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摘要：微生物工程是生物技术专业重要的专业方向课，综合性设计性实验由于其特殊的优势日益受到大学教育的重视，如何将微生物工程实验开设为综合性设计性实验，以提高生物技术专业学生的创新精神和动手能力，一直是不断探究的课题。文章就地方高校开设综合性设计性实验的优势及存在的实际问题进行了剖析，同时以佳木斯大学多年来开设微生物工程综合性设计性实验的案例，供同类院校切磋。
关键词：地方高校;微生物工程;综合性设计性实验
生物技术是21世纪六大技术领域的核心技术，许多国家已将生物技术的科技开发作为资金投入的战略重点，也是各国提高国际科技竞争的重要的科学技术之一，生物技术产业正在成为世界新的经济增长点。现代生物技术是以基因工程为主导，微生物工程（即发酵工程）为中心，加上酶工程、细胞工程、蛋白工程等的综合工程体系。微生物工程是实现生物技术产业化的最主要工程技术，在生物技术体系中处于核心主导地位。因此，许多高校将微生物工程课程作为生物技术、生物工程等其相关专业的必修专业课。国家教育部门对综合性设计性实验非常重视，教育部制定的《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》中，等级优的要求标准是：综合性、设计性实验的课程占实验课程总数80%以上。综合性设计性实验是指给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。设计性实验可以培养学生创新意识和综合实践能力,培养学生分析问题、研究问题与解决实际问题的能力。但现实与理想总是存在矛盾，本文就地方高校开设综合性、设计性实验存在的实际问题进行剖析，同时提供我校多年来开设微生物工程综合性设计实验的案例，供同类院校切磋。
一、微生物工程开设综合性设计性实验的必要性
微生物工程是采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能为人类生产所需要的产品的过程，也称为发酵工程。包括菌种的制备、培养基的制备、发酵过程的控制和产品的分离精制四部分。微生物工程应用的行业非常广泛，如酿酒、食品、化工、制药、酶制剂、环境净化、农业、冶金等行业。目前，以微生物菌体或微生物发酵生产的保健食品又成为我国社会各界关注的焦点。微生物工程的应用遍及各行各业，掌握微生物工程技术与学生们的就业创业密切相关。将微生物工程实验开设成综合性设计性实验，是学生们能掌握微生物工程技术的关键，因为综合性设计性实验较传统的验证性实验有以下优势。
（一）以学生为主体，最大限度发挥学生学习的主动性和创造性
综合性设计性实验是在指导老师给定实验原料、实验目的和实验条件的前提下，学生在老师的指导下自己设计试验方案。学生接受实验任务后，必须明确实验目的，独立思维，运用自己掌握的知识进行分析、探讨，制定试验方案、试验步骤，独立完成试验过程，并记录实验数据，对试验数据进行计算和处理，对试验结果进行分析和讨论。在整个实验过程中，以学生为主体，学生的创造性思维以及主动学习的积极性被调动，能最大限度发挥学生学习的主动性和创造性，是一种真正的以学生自我训练为主的教学模式。
（二）使实验转化成试验，有利于学生科研能力的培养
验证性实验的实验结果是是唯一的、也是已知的；综合性设计性实验可以有多种情况：原料一样，可以设置不同的试验条件进行对比；不同原料在同一条件下进行对比；还可以设置多因素的正交试验等等。总之，综合性设计性实验将传统的验证性实验转化成具有探究性质的“试验”，学生们可以有许多试验方案，也可以获得多种试验结果和结论。学生从试验方案设计、到准备实验、历经试验全过程、得到结果，再通过与其他小组不同设计方案的实验结果进行比较，得出有价值的结论。对于本科生来讲，这是一次科研经历和尝试，既培养了学生的科研能力，又能为学生今后从事相关方面的科研、生产及管理等工作奠定基础。从根本上改变了传统验证性实验的弊端,能激发学生的学习兴趣和对实验内容的探索，有利于学生创新能力和科研能力的培养。
（三）与教师科研相结合，提高综合性设计性实验的实际应用价值
教学与科研相结合是高校教师的特点，大学教师在完成教学任务的同时，还要进行深入的科学研究。而大学生的精力充沛、思维活跃、求知欲高、探索性强，喜欢参与科研活动。教育部及各高校积极鼓励大学生参与科研活动或从事科研活动，包括设立各级大学生创新创业项目，建立师生共同科研制度，建立评奖评优奖励机制等。但目前受客观条件的限制，地方高校教师的科研项目不多，甚至没有。加之本科学生数量大，能全部参与科研项目也是不现实的。而综合性设计性实验恰恰能为本科学生提供了一个参与科研的平台，使本科学生都能接触或参与一定的科研活动。另外，教师们进行科研活动需要购置原料、药品以及仪器等，还需要投入较多的人力、大量的精力和科研经费。教学中的综合性设计性实验也需要花费人力、精力和经费。如果能够将综合性设计性实验与教师的科研相结合，融二为一，不仅可以节约大量的科研经费、节省教师宝贵的科研时间，为科研项目的顺利完成提供保障；还可以使综合性设计性实验具有重大的现实意义，提高综合性设计性实验的实际应用价值。
二、地方高校开设综合性设计性实验存在的问题
（一）所需实验仪器不能充分保障
综合性设计性实验是步骤较多、检测指标较多的试验，组与组之间测试的指标不尽相同，但目前地方性高校普遍存在实验仪器种类少，数量不足的问题，不能充分满足综合性设计性实验对仪器设备的要求。
（二）实验场所不能充分满足
目前，高校在校学生人数多，实验室数量不足，多门实验课共用一个实验室成为普遍现象。实验室的容生量为30人，每次实验为一个行政班级，学生人数在30人左右。每次上课是一个挨着一个，实验课每名学生可以利用的操作台不足30cm，对于需要器皿、设备较多的生物类实验，即使验证性实验也不能满足每名学生都能进行实验操作，只能部分学生操作，部分学生在旁边观看。实验室数量不足、人员密集、环境不良是开设综合性设计性实验的制约因素之一。
（三）指导教师与学生比例偏低
每次实验课配有指导教师一名，指导教师与学生的比例在1:30左右，综合性设计性实验较验证性实验需要教师多付出几倍或几十倍的时间和精力，会有比较多的问题需要教师解决和处理，在师生比例偏低的情况下，全面开设综合性设计性实验比较困难。
（四）实验课的课时不足
综合性设计性实验是费时较多、连贯性较强的实验，开设综合性设计性实验必须有一定学时或较多的学生课余时间作保障。目前的现状是学生上课门数比较多，每门课的学时比较少，课程排的比较满，无论是实验学时还是学生课余时间，都不能为综合性设计性实验提供时间保障。
（五）实验教师素质有待提高
综合性设计性实验对指导教师的整体素质要求比较高，要求指导教师除了完成教学任务外，还要申报科研、教研项目。根据学科前沿发展情况，不断挖掘新的实验内容，开发新的实验方法，改革和创新实验教学手段、教学方法等；此外，实验指导教师还应有坚实的专业知识储备、丰富的科学研究经验、熟练实践操作技能和使用现代科学仪器设备的能力，以备解决综合性设计性实验教学过程遇到的实际问题，解释学生可能会问及的许多相关问题，讨论出现的较多不可预期的实验现象和结果。由于目前地方高校教师的教学和科研经历、教学水平、科研能力等参差不齐，加之，大部分教师愿意将更多精力投入在理论教学上，而对需要付出较多劳动的科学研究和实践教学投入的精力不足。因此，开设综合性设计性实验，教师的整体素质、知识储备、吃苦耐劳、乐于奉献等综合素质有待提高。
（六）学校政策上的支持和鼓励不够
提高实验指导教师的综合素质的前提下，学校在政策上要给予开设综合性设计性实验教师支持和鼓励。对开设综合性设计性实验成功的教师，申报课题优先考虑，工作量的系数提高，实验材料充分满足，评优、晋职给予加分等，良好的激励机制可以提高教师们开设综合性设计性实验的积极性。学校应根据实验教师实际情况制定培训计划，加强对实验指导教师专业技能、科研能力和师德师风等的培训，或者提供到科研院所、生产企业外出学习和实践的机会，以提高实验指导教师的的科研能力和专业技能。
三、我校微生物工程课程开设综合性设计性实验案例分析
以下是佳木斯大学生物技术专业《微生物工程》实验课开设综合设计性实验案例，在不增加课时的情况下，将葡萄酒酿造由验证性实验转为综合性设计性实验。
（一）验证性葡萄酒酿造实验
验证性葡萄酒酿造实验，实验学时8学时，两次实验，每次4学时。第一次实验按老师给定的配方称量葡萄、糖及酵母，按实验操作步骤进行操作，葡萄破碎、装瓶、接种、控温发酵，经过大约一周的发酵，第二次实验将其过滤、装瓶、放冰箱后熟，实验结束。这样，虽然也能达到学习葡萄酒酿造方法的目的，但在整个实验过程中，没有以学生为主体，学生是被动学习，参与实验的主动性没有被调动起来，课后问及其葡萄酒发酵过程和发酵机理，大部分学生印象不深刻或回答不出来。
（二）综合性设计性葡萄酒酿造实验
1.与百姓生活及科研相结合。山葡萄酒是东北的主要葡萄品种，花青素含量高，是当地人们用于酿酒的主要原料，但由于其酸含量高，制约着山葡萄酒的开发利用。山葡萄酒的降酸问题是课题组承担的省级、校级课题的部分研究内容，也是当地百姓酿制山葡萄酒关心的问题。所以，将山葡萄酒的降酸研究、酵母菌加量对山葡萄酒的影响、山葡萄酒的澄清等一些科研课题及与百姓生活密切相关的问题结合到葡萄酒的酿造实验中，将验证性实验转化为综合性设计性实验，激发学生上实验课的积极性，达到科研与实验“双赢”，同时为百姓解决生活中的实际问题。
2.自制葡萄酒发酵装置。自制葡萄酒发酵装置如图1所示，利用点滴管做排气管，排气控制开关，可以根据不同发酵阶段产气量多少对排气量进行调节，避免发酵过程中酒精挥发对试验结果的影响。点滴管上的过滤膜对进入的空气起到过滤作用，可以防止杂菌的污染。
3.实验分组和安排。实验前，先将学生进行分组。为了减轻实验室人多拥挤的压力，一个班30名学生分成两个大组，单独进行实验；为了让每个学生都有参与实验的机会，2名同学一小组。每个大组指定1名组长，1名副组长，代替老师做一些管理上的工作。指导教师安排每个大组的试验任务，由组长具体分配每个小组的实验任务。
4.每个小组学生的任务。学生根据任务要求（酿制酒的度数、pH值及总酸度），原料山葡萄的糖度、pH值及总酸度，计算加糖的比例，制定试验的方案，写出详细的试验步骤，设计试验记录表格，刷洗、灭菌发酵瓶及工具等。为了更好了解发酵过程，掌握发酵进程，发酵结束后获得更多参数，让学生准确称量发酵装置装料前后的重量，并在发酵过程中安排学生每天按时称量发酵装置的重量，并详细记录，直至恒重。发酵结束，进行过滤，测量酒液的重量和体积，测定pH值和总酸度等指标，罐装，置于冷藏柜后熟，备品尝。
5.数据的整理及计算。根据每天发酵瓶的重量，计算失重（即CO2生成量），再由糖发酵反应式：C6H12O12C2H5OH+CO2，即失重（CO2生成量）88克、生成92克乙醇、消耗180克糖的比例关系，计算每天酒精生成量、糖的消耗量、发酵速度、残糖量、酒精度（V/V和W/W）及出酒率等技术参数。学生们还可以由测得的酒液的重量和体积，计算酒液的密度，最后再以时间为横坐标，作出酒精生成量和残糖量的工作曲线，并将实验结果放在班级的群网上共享，以便做对比分析和讨论。
6.评价与反馈。综合性设计性葡萄酒酿造试验与验证性实验的不同之处：每个小组的试验条件都不同，如果做不好就会影响整个大组试验的结果和结论，也就意味每个同学都肩负着科研任务，有利于培养学生的责任感和团队精神；试验与科研相结合，可以激发学生的学习积极性，满足学生喜欢探究的欲望；每个试验的结果是未知的、不一样的，避免了偷懒、抄袭现象的发生。学生们反馈“计算量太大了”。计算量大，是此综合性设计性葡萄酒酿造试验特点之一。是针对生物技术专业开设工程方面的课比较少，为培养学生工程计算能力而设计。通过大量计算，学生在工程计算方面得到锻炼，提高了计算能力还加深了对酒精发酵机理的理解。此综合性设计性萄酒酿造实验是在没有增加学时和设备的情况下完成的。不用进行酒精度和糖度测定，通过计算，学生就可获知所酿葡萄酒的酒精度（W/W和V/V）、含糖量（干型酒还是半干型酒）以及密度等参数。学生们获得的知识量、信息量较验证性实验大大增加了。通过期末试卷分析发现，开设葡萄酒综合性设计性实验后，学生们关于葡萄酒发酵机理、降酸机理方面的得分和计算题的得分都有明显提高。上述综合性设计性萄酒酿造实验克服了学时少，仪器设备少的实际困难，达到了培养学生科研能力和综合运算能力的教学目的，同时为葡萄酒的相关科研工作的完成节省了人力物力和宝贵的时间。
四、结语
开设综合性设计性实验是微生物工程等专业课程实验教学改革的必然方向。在地方高校开设综合性设计性实验虽然存在较多的困难，但如果精心设计和安排，与科研有机结合，探索出符合实际情况的综合性设计性实验教学模式，有利于培养学生的实践动手能力、科研能力和创新能力；有利于提高学生的综合素质，激发学生的学习兴趣；有利于教师科研任务的顺利完成。
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作者:丁玉萍 韩诚武 刘德江 戚晓利 杜春梅
