发酵工业的产业辐射能力强,关系国计民生,是推动我国社会经济发展的重要动力[1-2]。其中酿酒是最为典型的传统发酵产业之一,在我国已经有几千年历史,传统酿酒过程大多靠师傅带徒弟的经验传承[3-4]。随着现代发酵技术和工程技术的发展,传统酿酒行业面临产业转型升级和技术革新,迫切需求兼具科技创新和工程实践能力的专业人才。江南大学生物工程学院是我国发酵工程学科的诞生地,是首个开设酿酒工程专业的高校,享有“酿酒工程师的摇篮”的美誉,在酿酒领域具有雄厚的教学和科研实力,已为国内外酿酒企业培养了大量领军人才和技术骨干。
《发酵工程原理与技术》就是针对以上需求开设的专业课程,涉及知识面广,同时又是一门基础理论与生产实际相结合的课程。课程以发酵和酿造相关产业化过程涉及的工程知识为教学内容,融合生物化学和微生物学的基础理论,并有机结合发酵过程的特征,建立从宏观发酵工程概念到具体发酵工艺操作的认知体系,使学生具备解决现代发酵产业中关键问题的能力。课程依托江南大学双一流学科 “轻工技术与工程”,是我校生物类专业重要的核心课程。经过二十余年的持续建设,已逐步在同类课程体现出竞争力,分别入选国家级精品课程建设(2008年)、首批国家级一流本科课程(2020年)。教学团队前辈教师自主建设的发酵工程、发酵工程原理与技术系列教材分别入选普通高等教育“十一五”、“十二五”规划教材[5-6],可为酿造相关人才培养提供有力支撑,具有良好示范推广效应。
1 课程建设改革必要性
《发酵工程原理与技术》作为酿酒工程专业的核心课,在专业基础学习阶段和专业知识学习阶段之间起到承先启后的作用。《发酵工程原理与技术》课程侧重于宏观发酵领域的理论和技术的讲解,而酿酒工程专业不同于生物工程和生物技术专业,每年有相当比例毕业生要进入酿酒相关企业。这就要求课程必须把发酵理论知识、技术工艺和实际酿酒生产紧密结合。然而,目前该课程在面向酿酒工程专业的教学过程仍存在一些问题,譬如(1)原有课程体系的酿酒特色不够突出;(2)思政教育意识尚显薄弱,学生畏难情绪重;(3)课堂学习理论和产业衔接度不高;(4)在兼顾过程性和成果性的评价以及教学反馈方面仍有上升空间;(5)学生主动创新和实践能力培育意识淡薄等。
因此,基于新工科和一流课程建设双重背景,借助江南大学生物工程学院引入对酿酒工程专业的工程教育认证契机,通过分析《发酵工程原理与技术》课程建设经验教训,结合酿酒工程专业教学大纲和培养方案,分别在知识框架体系构建、思政教育元素设计、课堂教学方法和持续改进/多元评价等方面进行了一系列的改革(图1),希望在学习理论知识的同时加强学生的主动创新实践能力,提升学生将发酵知识和技能应用于解决酿酒产业实际问题的能力。
图1 课程建设的整体框架和策略
Fig.1 Overall framework and strategy of curriculum construction
2 课程教学设计和改革
2.1 重构覆盖酿酒工艺全流程的课程知识框架
课程知识框架建设是保障培养目标和教学效果的基础。酿酒工程专业和产业关联非常紧密,这就要求教学内容在讲授基础理论的同时,还要着重强调菌种、原料、技术、工艺和生产知识。最新的酿酒工程专业的培养目标为在酿造领域具有扎实的专业知识、理论基础和分析解决问题的能力,在酿造领域掌握较强的工业设计及工程实践能力,满足现代酿造行业对人才的需求。原有课程内容过于追求发酵知识体系的面面俱到,导致内容偏多,针对酿酒工程的传统酿造特色显得不够突出。因此,构建覆盖酿酒工艺全流程,如酿酒菌种、酿酒原料、酿酒技术、工艺和生产的课程知识框架是非常必要的(图2)。比如在绪论部分首先介绍不同类型酒种分类标准(白酒、黄酒、啤酒、酒精),以及各自产业发展趋势。再如把广义发酵领域的固定化细胞发酵、基因工程菌发酵、动植物细胞培养等和传统酿造关联度不紧密的章节删减,增加液态发酵过程控制及优化章节,主要介绍以酿酒酵母纯种发酵方式的酒精发酵。并将厌氧发酵设备、通风发酵设备教学内容合并至液态、固态发酵过程控制章节。重构后课程知识体系从酿酒原理出发,进而衔接原料、菌种(制曲)、酿造过程优化和控制(液态/固态发酵)、染菌的防治以及产品的提取和副产物的经济性利用,学习过程和实际生产过程酿酒工艺流程更为契合,这将有利于学生在酿造领域知识体系的建立。在本门课程的基础上,学生可根据学习需要并结合自身兴趣,选择其他相关酿酒课程如啤酒工艺学、葡萄酒工艺学、酒精工艺学等,更具针对性地系统深入学习不同类型的酿酒相关课程知识。
图2 重构覆盖酿酒工艺全流程的课程框架体系
Fig.2 Reconstruction of the curriculum framework system covering the whole process of brewing technology
2.2 引入思政教育元素,递进式培养“文化自信-科学素养-工匠精神”
由于酿酒工程专业就业主要面向酿酒企业,而多数的酿酒企业地理位置相对偏远,多在靠近原料的中小型城市,学生学习过程会对未来就业和发展方面存在一定程度的担忧。尤其发酵学科是门需要下苦功夫的、“吃劲”的学科,更导致学生在学习过程畏难情绪较重。因此,引入思政教育元素对克服学生畏难情绪,激发专业兴趣至关重要[1,7-8]。任课老师秉持知识、能力、情怀,“三位一体”的教学理念,积极挖掘课程和酿造产业内涵,在各主要教学章节引入思政教育元素,递进式培养学生的“文化自信-科学素养-工匠精神”(表1)。例如讲解绪论部分的酿酒起源时,以三星堆遗址出土的大量青铜器和陶器为例,证实中国酿酒史应该在距今7 000年甚至到8 000年的阶段(青铜时代),奠定文化自信。通过现代发酵技术和传统酿造的有机结合,发扬我国传统酿造文化,以此为引领,培养具有高水平的,具有国际视野的酿酒人才。同时,注重培养学生逻辑思维、辩证分析和复杂理论思维等科学素养。例如讲到第二章酿造过程微生物的演替规律,通过讲解优势微生物和劣势微生物之间此消彼长的关系,各自在微生态发挥的作用并影响代谢和风味,引导学生锻炼科学逻辑思维,理解酿酒复杂系统的元素间的关联性,建立科学的世界观。再如讲到第七章固态发酵过程及优化时,着重介绍固态发酵过程的复杂性,相比于液态的酒精发酵,固态酿造白酒周期长、用曲量大,有“慢工出细活”特点,但同时的优势是酒的风味丰富、品质好,也告诫学生在建立知识体系过程视野要长远,不急不躁,保持坚持不懈的专业学习精神。适时引入我国现代发酵工程奠基人朱宝镛先生、蒸馏酒泰斗王鸿祺,以及世界级酿酒大师季克良等前辈矢志报国、艰苦奋斗的事迹历程,树立学生在专业传承上的使命感,培养发酵“工匠精神”,进而提升学生在专业学习的归属感,驱动学生“愿学”。为保持思政教育的有效性,在教学质量监测系统的学生互动部分,设置思政教育相关问题,譬如“课程体现了哪些方面的传统酿造文化”、“传统特色如何与现代酿造新技术有机融合,扬长避短?”等问题,更好的了解学生思政教育效果。在梳理线上调研情况基础上,结合培养目标达成度的体现、课程满意度和专业学习热情等,以确保思政教育的有效性。
表1 教学内容的思政教育元素设计
Table 1 Ideological and political education elements of teaching contents
教学章节教学内容思政元素教学方式预期教育意义第一章 绪论-酿酒工程的过去、现在和未来酿酒工程概念、起源与发展,不同酒种发酵类型、行业情况与未来趋势以世界名酒之一的白酒为切入点,引出酿酒起源、前辈在发酵产业持之以恒的工匠精神课堂讲授中国酿酒工业生物技术发展成果,家国情怀、终身学习第二章 酿酒过程的基本原理酿酒过程与微生物,环境对微生物的影响,代谢产物的代谢调控,微生物的挥发性次级代谢通过酿酒过程微生态和窖泥环境相互作用,引入个体与团队协作关系课堂讲授团队协作精神和科学的世界观第三章 酿酒原料及处理酿酒原料及其预处理的方法,水处理和无菌空气制备方法介绍梗高粱、糯高粱、薯类等酿造原料丰富,了解祖国地大物博案例教学培养学生爱国主义和民族自豪感第四章 培养基及设备的灭菌培养基和设备灭菌的原理、目的要求和方法通过全工序无死角灭菌引入看待科学问题要客观,消除负面主观因素翻转课堂科学世界观和方法论 第五章 生产菌种的扩大培养与保藏酿酒工程涉及的生产菌种(纯种/固态多菌种发酵剂制备)扩大培养及保藏引入微量的出发菌株到生产菌种扩大培养过程,可谓“星星之火,可以燎原” 课堂讲授培养持之以恒的工匠精神和科学逻辑思维第六章 液态发酵过程控制及优化液态发酵过程的代谢变化规律及主要控制参数,发酵动力学介绍液态发酵如酒精发酵速度快,通常规模大,涉及的通常是工程问题课堂讨论基于工程知识分析复杂工程问题第七章 固态发酵过程控制及优化不同酒种涉及的固态发酵参数控制原理及控制技术认识固态发酵的复杂性和“慢工出细活”特点案例教学辩证认识事物复杂性,培养坚持不懈精神第八章 酿酒工业染菌与防治酿酒工业发酵染菌的危害,染菌原因分析及防治引入通过分析生化参数,提前评估染菌情况,“凡事预则立”案例教学辩证客观的分析问题,专业学习规划第九章 产品的提取与副产物处理及资源化酒类发酵的预处理和固液分离方法,酿酒微生物资源化与酿酒副产物资源化开发与应用结合副产物酒糟的资源化,引导学习过程要“取之精华”、“资源循环利用”课堂讨论理论联系实际,提升工程调查和研究系统能力
2.3 强化源于酿酒产业的案例式教学,课堂理论学习和产业实际需求深度融合
考虑课程和实际生产结合紧密的特点,再结合经典的酿酒产业的案例式教学,以产业需求为抓手,引导课堂理论学习,学习过程情景带入感更强,让学生“乐学”[9-10]。基于学院在酿酒产业丰富的产学研合作案例,强化源于酿酒产业的案例式教学,使得课堂理论学习和产业实际需求深度融合。例如讲解酿造原料教学内容时候,将白酒产业三大香型及其代表名酒(酱香型、浓香型、清香型),结合其各自独特酿造工艺进行讲授。以酱香型茅台酒酿造为例,典型特点之一是酿造周期长达一年。选取糯高粱为原料,仁怀糯高具有粱籽粒饱满、粒小皮厚、角质率高的特点,所以可以耐受9次蒸煮和8次发酵的长周期发酵工艺。而浓香型白酒,如五粮液采用高粱、玉米、小麦、大米和糯米为原料,通过双轮底糟的发酵工艺,有效延长微生物和酒糟的发酵时间,底部糟醅与窖泥接触,窖泥中的微生物和代谢物更容易进入底糟,保证了浓香型白酒窖香浓郁的特征。清香型汾酒则以晋中平原高粱为原料,在地缸发酵的基础上结合清蒸清糟的短周期工艺,造就了汾酒清香纯正的特点。几大香型名酒的比较,使得学生结合酿造原料差异更好的理解工艺原理,并引发其对白酒产业兴趣。课堂机动设置专题研讨,践行学生为主体的教学模式。如学生分组讨论分享家乡当地酿酒产业的认识,理论联系实际的同时,引发情景代入,通过比较不同地理位置的酿造原料、水系、气候和地理等特征差异性,更贴切的理解水、原料、温度和酿造环境等元素对酒的香型形成的影响,起到一举多得的效果。
2.4 基于OBE(outcomes-based education)理念完善多元评价和“教学-反馈-改进”持续改进
持续改进是OBE教育理念的重点环节,同时强调采用多元和梯次的评价标准,评价个人学习的进步和目标达成效果[4]。建立涵盖容纳课堂表现、专题研讨、课后作业、考试的多元评价体系,更全面的评价学生的知识体系、理论联系实际能力、逻辑思维以及团队协作能力,促进课程的可持续建设。通过“教与学”互动和知识点竞赛,鼓励科学质疑,课堂优质互动给予浮动加分。以现代酿造产业热点问题为话题,机动的策划专题讨论,通过分组和组内分工协作,数据库文献搜索、框架梳理和课堂呈现,形成团队协作和竞争机制。
在教改活动的近3年时间,教学团队逐步形成“课程教学-评价反馈-实时改进”闭环。具体保障措施主要围绕学院发酵课程群组织、课程教学团队研讨、学生评价督促和企业挂职等方面。例如生物工程学院成立的发酵课程教学群,定期开展教学讲座研讨。教学经验丰富的教师在教学方法、教学理念等方面进行培训,形成“老-中-青传帮带”的良好氛围,以保障教学团队的相对稳定。课程群设门槛,青年教师进入教学团队要跟着教学名师或者经验丰富教师全程听课,然后通过试讲才可进入课程群。同时学院教学督导随机听课,在教学质量监测系统给出课程改进建议,任课老师需要针对意见改进,并提交改进报告。学院定期开展的教学会讲比赛和说课比赛等多种活动,为青年教师教学能力提升提供平台。在学生评价方面,通过在教学质量监测系统增设课程互动问题,如“最感兴趣的酿酒技术环节”、“课程学习过程的难点是什么”、“您对本课程学习的建议”等问题,更全面、灵活地分析学习效果和学生兴趣点。教学团队会及时汇总多角度的反馈意见,提出针对性的解决方案,应用于后续授课,持续性地保障教学效果。此外,通过教师到酿酒企业挂职和引入企业导师的紧密性互动,锤炼教师队伍的工程实践能力。
2.5 科研竞赛/产业课题延伸第二课堂教学,同步提升研究创新和工程实践能力
第二课堂的延伸教学可充分调动学生的能动性,强化学生为主体教学地位[10]。发挥学院和学科酿酒产业雄厚的科研实力优势,鼓励学生以小组的形式,独立承担科研创新计划和产业课题,有助于同步提升学生研究创新和工程实践能力(图3)。针对学生的“研究创新意识薄弱”问题,发挥学科的研究优势,把学生在课堂理论学习过程的兴趣点和纵向科研项目有机结合,转化为科研竞赛。大创计划和科创竞赛等活动成为研究型学习和自由探索抓手,班上所有学生参与校级以上大学生创新计划,实现研究创新能力递进培养。针对“工程实践能力不够突出”问题,发挥产业合作基础丰富的优势,通过直接来源于酿酒产业的横向课题的“项目实训”,有效解决了产业需求和理论学习的衔接问题,强化工程实践能力培养。针对学生在参与科创竞赛、企业课题实践过程遇到的困难、瓶颈问题,驱动学生带着问题去找答案,更充分的利用课堂和课余时间,促进“勤学”。在丰沃的校友资源协助下,利用课余时间进行企业参观、产业调研、横向课题和卓工实践创新等深度校企协同,强化培养工程应用人才。此外,学院联合龙头企业的优质实践平台,如江苏洋河集团(国家级)、青岛啤酒集团(国家级)实训平台、“卓工计划”实践基地和 “校企协同创新实训平台”等实践平台,为学生开展学科竞赛、工程实训等创新实践提供有力保障。
图3 第二课堂延伸课堂教学
Fig.3 Extension of classroom teaching by second classroom
3 课程教学改革实践效果
3.1 课程目标达成度稳步提升
根据《发酵工程原理与技术》在课程体系与毕业要求关联度矩阵中的地位,可将课程目标分解为三部分。课程目标1:利用工程知识等对发酵过程的复杂工程问题进行分析和评价,并对不同发酵过程的微生物学、酶学和化学物质变化表型及规律进行分析和评价,且能对酿造工艺进行综合和创新。同时,应具备自主学习酿酒工程相关知识能力,熟悉国内外酿酒工程领域最新科研与应用进展。课程目标2:掌握发酵工程中液态发酵和固态发酵过程的优化原理与技术,熟练掌握不同发酵类型设计和产品开发的基本设计/开发方法和技术,了解影响设计目标和方案的因素。课程目标3:掌握酿酒工业染菌与防治中设计的判断方法与染菌原因分析,并理解发酵染菌防治措施。同时掌握酿酒工程中产品的提取、处理工艺与原理。
经过近3年的课程建设,教改前后整体课程目标达成度和平均成绩/优良率情况如图4所示。在考核题目难度水平控制基本不变的前提下,2019年酿酒工程专业学生(2016级)3个课程目标完成度分别为83.11%,75.25%和73.20%。经过课程的教学改革和实践,2021年酿酒工程专业学生(2018级)的课程目标完成度分别提升为85.24%、80.42%和91.43%,取得了较为明显的进步。与此同时,平均成绩由79.9分提升至85.1分,同时优良率从45.20%显著提升至75.12%,表明课程建设取得了积极的成效。
图5是教改前后酿酒工程专业的学生对于《发酵工程原理与技术》3个课程目标的个体目标达成度分析。结果表明2021年学生的个体目标达成度均高于2019年。尽管2019年和2021年学生课程目标1的完成度均在80%左右,但是2021年完成度在90%以上的学生明显更多。相比于2019年,2021年课程目标2在80%以上的学生数量得到了提升。而课程目标3达成度的结果更为显著,2021年大部分酿酒工程专业学生的目标达成度>90%,表明学生已较为熟悉地掌握酿酒工业染菌相关的知识体系,以及酿酒过程如何合理设计流程减少染菌概率,同时能够系统的理解酿酒工程中产品的提取、处理工艺与原理。上述分析均表明,在《发酵工程原理与技术》课程建设过程,学生培养的课程目标的达成度稳步上升,在凸显酿酒工程特色背景下,有效提升了学生理论知识水平和主动实践能力,教学改革和实践取得了良好的效果。
a-整体目标达成度;b-平均成绩和优良率
图4 教改前后整体课程目标达成度和平均成绩/ 优良率情况
Fig.4 Overall objective achievement and average score/ excellent rate of overall curriculum objectives before and after the educational reform
3.2 酿造特色人才培养成效显著
在本课程持续的教学改革探索过程,受到学生广泛好评的同时,人才培养成效也逐渐体现。指导学生以发酵专家系统优化的课题获得全国大学生生命科学竞赛(2022,创新创业类)一等奖,以工业发酵底盘细胞改造升级的本科课题获得国际遗传工程机器设计大赛(iGEM)银奖(2022年),以酿酒副产物——酒糟和微藻发酵结合生产营养品的经济性综合利用获得第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛江苏省一等奖(2022年),以及在白酒酿造过程微生物群落演化规律研究方面获得江苏省优秀本科毕业论文(2020年)。与此同时,每年为发酵产业知名外资、合资企业如百威、克朗斯、杜邦、贵州茅台、江苏洋河、海天味业等输送了一批酿造专业类高素质创新创业人才,产业人才储备成效显著。
a,c,e-2019年;b,d,f-2021年
图5 酿酒工程专业学生在2019年和2021年的个体目标达成度分析
Fig.5 Individual objective achievement scale of students from Brewing Engineering at 2019 and 2021
4 结语
综上所述,作为酿酒工程专业的核心课程,《发酵工程原理与技术》是构建酿酒专业学生酿造知识体系和培养创新实践能力的重要路径。在一流本科课程、新工科背景和工程教育认证的多重背景下,分别通过重构覆盖酿酒工艺流程的课程体系、思政教育元素设计、产业经典案例式讲授、完善多元评价以及持续改进和第二课堂延伸教学的改革和实践活动,促使学生“愿学”、“乐学”和“勤学”,课程目标达成度稳步提升,教学实践成果收获颇丰。学生在打好专业理论知识基础的同时,拓展了产业视野,实现知识传授和能力培养的有机统一。本课程建设为酿造行业培育了一批高素质的创新实践型专业人才,也为工程教育认证奠定了坚实的基础。
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