生物技術(shù)專業(yè)實驗獨立設(shè)課實踐思考
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摘要:生物學(xué)以理論研究為基礎(chǔ)，是一門實踐性很強的學(xué)科，提升學(xué)生的綜合實驗技能對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)有重要的促進(jìn)作用。對生物技術(shù)專業(yè)獨立設(shè)置《生物技術(shù)綜合實驗》實驗課，實驗內(nèi)容包含基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程四個模塊，實驗項目設(shè)置以綜合性實驗為主，考核方式中加入了科技論文寫作，學(xué)生參與科學(xué)研究的全過程，提高了綜合素質(zhì)。通過《生物技術(shù)綜合實驗》獨立設(shè)置實驗教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果，增強了本科生的自主學(xué)習(xí)、主動思考、分析問題、解決問題的能力，為培養(yǎng)生物科學(xué)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:生物技術(shù)專業(yè);生物技術(shù)綜合實驗;獨立設(shè)置實驗課
隨著當(dāng)今生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對生物專業(yè)人才的專業(yè)素質(zhì)要求不斷提升。生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展要求生物技術(shù)本科畢業(yè)生不僅具有較扎實的生物技術(shù)基礎(chǔ)理論知識，更強調(diào)具備較強的實驗技能、動手能力以及獨立分析問題和解決問題等綜合科研能力。當(dāng)今時代技術(shù)發(fā)展要求大學(xué)素質(zhì)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結(jié)合的背景下，對生物技術(shù)專業(yè)實驗課程的教學(xué)模式和實驗內(nèi)容進(jìn)行改革大有必要，以適應(yīng)形勢發(fā)展的要求。山西中醫(yī)藥大學(xué)(以下簡稱“我?！?基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物技術(shù)專業(yè)為四年制本科，為學(xué)生開設(shè)了遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、微生物學(xué)等專業(yè)課程，且上述理論課中均設(shè)計有緊扣理論的實驗課，目的是用理論知識指導(dǎo)實驗實踐，并在實驗中加深對理論知識的理解。在第6學(xué)期，為學(xué)生開設(shè)了生物技術(shù)概論，該課程是一門實踐性、綜合性很強的學(xué)科，包括基因工程、細(xì)胞工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程和酶工程中重要理論和技術(shù)的概述，重在突出五大工程在農(nóng)業(yè)、食品、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等方面的綜合應(yīng)用，所以該課程理論課后安排有一定學(xué)時的實驗課。目前，各高校該課程的實驗課通常是緊隨理論課的進(jìn)度安排，實驗課內(nèi)容相對分散、孤立，實驗教學(xué)運行中教師指導(dǎo)學(xué)生在指定時間內(nèi)完成既定實驗，實驗方法和手段固定，實驗結(jié)果單一，通常是對理論知識或者實驗方法的驗證［1－2］。因此學(xué)生在很大程度上處于被動學(xué)習(xí)的狀況，興趣和積極性不高，學(xué)生缺乏學(xué)科間實驗技能的交叉連貫性。針對目前生物技術(shù)概論實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的一些不合理和不足因素，探索新的設(shè)計方案，進(jìn)一步加強實驗技能的培養(yǎng)，針對生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生開設(shè)獨立的《生物技術(shù)綜合實驗》課。該課程獨立開設(shè)在第7學(xué)期，依托于生物技術(shù)概論教材，但獨立設(shè)置課程，單獨考核并可獲取5個學(xué)分。學(xué)生通過前面的專業(yè)課理論及實驗理論學(xué)習(xí)已了解基本的實驗方法，具備獨立完成綜合性實驗的能力，通過獨立設(shè)置的《生物技術(shù)綜合實驗》課程可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和自主探索性，鼓勵學(xué)生在獨立思考中發(fā)現(xiàn)問題，自主完成實驗過程進(jìn)而解決問題，從而全面應(yīng)用本專業(yè)理論并提高實驗技能，使理論知識盡可能與生產(chǎn)實踐、科研相結(jié)合。通過綜合實驗課的探索和訓(xùn)練，為培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合分析和解決實際問題的能力打下堅實的基礎(chǔ)。
1獨立設(shè)實驗課在生物學(xué)相關(guān)課程中的開展情況
生物學(xué)是注重實驗技能，綜合應(yīng)用的一門學(xué)科，實驗技能的培養(yǎng)對于理論知識的驗證、鞏固和掌握起到重要作用。全國各大高校均鼓勵并要求獨立設(shè)置實驗課程。如吉首大學(xué)已獨立設(shè)置《分子生物學(xué)實驗技術(shù)》《微生物學(xué)實驗》《分子醫(yī)學(xué)技能實驗》;廣西大學(xué)獨立設(shè)置《生物工程綜合實驗課程》［3］;中南大學(xué)獨立設(shè)置《生理學(xué)實驗課》［4］;長春師范學(xué)院獨立設(shè)置《普通生物學(xué)實驗》［5］;內(nèi)蒙古包頭醫(yī)學(xué)院獨立設(shè)置《醫(yī)學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)》［6］;廣西醫(yī)科大學(xué)的《生物技術(shù)綜合實驗》［7］等，各大高校的實驗課獨立設(shè)課后陸續(xù)向生物相關(guān)本科專業(yè)開放，這些實驗課程具有一定的積極作用，取得了良好的效果。
2獨立設(shè)生物技術(shù)綜合實驗課程的探索
2．1圍繞培養(yǎng)目標(biāo)，制定教學(xué)計劃
我?！渡锛夹g(shù)綜合實驗》課程對象為本校生物技術(shù)專業(yè)四年制本科生，課程為限選課，課程設(shè)置80學(xué)時，5個學(xué)分，在第7學(xué)期開設(shè)，授課時間范圍2～9周，課程連續(xù)安排。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和本專業(yè)學(xué)生知識背景，實驗內(nèi)容分四個模塊進(jìn)行，分別是基因工程、細(xì)胞工程、蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程。結(jié)合學(xué)科背景、所學(xué)理論知識、實驗室現(xiàn)有實驗條件、學(xué)生將來科研訓(xùn)練及就業(yè)目標(biāo)等綜合考慮設(shè)置共22個實驗。實驗內(nèi)容以綜合性實驗為主，盡可能地涵蓋相關(guān)課程的主要理論和實驗方法，同時適當(dāng)設(shè)計加入一些相對前沿、熱點和時效科學(xué)問題，基礎(chǔ)實驗課程中未曾涉及的實驗。實驗內(nèi)容貼近現(xiàn)實生活和生產(chǎn)實際，目的在于激發(fā)學(xué)生的興趣和實用性，引導(dǎo)學(xué)生主動深入學(xué)習(xí)和思考。例如基因工程模塊中，包括了基因工程的切、接、轉(zhuǎn)、增、檢等基本理論和操作，共計7個實驗，涵蓋了綠色熒光蛋白基因的克隆及表達(dá)的全過程，實驗具有連續(xù)性和銜接性，前一個實驗的結(jié)果密切關(guān)系到后續(xù)試驗的開展。細(xì)胞工程模塊設(shè)計7個實驗，從培養(yǎng)基的選擇和配置開始，到細(xì)胞復(fù)蘇、原代、傳代細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞融合等實驗內(nèi)容。培養(yǎng)基配置及細(xì)胞復(fù)蘇等實驗屬于基礎(chǔ)實驗，鞏固了基本理論和技能，細(xì)胞原代、傳代培養(yǎng)培養(yǎng)了學(xué)生的綜合實驗分析能力。發(fā)酵工程模塊設(shè)計3個實驗內(nèi)容，主要設(shè)置了液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩種類型的實驗。蛋白質(zhì)工程模塊包括兩部分內(nèi)容，一部分是等電點法提取酪蛋白，包括了等電點測定，酪蛋白提取，蛋白含量測定等;另外一部分為westernblot實驗，讓學(xué)生了解抗原與抗體發(fā)生反應(yīng)的基本原理。整體來看，實驗內(nèi)容以自主發(fā)現(xiàn)問題，解決實際存在的問題為主導(dǎo)，驗證性實驗的比重適當(dāng)調(diào)低，適當(dāng)增加探索性實驗設(shè)計。本課程的綜合性和設(shè)計性實驗內(nèi)容占總項目數(shù)的72．7%。由于該課程屬于獨立設(shè)置實驗課，沒有現(xiàn)成的教材，課題組成員負(fù)責(zé)編制和修訂實驗教學(xué)大綱。在選定實驗題目后，任課教師查閱文獻(xiàn)，并結(jié)合各自科研優(yōu)勢和相關(guān)性，從而制定實驗教學(xué)大綱具體內(nèi)容和實驗指導(dǎo)手冊，教學(xué)團(tuán)隊根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件，共同討論實驗方案的而科學(xué)性、可操作性及其合理性，征集修改意見，逐步完善和優(yōu)化，直至達(dá)到完整的系統(tǒng)性。
2．2獨立設(shè)《生物技術(shù)綜合實驗》課堂教學(xué)的組織管理
實驗安排中增加教師和學(xué)生的互動性，以2017級生物技術(shù)專業(yè)為例，分為兩個大組，分別在分子生物學(xué)實驗1室和實驗2室，各由一名教師授課。在每一個模塊實驗開始之前，教師介紹本模塊設(shè)計的理論知識和實驗?zāi)康募皩嶒灠才?，使學(xué)生對該實驗?zāi)K形成一個整體思路。每一節(jié)實驗課前一天下發(fā)實驗指導(dǎo)手冊，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)相關(guān)知識點和理論。教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇不同的教學(xué)手段，例如westernblot實驗，課堂講授與多媒體技術(shù)相結(jié)合，教師參照實驗指導(dǎo)手冊講授實驗操作注意事項，接著利用多媒體播放westernblot操作流程，使學(xué)生在操作等各方面有更感性的認(rèn)識，提高他們動手操作的能力。例如綠色熒光蛋白基因的克隆及表達(dá)實驗，教師用10min詳細(xì)介紹本節(jié)實驗課內(nèi)容，基于學(xué)生已掌握的專業(yè)知識和技能基礎(chǔ)，先開展實驗，隨即翻轉(zhuǎn)課堂，隨機提問，讓學(xué)生復(fù)述本節(jié)課實驗?zāi)康摹⒃?、步驟和初步結(jié)果。教師隨后進(jìn)行知識點補充和拓展，例如獲得目的基因的方法除了PCR還有哪些，細(xì)菌轉(zhuǎn)化的方法除了本實驗中使用的CaCl2誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化，還有哪些細(xì)菌轉(zhuǎn)化的方法，為什么選擇感受態(tài)細(xì)胞?感受態(tài)細(xì)胞的特點等，該轉(zhuǎn)化分別適用于什么類型的細(xì)胞，轉(zhuǎn)化子和重組子鑒定中本試驗使用的是引物PCR產(chǎn)物和菌落PCR，除此之外還有哪些，通過反復(fù)提問和補充，讓學(xué)生對即將開展的實驗做到理論和實驗相結(jié)合，深刻理解實驗原理和結(jié)果。實踐操作過程4個人一小組，以學(xué)生為主體，教師監(jiān)控整個實驗過程，對操作規(guī)范的學(xué)生，加以鼓勵并倡導(dǎo)現(xiàn)場示范性展示，引導(dǎo)其思考觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果，分析實驗結(jié)果。對于動手能力相對較差的學(xué)生，教師要鼓勵并指導(dǎo)他們正確操作，直到完成實驗。實驗過程中要求學(xué)生認(rèn)真動手，詳細(xì)記錄實驗結(jié)果，保留原始實驗記錄。在綜合性實驗中，因本次實驗操作誤差導(dǎo)致沒有得到應(yīng)有實驗結(jié)果時，為不影響后續(xù)實驗進(jìn)行，學(xué)生可以申請在教師指導(dǎo)下重復(fù)實驗，或者與下一小組實驗時重新進(jìn)行實驗，以保證每個小組能夠完成一次完整的實驗。實驗完成后要求學(xué)生總結(jié)實驗過程，整理實驗數(shù)據(jù)，分析并記錄實驗結(jié)果，按照規(guī)范書寫實驗報告。實驗報告包括實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗結(jié)果、實驗預(yù)案和思考題六個部分。實驗報告于每節(jié)實驗課下課前交回，教師收回評閱并在下節(jié)課返還學(xué)生，并告知實驗報告中記錄的實驗過程哪里存在問題，點評上一堂課實驗操作中存在問題和改進(jìn)方法，有利于更清晰地理解實驗教學(xué)的目的及意義，從而規(guī)范后續(xù)開展的實驗操作，以期得到更好的實驗效果。因為好的實驗結(jié)果容易讓學(xué)生產(chǎn)生成就感，學(xué)習(xí)興趣更濃，有助于在實驗教學(xué)鞏固并掌握理論知識。
2．3考核評價體系
通過文獻(xiàn)調(diào)研和比較分析［8］，確定該獨立設(shè)置生物技術(shù)綜合實驗的考核分為兩部分，包括形成性評價(40%)和期末成績(60%)兩部分。形成性評價成績依據(jù)課前預(yù)習(xí)、實驗操作和實驗報告綜合評價。學(xué)生缺勤達(dá)80%者課前預(yù)習(xí)科目小于60分，能夠基本完成實驗，但實驗操作不規(guī)范，結(jié)果不理想者60～70分，得到正確實驗結(jié)果者70～80分，得到預(yù)期良好的實驗結(jié)果并能完整表述結(jié)果與思考題者90～100分。期末成績主要體現(xiàn)在科研小論文的撰寫上。課程結(jié)束時教師隨機分配學(xué)生科研小論文的題目，選題為本課程做過的四個模塊實驗中的一個。要求學(xué)生按照科研論文的格式進(jìn)行撰寫，提交電子版論文，然后教師進(jìn)行評閱和評價，并反饋給學(xué)生進(jìn)行修改完善，同時參考學(xué)生修改論文的態(tài)度及最終呈遞的論文進(jìn)行評分，期末論文同時考查學(xué)生運用本專業(yè)理論和專業(yè)術(shù)語書寫表達(dá)能力、查閱文獻(xiàn)能力、正確合理地引用文獻(xiàn)的能力和科學(xué)思維討論能力等。論文評分標(biāo)準(zhǔn)如下，按照規(guī)范的論文格式，完成論文者60～70分，寫作規(guī)范且正確合理地引用文獻(xiàn)者70～80分，論文的基本格式規(guī)范，并能結(jié)合參考文獻(xiàn)合理分析實驗結(jié)果并進(jìn)行討論者80～100分。成績組成見表1。
3教學(xué)效果評價
該實驗課已經(jīng)在我校生物技術(shù)專業(yè)四屆學(xué)生中進(jìn)行了探索性實踐，分別是14級(46人)、15級(49人)、16級(47人)和17級(46人)。四屆學(xué)生本課程及格率均為100%，無缺勤現(xiàn)象。大部分實驗都能順利完成，在難度較大的綠色熒光蛋白的克隆及表達(dá)實驗中個別小組因?qū)嶒灢僮魇д`，存在重復(fù)實驗或者借用其他小組材料的情況，而80%的小組順利一次性獲得實驗結(jié)果，未能獲得最終實驗結(jié)果的小組通過觀察別小組實驗結(jié)果，積極參與同學(xué)之間和師生之間的分析和討論，對自己的操作環(huán)節(jié)進(jìn)行了反思，在實驗報告中對失誤導(dǎo)致結(jié)果不理想進(jìn)行了分析。課程成績顯示良好的正態(tài)分布，綜合評價后80～90分(良)的學(xué)生人數(shù)占總?cè)藬?shù)60%以上，該數(shù)據(jù)表明大部分學(xué)生基本知識和基礎(chǔ)技能掌握良好，并在該課程中能夠運用理論指導(dǎo)并達(dá)到了訓(xùn)練綜合實驗技能和創(chuàng)新能力，達(dá)到了實驗課程教學(xué)目的。隨著該獨立設(shè)置實驗課的開展，在學(xué)生中形成了良好的口碑，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生提交的期末論文水平逐年提升，學(xué)生該課程的平均成績也呈現(xiàn)逐年升高的趨勢。本課程結(jié)束后采用問卷調(diào)查方式對獨立設(shè)置實驗課進(jìn)行評價，問卷統(tǒng)計分析表明大部分學(xué)生對這種獨立設(shè)置實驗課表示認(rèn)可，認(rèn)為獨立設(shè)置實驗課系統(tǒng)性好，引起興趣且記憶深刻，且通過課程的學(xué)術(shù)論文寫作，有助于對整個實驗過程進(jìn)行梳理，形成科研訓(xùn)練的完整流程。通過獨立設(shè)置實驗培訓(xùn)，學(xué)生加入校內(nèi)各科研團(tuán)隊，得到老師們的肯定，在各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中也取得了優(yōu)異的成績，例如，“參芪膠原納米復(fù)合纖維面膜開發(fā)”獲第二屆全國中醫(yī)藥高等院校大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)銅獎，“抗光老化中藥納米復(fù)合纖維”獲第十二屆“興晉挑戰(zhàn)杯大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃銅獎”等多項榮譽。
4改進(jìn)策略及方法
在發(fā)酵工程模塊實驗中，學(xué)生學(xué)習(xí)了培養(yǎng)基配置的基本原則和操作，鍛煉了學(xué)生的實驗動手能力。因為課時限制以及充分利用材料，其他實驗中的材料和常規(guī)試劑均由實驗員和小組的個別學(xué)生共同配置，只有個別學(xué)生參與其中，這對培養(yǎng)學(xué)生獨立自主完成實驗的能力來說存在一定欠缺。在課時有限的前提下，為了鍛煉學(xué)生相對獨立的科研能力，并保證課程進(jìn)度相步，我們在積極探索實驗室開放，由學(xué)生通過組團(tuán)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約，并于課后自行準(zhǔn)備實驗，這樣保證整個實驗均由學(xué)生獨立完成，以期達(dá)到鍛煉學(xué)生獨立解決問題的能力。目前本課程的實驗內(nèi)容由教師組擬定，隨著獨立設(shè)置《生物技術(shù)綜合實驗》的探索、實踐與改革，建議設(shè)立開放性實驗。由學(xué)生自行查找資料，選擇自己感興趣的實驗項目，或者由學(xué)生向指導(dǎo)老師提出構(gòu)想，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下設(shè)計完整的實驗項目，通過與代課教師溝通，商定實驗進(jìn)度及課時安排，從而取代本課程中實驗技術(shù)相近的課時。開放實驗項目的評價方式與其相對應(yīng)課堂實驗項目采用相同的標(biāo)準(zhǔn)。近幾年，我們正在嘗試讓低年級同學(xué)提前觀摩高年級學(xué)生的實驗過程和畢業(yè)設(shè)計實驗，積極推動學(xué)生較早了解和參與科研，極大地提高了課程的實踐性和學(xué)生的興趣，從而提高綜合專業(yè)素質(zhì)。
5小結(jié)
《生物技術(shù)綜合實驗》獨立設(shè)置實驗課的仍在繼續(xù)摸索和推進(jìn)之中，我們將在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，完善《生物技術(shù)綜合實驗》的課程設(shè)置，嘗試新模式和新方法，全面提高教學(xué)質(zhì)量。我們遵循教學(xué)有法，但無定法，貴在得法的公理。我們相信在培養(yǎng)創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力為主的實驗教學(xué)體系的道路上沒有固定模式可走，只有從實際情況出發(fā)，通過不斷的探索、實踐、思考和總結(jié)，逐步形成完善成熟的教學(xué)模式，才能獲得良好的效果，培養(yǎng)出專業(yè)性更強的學(xué)生，同時推進(jìn)學(xué)科建設(shè)。
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作者：岳慧英 吳娜 蔡東暉 胡麗麗 單位：山西中醫(yī)藥大學(xué)
