學生為主體，學生是被動學習，參與實驗的主動性沒有被調動起來，課后問及其葡萄酒發酵過程和發酵機理，大部分學生印象不深刻或回答不出來。
（二）綜合性設計性葡萄酒釀造實驗
1.與百姓生活及科研相結合。山葡萄酒是東北的主要葡萄品種，花青素含量高，是當地人們用于釀酒的主要原料，但由于其酸含量高，制約著山葡萄酒的開發利用。山葡萄酒的降酸問題是課題組承擔的省級、校級課題的部分研究內容，也是當地百姓釀制山葡萄酒關心的問題。所以，將山葡萄酒的降酸研究、酵母菌加量對山葡萄酒的影響、山葡萄酒的澄清等一些科研課題及與百姓生活密切相關的問題結合到葡萄酒的釀造實驗中，將驗證性實驗轉化為綜合性設計性實驗，激發學生上實驗課的積極性，達到科研與實驗“雙贏”，同時為百姓解決生活中的實際問題。
2.自制葡萄酒發酵裝置。自制葡萄酒發酵裝置如圖1所示，利用點滴管做排氣管，排氣控制開關，可以根據不同發酵階段產氣量多少對排氣量進行調節，避免發酵過程中酒精揮發對試驗結果的影響。點滴管上的過濾膜對進入的空氣起到過濾作用，可以防止雜菌的污染。
3.實驗分組和安排。實驗前，先將學生進行分組。為了減輕實驗室人多擁擠的壓力，一個班30名學生分成兩個大組，單獨進行實驗；為了讓每個學生都有參與實驗的機會，2名同學一小組。每個大組指定1名組長，1名副組長，代替老師做一些管理上的工作。指導教師安排每個大組的試驗任務，由組長具體分配每個小組的實驗任務。
4.每個小組學生的任務。學生根據任務要求（釀制酒的度數、pH值及總酸度），原料山葡萄的糖度、pH值及總酸度，計算加糖的比例，制定試驗的方案，寫出詳細的試驗步驟，設計試驗記錄表格，刷洗、滅菌發酵瓶及工具等。為了更好了解發酵過程，掌握發酵進程，發酵結束后獲得更多參數，讓學生準確稱量發酵裝置裝料前后的重量，并在發酵過程中安排學生每天按時稱量發酵裝置的重量，并詳細記錄，直至恒重。發酵結束，進行過濾，測量酒液的重量和體積，測定pH值和總酸度等指標，罐裝，置于冷藏柜后熟，備品嘗。
5.數據的整理及計算。根據每天發酵瓶的重量，計算失重（即CO2生成量），再由糖發酵反應式：C6H12O12C2H5OH+CO2，即失重（CO2生成量）88克、生成92克乙醇、消耗180克糖的比例關系，計算每天酒精生成量、糖的消耗量、發酵速度、殘糖量、酒精度（V/V和W/W）及出酒率等技術參數。學生們還可以由測得的酒液的重量和體積，計算酒液的密度，最后再以時間為橫坐標，作出酒精生成量和殘糖量的工作曲線，并將實驗結果放在班級的群網上共享，以便做對比分析和討論。
6.評價與反饋。綜合性設計性葡萄酒釀造試驗與驗證性實驗的不同之處：每個小組的試驗條件都不同，如果做不好就會影響整個大組試驗的結果和結論，也就意味每個同學都肩負著科研任務，有利于培養學生的責任感和團隊精神；試驗與科研相結合，可以激發學生的學習積極性，滿足學生喜歡探究的欲望；每個試驗的結果是未知的、不一樣的，避免了偷懶、抄襲現象的發生。學生們反饋“計算量太大了”。計算量大，是此綜合性設計性葡萄酒釀造試驗特點之一。是針對生物技術專業開設工程方面的課比較少，為培養學生工程計算能力而設計。通過大量計算，學生在工程計算方面得到鍛煉，提高了計算能力還加深了對酒精發酵機理的理解。此綜合性設計性萄酒釀造實驗是在沒有增加學時和設備的情況下完成的。不用進行酒精度和糖度測定，通過計算，學生就可獲知所釀葡萄酒的酒精度（W/W和V/V）、含糖量（干型酒還是半干型酒）以及密度等參數。學生們獲得的知識量、信息量較驗證性實驗大大增加了。通過期末試卷分析發現，開設葡萄酒綜合性設計性實驗后，學生們關于葡萄酒發酵機理、降酸機理方面的得分和計算題的得分都有明顯提高。上述綜合性設計性萄酒釀造實驗克服了學時少，儀器設備少的實際困難，達到了培養學生科研能力和綜合運算能力的教學目的，同時為葡萄酒的相關科研工作的完成節省了人力物力和寶貴的時間。
四、結語
開設綜合性設計性實驗是微生物工程等專業課程實驗教學改革的必然方向。在地方高校開設綜合性設計性實驗雖然存在較多的困難，但如果精心設計和安排，與科研有機結合，探索出符合實際情況的綜合性設計性實驗教學模式，有利于培養學生的實踐動手能力、科研能力和創新能力；有利于提高學生的綜合素質，激發學生的學習興趣；有利于教師科研任務的順利完成。
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作者:丁玉萍 韓誠武 劉德江 戚曉利 杜春梅
