教师科研项目引入食品微生物学实验课程教学的探索与实践

教师科研项目引入食品微生物学实验课程教学的探索与实践摘要以“泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选及生物学功能研究”为主线，构建了食品微生物学综合实验的教学内容，在教学方法、教学模式、考核方式等方面进行了探索和实践，取得较好的教学效果。基于科研课题形成的实验教学，既锻炼了学生的微生物基础实验技能，又培养了学生初步的科学研究能力。随着我国经济的发展以及生产力的提高,各行各业对创新型人才的需求急剧增加。高校是培养高级专业人才的摇篮，肩负着义不容辞的责任。实践教学是高等教育重要的组成部分，是培养大学生实践创新能力的重要途径。2000年后，教育部先后颁发了《关于进一步加强和改进普通高等学校实践教学工作的若干意见》《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》《全面提高高等教育质量的若干意见》等文件，明确指出要大力加强实践教学,切实提高大学生的实践能力和创新能力，全面推进素质教育E。科研和教学是推动高校发展的双翼，教学是大学之根本任务，科研是促进教学的重要手段，二者相互促进，缺一不可。在大学教育环境下，要以教学为本,让科研成果促进教学，实现科教融合。食品微生物学实验课是食品科学与工程、食品质量与安全专业的一门重要专业核心课程。食品微生物学实验课是一门实验课程，是食品微生物学的重要组成部分，其主要目标是使学生掌握食品微生物学实验的基本操作技能,加深学生对食品微生物学基本概念和原理的理解。对于食品科学类学生和食品领域从业人员来说，食品微生物学实验是必备的实验技能［2］。该课程主要包含微生物基础实验、食品微生物学检验技术、微生物发酵实验技术等。从类型上又可以分为验证性实验、综合设计性实验，其中综合设计性实验是多个基础验证性实验的连续开展,可以提升学生的综合实验能力,使学生的创新思维得到提升。传统食品微生物学实验教学项目的设置受制于理论课程,验证性实验项目过多，且容易忽略实验项目之间的有机联系,各项目之间相对独立，缺乏内在联系，严重制约着学生综合解决问题能力和创新能力的提高［3-4］。探索将整个微生物学基础实验课程设计为综合性研究型实验，将本科微生物实验教学向探索型、研究型发展,对于提高学生的科学研究思维有着积极的作用。为了深化实验教学改革，整合食品微生物相关实验,利用任课教师的科研项目开设新型综合实验，使学生既学会基础实验操作,又能初步接触科学研究理念，营造创新性氛围,以提升实验教学水平,激发学生的研究兴趣，培养学生的科研创新能力。为了提高学生的综合实验技能，提高学生设计、分析及解决实验中出现问题的能力，食品微生物学实验尝试引入郭志华老师的安徽省教育厅优秀人才项目“泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选及生物学功能研究”作为综合设计性实验案例，将微生物学基本实验技术和方法与教师的科研项目巧妙整合在一起，形成一种综合性、研究性微生物学实验课程教学模式，大大激发了学生的学习兴趣。通过此次教学改革,取得了良好的实验教学效果，为进一步深化食品微生物实验教学改革提供了参考。1构建食品微生物学综合实验的重要性和必要性食品微生物学实验是以微生物为研究对象的实验课程,操作多，技能要求高，国内食品专业一般都开设了食品微生物学实验课，开设的课程内容主要包括基础实验和综合实验两类。基础实验大多是简单的验证性实验，培养学生严格、规范和准确地进行各类操作，包括操作训练和微生物的特征观察等，前者包括材料准备、灭菌以及微生物的分离、培养、染色和显微镜观察等，后者包括微生物的计数、生理生化特

征和生物学活性研究等。综合实验是综合运用基础实验技能和方法，大多为测定或分离等工作，如稀释培养测数法(MPN)测定水中总大肠菌群等。这些教学内容主要在教师全程指导下完成，工作不连续，内容比较零散,结果可预期，不利于学生对知识整体性和系统性的把握，不能充分发挥学生的主动性和创造性，忽视了学生创新能力和实践素质的培养［5］o因此，在实验课学时有限、教学内容多、学科不断发展的情况下，对食品微生物学实验教学进行改革势在必行。以科研提升教学，将科研实验转化为教学内容,并进一步实现教学内容向科研工作的延伸，对于学生了解最新实验技术与手段、提高创新能力具有不可比拟的作用⑹。“泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选及生物学功能研究”科研项目具有微生物实验的代表性、安全性、可行性、趣味性、先进性等优点，不仅能锻炼学生微生物的实验操作，而且能增加学生对食品微生物学实验的兴趣。2以“泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选及生物学功能研究”为主线的微生物综合实验教学内容泡菜是以新鲜蔬菜为原料,在乳酸菌和酵母菌等菌群的作用下通过厌氧发酵生成的一种发酵食品［7］。泡菜在腌制过程中不可避免地会产生亚硝酸盐，过量的亚硝酸盐能够与胃内食物中的仲胺类物质相互作用，转化为亚硝胺，而亚硝胺具有强烈的致癌作用。大量研究表明，乳酸菌在泡菜发酵过程中具有降低亚硝酸盐含量的作用。这是由于乳酸菌产生的亚硝酸还原酶和代谢产物乳酸可以降解和清除亚硝酸盐。此项目主要是从泡菜中筛选降解亚硝酸盐的乳酸菌并进行菌株鉴定，研究乳酸菌产酸能力、降低亚硝酸盐能力、耐酸性、耐胆盐、抑菌性和耐药性等生物学特性,为生产优质、安全泡菜提供优良发酵剂。此科研项目的实验流程如图1所示。根据文献资料和实验教学的客观情况，对部分实验内容进行了完善,使之成为食品微生物综合研究实验(表1):既分离和观察乳酸菌，也分离和观察在泡菜发酵中存在的酵母菌;既观察个体形态、菌落特征等表型特征，又采用分子生物学和生物信息学技术相结合，用16SrRNA序列鉴定乳酸菌;用实验中分离的乳酸菌制作泡菜，研究乳酸菌在泡菜中的作用;同时检测乳酸菌的安全性。这是一个比较完整、系统的微生物学研究课题，突出微生物学知识之间相辅相成的关联特征,包括食品微生物学基础实验、发酵实验和微生物检验实验。实验内容贴近生活、有趣、安全，具有一定的探究性。这个实验采用食品微生物经典方法和研究路线，解决了有代表性的微生物学问题，研究过程较为完整和系统，实验结果具有一定的开放性，着力于培养和训练学生的科研创新能力，兼具安全、有趣等特征，适合在本科生食品微生物学实验课程中开设。图1“泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选及生物学功能研究”项目实验流程Fig.1Experimentalflowof“screeningandbiologicalcharacteristicsresearchofnitrite-degradinglacticacidbacteriainpickles"project2.1微生物基础实验将培养基制备技术、无菌操作技术、显微镜技术、微生物分离技术、纯培养技术、染色制片技术以及微生物生理生化指标测定技术等食品微生物学的基本实验技术与科研项目分类整合,按由浅入深的顺序编排实验课程内容，使基础实验连贯成科学研究,合理安排学时,对学生进行基本实验技能的训练，使学生经过这一环节的学习训练能掌握较全面的微生物实验基本原理和基本实验技能，为今后的工作和科学研究打好基础［8］。2.2微生物分子基础实验微生物分类鉴定是微生物学科研工作的基础，微生物鉴定包括形态特征观察、理化性质检测和分子鉴定，其中基于16SrRNA遗传特征的分子鉴定是目前微生物学实验教学不可缺少的内容，用代表性片段同源性序列分析进行微生物鉴定，实验内容包括提取微生物基因组、PCR方法扩增代表性片段、测序、序列分析、数据库比对与分析等与分析等。硝酸钠标准溶液的配制和分装以及分光光度计的调试等;表1食品微生物实验教学内容Table1Teachingcontentsoffoodmicrobiologyexperiment实验号ExperimentNo.实验内容Experimentcontents课时数Classhours实验一-Experiment1棉塞的制作和玻璃器皿的洗涤、包扎及干热灭菌3实验二Experiment2乳酸菌培养基的制备及高压蒸汽灭菌3实验三Experiment3泡菜中微生物的分离纯化4实验四Experiment4泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选3实验五Experiment5亚硝酸盐含量的测定2实验六Experiment6乳酸菌的菌落观察及革兰氏染色3实验七Experiment7乳酸菌理化性质的测定3实验八Experiment8乳酸菌基因组的提取、16SrDNA的扩增及序列比对8实验九Experiment9泡菜的制作3实验十Experiment10乳酸菌的安全性评价4合计Total362.3微生物发酵实验用分离到的乳酸菌和酵母菌制作泡菜,研究它们在泡菜发酵中的活性，并比较自然发酵泡菜和筛选菌株接种泡菜的亚硝酸盐含量。2.4微生物学检验实验微生物学检验是食品微生物学的重要部分,根据国家标准GB/T4789.2-2016（食品微生物学检验菌落总数测定》检测泡菜中乳酸菌的数量，从耐药性、有害代谢物2个方面评价分离的乳酸菌。实验教学的关键是让学生理解实验原理,领会实验操作中需注意的细节，掌握实验操作中关键的技术环节［9］o以教师科研项目为主线,把微生物学实验贯穿在一起,使学生既锻炼了微生物学基础实验技能，又完成一个“科研项目”。3教学方法3.1发挥网络平台优势，实现线上线下混合教学提前将全班同学分成实验小组，每4~6人为1个小组。课前由教师通过e会学平台布置微课观看任务给学生，微课视频会详细讲解实验目的、实验原理、实验步骤等教学内容。学生观看微课,并结合实验指导教材独立完成实验内容的学习。教师通过e会学平台了解每个学生的学习情况［10］o实验教学前，要求每小组派出1名同学简单介绍自己的实验方案及实验注意事项，教师及时讲解指导。学生实验期间，教师对出现的问题给予指导，保证实验的顺利进行。3.2开放微生物实验室,让学生自己准备实验实验前期准备工作异常烦琐，教师除了要检查实验药品、配制实验试剂、消毒实验器皿、摆放实验用品、调试实验仪器等外,还要进行多次预实验，以确保实验结果的准确性［11］o学生参与实验前期的准备工作，不仅可以熟悉和掌握基本的实验操作技能，而且可以加深对实验机理的理解，熟悉实验步骤以及相关仪器的原理与使用方法,学生要明确实验耗材的种类、规格和数量，调动学生的积极性与主动性。例如,“泡菜中降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选”和“亚硝酸盐含量的测定”实验中，前期准备工作包括对氨基苯磺酸溶液、萘基乙二胺溶液、亚“乳酸菌基因组的提取、16SrDNA的扩增及序列比对”实验中，前期准备工作包括吸头、吸头盒、离心管等耗材的准备,超净台的消毒，凝胶的制备及电泳技术。另外，由学生进行实验前期准备工作，不仅可以让教师有充足的精力投入实验备课阶段，提高教学质量，而且可以激发学生的实验兴趣也4食品微生物学实验考核模式由于实验课程变成科学研究，不能简单地用一次考试来评价成绩，应当侧重考查学生的知识综合运用能力，分析问题、解决问题的能力以及实践能力和创新能力等。为了保证考核的公平性和合理性，可以将成绩分成2个部分:①实验过程，约占60%，由教师打分。教师依据学生在实验完成过程中的参与程度、操作水平、贡献大小、数据分析能力、解决问题能力等方面在各个实验结束时对学生进行评价,各阶段成绩之和即为这部分的总成绩。②论文质量，约占40%。由于整个微生物实验是一个课题研究,全部实验完成后，每组要完成一篇研究论文（或报告），每个小组对研究结果要进行分析,教师要依据学生的论文质量、研究结果、成果创新性等方面进行评价。这种考核方式能够客观、公正地评价学生的科研能力［13］o5教学效果5.1该实验能加强学生理论课与实践课的紧密结合科研项目引入实验教学,实验信息量大,手段多样,包括食品微生物学的基础实验、发酵实验和微生物学检验。在实验过程中,将孤立的微生物实验串联成一个科研项目，同时该实验还能够将实验与相关学科前沿知识联系起来。在2018,2019级食品科学与工程专业、食品质量与安全专业共5个班级中进行探索，获得了许多宝贵的实践经验。学生一致反映自己的食品微生物学实验操作能力得到了有效锻炼，食品微生物学知识得到了进一步升华，指导教师对实验结果也非常满意,获得了学院领导和教师的认可与好评。5.2学生自主学习的积极性大幅度提高兴趣是学习的最大动力，只有学生感兴趣，才会主动花时间和精力钻研所学内容［14］。实验内容来自教师的科研项目，同时又贴近生活，学生兴趣浓厚，能主动对实验进行深入探索。另外,尽管教师提供了实验步骤，但是科研实验结果的不确定性吸引学生能深入研究,这就需要学生掌握更多的理论知识，学习更多的实验方法和技巧,有利于其深入理解理论知识，把握其内在联系。实践表明，科研与实验教学相结合不仅加深了实验课教学内容的深度和广度,而且培养了学生的科研能力、严谨的治学态度和工作作风，消除了学生对科研工作的畏惧和神秘感，大大提高了学生对科研的兴趣和自信心S6〕。食品专业约50%的学生从大二下学期开始