《发酵工程原理》课程思政优秀教学设计

“增兴趣、提能力、重实践、育情怀——发酵动力学课程思政”

生命科学学院（部）  李景晨

课程名称：发酵工程原理

课程性质：专业核心

授课对象：生物工程、生物技术专业三年级

教学方式：课堂教学

一、教学目标

1.价值目标

秉持着“教育是帮助被教育的人，给他们能发展自己的能力，完成他的人格，于人类文化上能尽一分子责任；不是把被教育的人，造成一种特别器具，给抱有他种目的人去应用的”的教学理念，本章节的价值目标设定为：提高学生的学习兴趣，增加职业认同感，激发爱国情怀。鼓励学生追求真理，帮学生树立科学发展观，建立多层次多角度的世界观。

2.知识目标

掌握发酵动力学主要研究内容及相关参数概念；

掌握细胞生长、基质消耗、产物形成的质量衡算方法；

理解Monod方程的生物学意义。

3.能力目标

能够运用计算机软件求解Monod动力学模型参数；

能够用动力学的观点分析发酵过程优劣和影响因素；

能够自主设计简单的动力学研究实验。

二、教学内容分析

1.学情分析

（1）已有知识和技能：大一学习过高等数学，有微积分基础。大二学习了微生物学，对微生物的生有初步了解，在普通微生物学实验中测定了大肠杆菌菌体浓度随时间的变化。同时，大部分学生选修了酶工程，知道米氏方程。

（2）存在的问题：发酵动力学强调定量，生物技术专业学生既往学习内容缺乏定量的概念；没有生产经验，学习动力学内容没有一线生产实践支撑，概念学习和动力学模型的学习变成了符合和数学公式的学习，学生感到学习内容枯燥乏味；学过之后没有实践机会，以后到工作岗位还是不会用。

2.教学重点

微生物细胞生长、基质消耗以及产物合成的质量衡算

3.教学难点

Monod方程应用及发酵动力学参数求解

4.对重点、难点的处理

重点内容处理：（1）教师课堂板书引导，师生共同计算：板书过程师生共同确定计算对象、计算方法和步骤，加强学生注意力，引导学生思维。（2）精选练习题，强化学习效果：结合以往教学经验设计练习题，学生在线答题，及时获得成绩反馈，利于学生查漏补缺，巩固重点知识。

难点内容处理：（1）多层次理解Monod方程：从Monod方程的发现过程引出该方程的应用范围；结合微生物生长曲线，将Monod方程的不同阶段的表达方式展现给学生；引用结合最新的研究进展，解释Monod方程的内涵。（2）软件辅助建模和模型参数求解：信息技术已经深入到各个学科的发展之中，以往的双倒数作图，手动求解的过程已经不能满足大数据时代的数据处理。向学生介绍Origin、Graphpad prism、Curve expert等软件的初步使用，让学生用软件对自己以往的实验数据进行分析。

三、课堂组织与实施

（图文并茂，语言简洁，2000字以内）

1.教学过程

章节回顾：发酵工程学习“一条主线，两个重点，三个层次，四个目标，阐述发酵动力学在发酵工程中的重要地位，与其它章节的联系。

话题引入：通过问答活动拉近动力学与学生生活的联系,了解学生对动力学的理解水平，师生共同得出结论：发酵动力学是研究过发酵的速率及其关系的一个动力学分支。

重点内容集中讲授：结合“新冠肺炎疫情预测”讲授发酵动力学的研究内容和目标，结合实验课已经熟悉的“DNS标准曲线法测定发酵液还原糖浓度”介绍动力学研究过程；根据学生已知的化学动力学、酶动力学、微生物学知识和做过的“大肠杆菌生长曲线“实验讲授分批发酵动力学的相关概念、Monod模型的建立和参数求解。

学生复习巩固：学生课下推导动力学学习中的公式，并结合大肠杆菌生长曲线实验、制霉菌素发酵实验的数据，利用软件绘制、拟合细胞生长动力学、基质消耗动力学和产物合成动力学曲线。计算细胞生长速率、比速率、底物消耗速率、产物生成速率、得率系数等。结合异槲皮素转化虚拟仿真实验切实体会影响发酵动力学的因素。

2.教学方法

（1）模块化教学

发酵动力学概念多，公式多，内容杂，将本章知识以模块图的方式给学生展现，帮学生整合和内化知识体系。

（2）讲授和问题研讨相结合

基本知识和概念以教师讲授为主，在此基础上组织学生共同讨论和分组讨论。

3.教学活动设计

（1）问答：本课堂准备问题有：你听说过动力学吗？你听说过哪些动力学？你知道的动力学里都有什么内容？动力学只有理工科才有吗？人口发展有没有动力学？

（2）讲故事：Monod方程是本课程接触到的第一个以人名命名的术语，更是细胞生长动力学的重点。讲述Monod研究大肠杆菌生长建立Monod模型，提出乳糖操纵子学说的故事。讲述科学家多年来对Monod进行研究的故事。针对学生缺乏生产实践，讲述科研工作者利用发酵动力学研究推动华北制药集团青霉素发酵水平提高的故事。

（3）讨论：结合分批发酵的内容，全班共同讨论“染菌容易发生在发酵前期的原因“，”在种子制备的时候更倾向于大一点的接种量的原因“，“提高分批发酵强度可以采取的措施”。引用外界因素对动力学的影响，引申讨论影响个人发展速度的因素。结合新冠肺炎疫情疫情发展，讨论多种预测模型的建立和应用，以及在此指导下采取的防疫措施。

（4）小组学习：每组选择一个发酵产物，查阅文献，提取其中的数据，自己动手做动力学分析，向全班汇报。

图2、学生汇报小组讨论内容

图3、学生汇报内容节选（从动力学角度分析种子扩大培养）

4.课程思政理念及分析

（1）课程思政提高学习兴趣，培养爱国情怀

发酵动力学是发酵工程原理学习中相对枯燥的内容，以往学生的学习感受是“公式一大片，学了也不用，用时也不会”。通过向学生讲述动力学不仅在自然科学中存在，在社会发展和个人发展中也存在动力学，激发了学生兴趣。将国家的人口政策与动力学联系起来，学生既明白了动力学的用途，也增加了对我国国情和政策的了解，感受到了动力学其实和国家、个人都有联系。对“新冠肺炎疫情预测”的讨论使学生认识到我国防疫政策的有效性，更加主动参与到防疫中来。

图4、课程思政案例：新冠肺炎疫情预测使用素材

（2）课程思政提高职业认同感，培养爱岗敬业精神

发酵动力学是生产需要推动发展的，最终服务于工业生产。目前的情况学生没有办法参与到生产一线，不能体会发酵动力学的应用。在教学中，以华北制药集团徐亲民教授在青霉素生产中建立发酵动力学模型，以此为依据对生产进行优化大幅度提高生产效率、降低生产成本造福社会为案例，为学生树立爱岗敬业的榜样，让学生看到发酵动力学的应用价值，感受到发酵工作的价值，增强职业认同感。

（3）课程思政培养探索精神，培养科学发展观

Monod方程的建立者Jacques Monod是一位伟大的生物学家，在细胞生长动力学和分子生物学上都取得了非凡的成就。通过讲述Monod在研究大肠杆菌生长过程中做出的一系列发现的故事，使学生认识到科学研究需要认真求实、不断钻研。同时，引入最新Nature系列文献对于Monod方程中重要参数Ks的报道，让同学们体会科学认识是一个逐步发展的过程，事物的认识既有宏观层面，也有微观层面。学会发展看问题，多层次、多角度认知世界。

图5、课程思政案例素材：过渡态理论下Monod方程新见解

四、教学效果分析

（评价与成效等，语言简洁，1000字以内）

（1）与往年的发酵动力学教学课堂相比，学生的兴趣明显提高，坐在前排的同学增多，回答问题的积极性提高，基本杜绝玩手机的现象。当思政内容引起学生共鸣时，学生或惊讶或敬佩的表情十分明显。

（2）学生完成作业的积极性提高，交作业及时、正确率提高。

图6、学生在线答题情况节选

(3)学生深入思考，将理论与生产相联系，培养了学生解决问题的能力。这样一套专业结合思政的教学流程使学生从基本概念和理论认知到分析、综合思维、工程能力的培养都有了大幅提高。同时，对产业和政策的了解，也促进了学生关心国家发展，增强民族自豪感和社会使命感。