王 芳，贾万利，王海宾，郭建峰

（中北大学，山西 太原 030051）

“发酵工程”是理工科高等院校生物技术、生物工程、生物制药及食品工程等多个工科专业的核心课程之一，该课程系统学习工业发酵的共性原理及技术，涵盖生物学和工程学内容，基础理论性和实践性要求都很高。在新工科教育背景下，工科素养的培养、实践能力的提升对课程的教学内容和教学方式提出了更高的要求。多个高校相关课题组结合各自教学实际对“发酵工程”课程进行了教学内容的重组、教学方法的改进等相关的研究和实践[1-2]。

1 “发酵工程”实验教学改革研究进展

1.1 虚拟仿真技术在发酵工程实验中的应用

“发酵工程”实验是“发酵工程”课程必不可少的一部分，在发酵工程学科素养培养过程中发挥重要作用。针对传统实践教学的局限性，“互联网+”和虚拟仿真技术在实践教学中的应用越来越多，发酵工程实验方面也产生了一批优秀的虚仿实验项目。如武汉理工大学、哈尔滨工业大学相关课程组分别针对本科生和研究生层次建设了“抗生素发酵生产工艺与工程实践”“微生物絮凝剂合成机理研究及应用”等虚仿实验项目，将线下不易实现的实验内容通过计算机展现给学生，并从微观到宏观，从原理到设备多层次、多角度逐步展示[3]。南京工业大学“发酵工程”课程组则将VR 技术与实验室设备结合，构建了一个虚实结合的多维工程中试实验室平台，推进工程素质教育[4]。以上虚拟仿真项目在培养学生综合利用所学知识探索微生物生长及发酵过程发挥了重要作用，并在教学中得到了学生积极的反馈。发酵方式包括深层液态发酵和固态发酵，然而，目前“发酵工程”实验相关的虚仿项目均以液态发酵技术为主，在固态发酵，尤其是传统固态发酵方面虚仿项目较少。

1.2 传统固态发酵特征及实验项目开发现状

微生物被誉为发酵食品的“灵魂”，与纯种液态发酵相比，传统固态发酵的微生物大多来源于酿造环境、原料，微生物种类与数量繁多，相互影响逐步演变，形成一个独特的微生态群落，且随着酿造工艺的进行，其微生态组成和结构不断发生变化。传统固态发酵主要应用在风味食品的制作，如酿酒、酿醋、豆腐乳、豆豉、泡菜等，其群落中的微生物对原料的代谢途径多样而复杂，并随之形成独特的感官、营养和功能物质。传统固态发酵在现代多种名优地理标志产品的生产中具有纯种液态发酵不可替代的效果[5-6]。除此之外，固态发酵用水量少、在后续加工过程中能耗少的特点在低碳清洁生产中有极大潜力。然而，由于研究技术的限制，传统固态发酵食品的核心功能微生物组成及种群演变规律、代谢物变化规律、特征风味物质形成过程等很多原理和机制还不甚明了，因此对于经验和环境要求较高，学生在实验室不易成功。实际上，不论是作为科学研究还是工程内容，固态发酵过程同样遵循微生物生长代谢基本规律、微生物与环境互作，以及物质传递、动量传递以及热量守恒等基本化工单元操作基本规律，是一个复杂工程体系[7]。

固态发酵过程中问题的解决需要微生物生理和工程计算方面知识综合分析，可以作为重要抓手培养学生解决复杂工程问题的能力。然而在现实中，由于固态发酵生产周期长、自然微生物受地理条件限制、产品质量不易控制等问题，学生通常很难在线下有限的实验时间和实验空间内高质量地完成，严重影响实际开课率。很多高校生物工程专业“发酵工程”实践课程只开设液态发酵内容，忽略固态发酵，尤其是传统固态发酵的综合实验。

2 以山西老陈醋为例建设固态发酵虚拟仿真项目

山西老陈醋是中国四大名醋之首，是中国食醋地理标志产品。山西老陈醋以当地特色小杂粮高粱为主要原料，配以豌豆、苦荞、小麦麸皮等原料，经大曲糖化、酒精发酵、高温引种醋酸菌、熏醅等工艺发酵而成。其原料、微生物菌源自产地，发酵完成之后要经历1～3 年的夏晒冬捞冰陈酿后熟过程。陈酿不仅是老陈醋的浓缩过程，也是各种生化反应进行，进一步形成老陈醋特有风味物质的过程[8]。整个酿造工艺是地理生态环境、微生物与酿造工艺的完美结合，是传统文化中就地取材、顺应自然的大生态理念的体现，极具科学性与传承价值。以“山西老陈醋”为例，将传统固态发酵以虚拟仿真实验的形式融入“发酵工程”实验教学中，可以为发酵工程实验体系补足重要的一环，同时也是山西省地方特色酿造文化的升级和传承。

2.1 从山西老陈醋发酵中提炼微生物发酵及食品生化反应知识点

在发酵工艺及原理方面，老陈醋酿造在内容上贯通厌氧酒精发酵和需氧醋酸发酵，实验过程涉及原料选取与预处理、大曲糖化、大曲质量鉴定及微生物菌相分析、糖化过程中酶活和营养物质的变化、酒精发酵、引火工艺、醋酸发酵、熏醅及美拉德反应、陈酿及关键芳香物质的形成等10 个知识点。对工艺技术及背后科学原理的深刻理解需要调动生物产品工艺学、微生物学、发酵工程、生物化学、有机化学、生物工厂设计与生物设备、食品工艺学等多门基础和专业课程的知识，将其中涉及的知识点融汇贯通，从而为培养工科学生“解决复杂工程问题能力”提供一次重要的实践。

课程组在太原宁化府老陈醋生产车间实地取材建模，委托上海曼恒科技有限公司进行技术开发，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，建设成为具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台（http://121.196.15.100/page2021/vinegar/index.html）。线上项目内容与传统课堂教授内容交互，并在手机端进行了内容的扩展，为学生提供系统、完备的学习体验。该项目既可以作为生物工程在校学生的教学软件，也可以服务于老陈醋生产企业岗前培训。

项目通过“情景再现”与“产品化实习”，重现真实发酵工艺生产流程，缩短实验周期，让学生有亲临其境的真实感受，提升实训效率及效果。学习并实践了山西老陈醋虚仿固态发酵工艺之后，学生应理解老陈醋中微生物生长代谢规律及其与产品品质的关系，进一步清楚固态发酵与液态发酵的异同点，为培养固态发酵中复杂工程问题的分析和解决能力提供实践平台。

2.2 项目按照“虚实结合，能实不虚”的原则，围绕全程质量控制的思想构建了从初级到高级的训练考核体系

项目按照“能实不需，虚实结合”的思路设计，打造虚实结合的实验项目（见图1）。线上内容主要通过虚拟仿真模拟老陈醋的整体工艺、设备及质量监控要点，比如酿造过程中涉及到整体工艺流程、生产设备、生产环境等，让学生对整体生产环境和设备有全面的了解。线上部分还包括工艺中重要的质量控制点，如发酵培养过程、熏醅、陈酿等步骤，每一个质量控制点的操作条件均会影响到其中的生化反应进程，导致产品质量差异。因此，在设计中不同的操作会产生不同结果，错误的操作程序会给出残次品的结果，并给出选择返回重做，借此纠偏模块加深学生对工艺控制点作用的理解。在实验的关键步骤中穿插了问答题，涉及了该步骤背后的主要原理相关知识点的理解，如微生物菌相变化、酶的变化、风味变化和营养成分变化，让学生能够实际联系理论，强化学生对发酵机理和工程原理的应用能力。

线下部分主要在工艺中选取实物体积小的原料、中间产物和终端产物，在线下实验室利用已有分析设备进行分析检测及感官评价，如高粱、豌豆等原料的认知，大曲的感官及活性检测、酒精度检测、新醋和老陈醋的醋酸检测及感官评价等。线上和线下质量监控点包含了老陈醋生产过程中主要的检测内容，通过实践深化全程质量控制的理念。

实验设计思路见图1。

图1 实验设计思路

为了提高仿真实验项目对学生从知识到解决复杂工程问题能力不通层次的培养，实验由易到难设计了初级、中级、高级3 个模块。初级和中级通常按既定模式学习和应用，高级层次以“质量纠偏模块”来实现。此模块中会随学生操作参数不同而出现生产中的各种问题，学生需要根据所学知识和实际情况进行分析，找到产生问题的原因，提出综合解决方法及依据，并通过操控模式解决。系统根据问题解决的程度，进行打分。“虚实结合”与“在线纠错”，减少了实验材料的损耗、避免了盲目操作的风险、缩短了实验培训时间。

2.3 项目设计分层次、多维度展示实验内容在时间、空间、操作上的变化

项目具体分为实验预习、实验模拟和考核测评3 个模块，每个模块层层展开，涉及车间选择和排序、场景展示、原料和设备选择、分步操作、参数输入、产生数据、形成结果等一系列实施过程。具体讲可以从4 个层面。

第一层面为运行模块内容。该实验把整个实验内容融入到3 个运行模块中，从而更清晰地展现所涵盖的过程体系。

第二层面为场景性内容。利用场景性带入法，每个过程模块对应一个或者若干个相应场景（车间），通过360 °全景巡视，创设一种身临其境的感觉，从而引导学生更容易进入相应的实验步骤和所设立的实验环节中。

第三层面是时间性内容。通过设置实验流程、现在所处实验步骤、实验操作提示，进入每个场景后，通过界面友好的引导，学生能够实时感受到自己所处的操作节点，领悟当前操作要领，基于先前的预习和讨论，能够一步一步将实验进行下去，最终完成一个场景的所有操作。

第四层面为实验训练内容。借助引导和激励，通过尝试和纠错，根据实验进程设计一系列关节点，如同游戏闯关，不能完成关键过程，只能退出重来，从而增强实验的吸引力和挑战性。在具体的实验过程中，充分体现学生的自主性学习，尤其是学习时间和学习地点的灵活性，学习模块和学习场景的自主选择和重要环节的反复操演，锻炼学生解决问题的动手能力。

2.4 选择多种教学方法交叉融合，让学生成为“教”“学”过程的中心和主体

整个项目通过课堂教学、线上讨论组等方式实现师生互动式、研讨式教学；学生通过自主学习和组队学习进行自主式、合作式、探究式学习。项目建设过程有学生的全程参与，以学生的需求为项目建设的主体。项目含有自主学习模块，相比于传统“填鸭式”教学方法，学生的自主创新和学习能力有了显著提高，学习效果更好。其中，线上自主考核系统，学生根据自己的想法操作实验，实现实习时间、实习步骤、实习报告的管理和分享，可以追溯和管理实习的过程。

3 山西老陈醋项目建设中优秀传统文化的渗透

中华优秀传统文化博大精深，体现在人们生活、劳动的方方面面。很多名特优地理标志产品，如汾酒、茅台、老陈醋、豆豉等，都是传统固态发酵。传统固态发酵多富集自然菌种，菌种微生态来源和动态演变，以及对最终产品独特风味的贡献是自然环境气候、水、原料、用具、工艺和谐统一的结果，在酿造过程中既体现了微生物对环境气候温度、湿度等条件的依赖，也凸显了通过人为调整原料中营养物质、pH 值、发酵时间等对发酵方向的控制。比如山西老陈醋传统酿造工艺中的“夏晒冬捞冰”“酒精发酵时间随夏天与冬天而变化”、酒精发酵向醋酸发酵转化时加入的辅料，都暗含了我国“天人合一”“顺应自然”“天时、地利、人和”自然统一等哲学思想。

在传统固态发酵虚拟仿真项目的建设过程中，课程组积极挖掘山西老陈醋工艺中蕴含的哲学思考，并将其在虚仿课程引导片中展示出来，使得学生在学习、使用虚仿课程的同时，领会体悟其中蕴含的传统哲学思想，提升工科学生的人文素养[9]。

4 结语

项目旨在以山西老陈醋为切入点，研究、传承、提升传统自然固态发酵，并以此为基础开发了虚拟仿真项目。在教学中融合线上虚拟仿真软件和线下实验室的分析检测，让学生更好地掌握固态发酵生产环境、设备、工艺条件和质量控制方法，为综合培养学生解决复杂工程问题的能力提供一个着力点。