科研項目引入本科實驗教學研究
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摘要：文章從當前大學生專業(yè)技能與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標出發(fā)，充分發(fā)揮高等院校科研優(yōu)勢，以本科生專業(yè)能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育等為基礎，在本科生實驗課教學中引入專業(yè)課教師的科研項目，構(gòu)建科研項目促進實驗課教學的新模式，并以“基因工程實驗”教學為例，將從環(huán)境中新獲得的功能菌株的基因鑒定與“基因工程實驗”相結(jié)合。與傳統(tǒng)實驗課相比，科研項目與本科生實驗課教學相結(jié)合的模式，能充分激發(fā)學生的科研熱情，提高學生的自主創(chuàng)新能力，同時，也為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供一種重要的途徑。
關鍵詞：科學研究；教學改革；實驗教學；人才培養(yǎng)
目前，我國普通高校的大學生普遍存在科研思維較弱和動手能力不強的問題，與我國所提倡的創(chuàng)新型和應用型技術人才的培養(yǎng)目標還存在較大的差距。因此教育培養(yǎng)模式，尤其是實驗課教學模式的改革勢在必行。我國高校專業(yè)課教師的主要工作內(nèi)容包括教學和科學研究兩大塊。其中教學是專業(yè)課教師最重要的工作任務。教學效果的好壞直接決定了所培養(yǎng)學生的業(yè)務水平和創(chuàng)新能力。而開展科學研究能逐漸提高專業(yè)教師的業(yè)務能力和教學能力，教學和科研兩者互相補益。一般從事一線科研工作的專業(yè)課教師其課堂內(nèi)容更豐富，教學內(nèi)容更能貼合社會需求，更能引發(fā)學生的學習熱情，使學生畢業(yè)以后具有更高的工作適應性。目前大多數(shù)高校的專業(yè)課教師均將科研項目與博士和碩士研究生的培養(yǎng)相結(jié)合。在保證研究項目順利完成的同時，也培養(yǎng)了研究生理論聯(lián)系實際、分析問題、解決問題的能力。相對來說，本科生很少有機會接觸教師的科研項目，缺乏對科研流程最基本的了解，主要通過本科實驗課程的學習和完成畢業(yè)論文兩種方法將理論知識與生產(chǎn)實踐相結(jié)合。實驗課教學是學生尤其是理工類學生理解并運用理論內(nèi)容，進行科學思維培訓和創(chuàng)新知識培養(yǎng)的媒介。相對于理論課教學，實驗課教學更具有直觀性，是理論聯(lián)系實踐的重要環(huán)節(jié)。開展生動有趣的實驗課，能極大地促進學生的學習熱情，提高學生的動手能力。目前專業(yè)實驗課多采用經(jīng)典實驗和驗證性實驗的教學模式，對學生創(chuàng)新能力和綜合應用能力的培養(yǎng)相對較少[1]，學生通常按照實驗課教材記錄實驗步驟，獲得實驗結(jié)果，撰寫實驗報告。這種教學方法相對保守、枯燥，長期開展會降低學生對實驗課的熱情，產(chǎn)生應付實驗課的情況。培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新能力成為亟待解決的問題。將專業(yè)課教師的科研項目融入本科生實驗課教學過程中，讓學生能接觸到更多先進的科研儀器設備，了解當前的專業(yè)熱點，進而全方位提高專業(yè)素質(zhì)。尤其是探索性的科研能極大地提高學生的科研熱情和自主學習能力，為其今后在專業(yè)工作中積累經(jīng)驗。天津科技大學設立的“實驗室創(chuàng)新基金”和“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”，點燃了本科生參加科技活動的熱情，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，提高了學生的動手能力。
一、將科研成果與本科生實驗教學相結(jié)合必須
保證學生掌握學科基礎技能通常科研項目的研究內(nèi)容較多，科研難度與本科生的能力不匹配，不能直接作為本科實驗教學的內(nèi)容，必須經(jīng)過取舍，保證在培養(yǎng)本科生基本技能的基礎條件下開展；必須先將科研項目中的實驗內(nèi)容經(jīng)過篩選、拆分成更小的單元作為實驗課教學內(nèi)容，將科研項目中前期成熟的方法手段與本科生實驗教學內(nèi)容相結(jié)合。例如在生物化工系教師的許多課題里，需要從環(huán)境中分離獲得大量不同的功能菌株。一般新分離的功能菌株，首先需要將這些菌株進行分子鑒定，將新獲得的功能菌株的分子鑒定與“基因工程實驗”相結(jié)合。這樣做既能保證本科生學習獲得必要的基礎知識，又能增加實驗的不確定性。例如從環(huán)境中分離獲得的是什么菌種，一般通過16SrRNA序列與GeneBank中已有序列相比對，與16SrRNA序列最近的菌種就有可能是獲得的新菌種的種屬。只有在確定新菌種的種屬后，才有可能知道該菌的特性和潛在的應用價值，以及后續(xù)確定獲得菌種未來該從哪些方面進行開發(fā)等。學生通過該學習才有可能發(fā)現(xiàn)實驗中潛在的應用價值，從而激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和探索精神。在“基因工程實驗”課程中，教師首先帶領學生提取細菌基因組DNA，并分析基因組DNA的含量和質(zhì)量。接下來根據(jù)細菌16SrRNA序列設計引物，聚合鏈式反應（PCR）擴增16SrRNA，獲得16SrRNA全基因序列。之后將PCR產(chǎn)物進行膠回收，獲得高純度的PCR產(chǎn)物，并將目的基因片段導入質(zhì)粒。在制作感受態(tài)大腸桿菌時，將前期獲得的帶有目的16SrRNA序列的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到感受態(tài)大腸桿菌中，通過抗性篩選和藍白斑篩選，獲得攜帶有目的基因的大腸桿菌，提取質(zhì)粒，并利用質(zhì)粒特定引物PCR擴增，檢測攜帶導入大腸桿菌的質(zhì)粒中目的基因是否是陽性的，最終將攜帶陽性質(zhì)粒的大腸桿菌送測序公司進行測序，獲得目的片段的堿基序列，與GeneBank上的DNA序列進行Blast比對。利用Mega和Clustal等軟件建立細菌16SrRNA進化樹，初步確定微生物的種屬。在這些實驗過程中，既能保證本科生獲得實驗技能，又能感覺到實驗具有的應用價值。在成功獲得一些真正有用的實驗結(jié)果后，這種成就感會激發(fā)學生的科研熱情。反之，在實驗失敗后，鼓勵學生尋找實驗設計的不足，并改善實驗方法，從而最終解決問題。這種將科研項目與實驗教學相結(jié)合的模式，既能培養(yǎng)本科生的學科實驗技能，又能促進教師的科研項目推進，一舉兩得。
二、將科研方法引入實驗教學
科研方法是指在研究中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新事物，或提出新理論、新觀點，揭示事物內(nèi)在規(guī)律的工具和手段。這是運用智慧進行科學思維的技巧。采用適宜的科研方法能使科研工作高效快捷。相對于傳統(tǒng)的本科實驗課程，科研項目一般更具有探索性。將科研項目引入實驗教學既能降低學生因做傳統(tǒng)實驗而造成的枯燥感，又能有一定的創(chuàng)新性，抓住學生的興趣點。作為本科生，如果能在實驗教學的過程中學習到一些常用的科研方法，對他們今后從事科研工作或發(fā)揮創(chuàng)新能力具有重要意義[2]。例如在“基因工程實驗”課教學過程中，需要不斷尋求更優(yōu)性狀的菌種以提高發(fā)酵產(chǎn)品的經(jīng)濟性和高效性。教師將實驗室新分離的菌種交給本科生進行分子鑒定，學生有機會提取不同微生物的基因組DNA，了解不同微生物的特性。因為不同微生物的基因組DNA提取方法略有不同，學生就要從專業(yè)網(wǎng)站查閱相應微生物基因組DNA的提取方法，并與專業(yè)課教師討論實驗開展的可行性。查閱文獻的過程中，教師要培訓學生從哪些科研網(wǎng)站查閱文獻，因為大多數(shù)本科生的專業(yè)英語基礎不強，筆者一般建議本科生首先從CNKI中查閱一些中文文獻，通過閱讀中文文獻讓學生對該領域有個大致的了解；然后再查閱英文文獻，如WebofScience、SpringLink、Science-Direct等網(wǎng)站的文獻，在該網(wǎng)站主要查閱一些文章的標題和摘要；最后對真正感興趣的文獻再下載進行全文精讀，獲取需要的實驗方法和思路。這種培養(yǎng)學生查閱文獻的方法，會培養(yǎng)本科生從科研的角度解決問題，提高他們解決問題的能力。
三、將科研實驗室設備和技術引入實驗教學
在我國大多數(shù)高校中，本科實驗教學和科研工作是相互獨立的。大部分高校對于本科實驗經(jīng)費投入相對較低，本科實驗室所配備的設備和儀器基本上都是一些常規(guī)的儀器，缺乏先進的科研設備。學生使用老舊的儀器設備，導致其參與本科實驗課的熱情不高。如果學校的重點實驗室和科研實驗室能面向本科生開放，將能提高實驗室資源的利用率，同時本科生能有機會接觸到先進的技術、儀器和實驗方法。天津科技大學生物化工方向的專業(yè)課教師參與完成了許多國家級和省部級科研項目，具有完成該類項目的軟件條件和硬件條件。而一些高精尖的儀器設備在大學中普遍使用率不高，尤其是一些儀器的電子器件如果長期不使用，也會導致?lián)p壞，這將直接導致資源的巨大浪費。如果這些科研實驗室對廣大本科生開放，不但可以提高學生的動手能力，而且還能使他們掌握最新的研究設備的使用方法，拓展其科研視野。
四、改進研究方法
在保證學生掌握基本實驗技能的基礎上，本科實驗教學要盡可能減少驗證性實驗的比例，提高綜合性實驗和研究性實驗所占的比例。在科學技術飛速發(fā)展的當下，實驗內(nèi)容和研究方法也在不斷更新。如果本科生實驗課僅限于課本，不能及時更新，那么培養(yǎng)出的學生很難適應社會需求。因此，將本科生實驗教學與當前正在實施的科研項目相結(jié)合，能促進實驗教學不斷探索新的實驗方法，讓學生了解最新科技成果[3]。對實驗項目進行科學重組，使其與現(xiàn)代化科技發(fā)展相適應，與生產(chǎn)和工程實踐相結(jié)合，既能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，增強學生的實踐能力與自主研究意識，為社會輸送創(chuàng)新型人才提供途徑，又能讓學生及時了解學科發(fā)展動態(tài)和趨勢，學習最新技術和理念。例如PCR技術在“基因工程實驗”課中非常重要，學生充分掌握該內(nèi)容對其今后的科研開展具有重要的意義。影響PCR的因素有很多，一個小失誤就可能導致實驗失敗。在實驗失敗后，讓學生及時總結(jié)經(jīng)驗，不斷完善實驗方案，例如通過改變模板濃度、Mg2+濃度、退火溫度及時間等條件，最終獲得陽性結(jié)果。在解決問題的過程中，學生能扎實地掌握基礎知識，同時掌握分析問題、解決問題的方法。
五、養(yǎng)成持續(xù)學習的習慣
構(gòu)建全民終身學習的教育體系既是國家經(jīng)濟社會發(fā)展的民生政策，也是教育事業(yè)發(fā)展客觀而意義深遠的要求。科研項目應用于本科生實驗教學的關鍵是實驗內(nèi)容的邏輯化設計。在教學過程中轉(zhuǎn)變教學思路和方法，根據(jù)學生目前的知識水平，培養(yǎng)其能力，最終實現(xiàn)學生學習和思維方式的轉(zhuǎn)變，以培養(yǎng)出適合社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。在學習過程中學生會形成一定的生物化工學科素養(yǎng)，其主要核心內(nèi)容包括以下方面：理解“基因工程”基礎理論；將基因工程原理用于生物化工技術領域；了解一系列的相關實驗技能；在學習生活中遇到不懂的事物時，養(yǎng)成觀察現(xiàn)象、分析結(jié)果、得出結(jié)論的習慣；在學習“工業(yè)微生物”課程的過程中，養(yǎng)成獨立思考的能力，形成終身學習的習慣。現(xiàn)代高等教育是連接基礎教育與社會生活的橋梁。在大學生畢業(yè)進入社會遇到問題時，學生的最初想法不應該是繞開問題，而是要找到解決這個問題的方法。例如在什么網(wǎng)站查閱資料、如何查閱資料、如何綜合分析問題，并最終找到合適的解決問題的方法。
六、尋找創(chuàng)新點
將專業(yè)課教師科研項目與本科生實驗教學相結(jié)合，能有效提高本科生的專業(yè)素養(yǎng)以及分析問題、解決問題的能力。在科研項目完成過程中以學生為主體、體現(xiàn)自主性和設計性的實驗教學方法，改變了傳統(tǒng)的以驗證性為主的本科實驗課的舊模式，使教學內(nèi)容不再是無用的書面知識。將教學內(nèi)容與市場需求結(jié)合，能夠促進知識轉(zhuǎn)化為動力，體現(xiàn)知識的價值和重要性。主要表現(xiàn)在實驗的完成沒有既定的教材，沒有現(xiàn)成實驗步驟，完全由學生自主查閱相關文獻、設計實驗方案、整理實驗結(jié)果、總結(jié)實驗結(jié)論來完成。這些過程能極大地拓寬本科生的專業(yè)知識和專業(yè)素養(yǎng)。例如在“基因工程實驗”課中學生能針對不同種微生物，通過查閱文獻確定最終需要使用的微生物基因組DNA提取方法，以及針對不同種微生物物種采用不同的PCR引物。在這個過程中，學生不但充分掌握了基因組DNA的提取原理和PCR的基本原理，使其在畢業(yè)后工作的過程中形成遇到問題查閱文獻的習慣，從而提高綜合分析問題、解決問題的能力，還能有效保證實驗課教師在綜合了解了每個學生的科研興趣、知識基礎、動手能力、表達能力和協(xié)作能力的基礎上，將學生分成不同的實驗小組，使其小組成員分工協(xié)作。在研究方案實施的過程中，始終要以學生為主體，指導教師主要負責在技術上進行把關，糾正錯誤的科研思路，監(jiān)督科研項目進展。總之，高校教師依托科研項目，設計本科實驗課程，讓本科生參與研究，不但能保證教師的科研項目按計劃有序進行，還能使本科生得到充分的科研訓練，了解本專業(yè)的最新發(fā)展動態(tài)。本科生在參與教師科研項目的同時，充分培養(yǎng)了學生的自學能力、創(chuàng)新能力、分析能力和總結(jié)能力。學生畢業(yè)后進入工作崗位，能很快適應工作需求。如果本科生考研，也能快速地與研究生階段的科研課題相結(jié)合。
參考文獻：
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[3]林晶,張莉,金向陽.科研項目驅(qū)動下的包裝工程專業(yè)創(chuàng)新實踐教學的探索[J].黑龍江教育(高教研究與評估),2018(7).
作者：才金玲 唐娜 崔永巖 單位：天津科技大學