基于數(shù)字資源的本科創(chuàng)新性綜合實驗研究

唐淑榕，李光文

(福建醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院實驗中心，福建福州350108)

基于數(shù)字資源的本科創(chuàng)新性綜合實驗研究

唐淑榕，李光文

(福建醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院實驗中心，福建福州350108)

針對藥學(xué)專業(yè)本科生設(shè)計開展一項有關(guān)藥物中重金屬檢測的綜合實驗，通過引導(dǎo)學(xué)生利用豐富的數(shù)字資源選擇實驗項目、設(shè)計方案、開展實驗、分析數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告，有效提高本科生的綜合素質(zhì)并促進實驗教學(xué)的深化改革。

創(chuàng)新性綜合實驗；數(shù)字資源；文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫；圖像與數(shù)據(jù)處理軟件

隨著科技的不斷進步，當(dāng)今社會對人才的需求日益趨向于集深厚的理論知識與良好的實踐能力為一體的綜合型人才。傳統(tǒng)實驗教學(xué)所采用的教學(xué)方法、實驗內(nèi)容與操作過程基本是固定的，學(xué)生主要根據(jù)實驗教材按部就班地進行實驗操作。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生往往處于被動地位，無法發(fā)揮自身的主觀能動性，學(xué)習(xí)的積極性大大降低，從而使綜合能力無法有效提升。因此，開發(fā)新型的實驗教學(xué)模式成為高等院校實驗教學(xué)改革的必然趨勢[1]。

創(chuàng)新性綜合實驗以學(xué)生為主體，通過交叉使用各學(xué)科的知識，對實驗內(nèi)容與方案進行改進和創(chuàng)新，讓學(xué)生自主設(shè)計并完成實驗，從而培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新精神與團隊合作精神，有效提高實驗操作技能及綜合運用知識進行分析與解決問題的能力。創(chuàng)新性綜合實驗的開展將在培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才，促進實驗教學(xué)深化改革中發(fā)揮重要的作用[2-3]。筆者針對藥學(xué)專業(yè)本科生開展一項檢測藥物中重金屬殘留量的創(chuàng)新性綜合實驗，研究探討如何將豐富多樣的數(shù)字資源與實驗的設(shè)計與實施過程相結(jié)合，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生良好綜合素質(zhì)的目的。

一、數(shù)字資源與實驗教學(xué)相結(jié)合的必要性

數(shù)字資源是將計算機技術(shù)、通信技術(shù)及多媒體技術(shù)相互融合而形成的以數(shù)字形式發(fā)布、存取、利用的信息資源總和[4]。常見的數(shù)據(jù)庫、電子期刊、電子圖書以及多媒體資料等多種網(wǎng)絡(luò)資源都屬于數(shù)字資源，由于其具有不受時空限制、存儲空間小、資源豐富、形式多樣等特點，得到人們的廣泛關(guān)注與使用。如果能夠?qū)⒇S富的數(shù)字資源與實驗教學(xué)緊密結(jié)合，有望充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性及主觀能動性，讓學(xué)生在實驗過程中體會到學(xué)習(xí)的樂趣，有助于更好地掌握理論知識并提高操作技能，從而更順利有效地完成實驗任務(wù)。

(一)利用多媒體教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)方法內(nèi)容單一、形式固定，缺乏吸引力，學(xué)生只能被動地參與學(xué)習(xí)過程，因此學(xué)習(xí)效率低下。隨著教育信息化程度的不斷深入，一些集多媒體和網(wǎng)絡(luò)功能于一體的新型教學(xué)手段被開發(fā)利用，如多媒體課件、超鏈接、實驗操作視頻、BBS 論壇等。通過多媒體教學(xué)將文字、圖形、聲音、動畫等素材有機整合，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容且表現(xiàn)形式生動多樣，能夠形象直觀地展示客觀事物，從而吸引學(xué)生注意力并調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。在實驗教學(xué)中利用文字處理、圖表處理等數(shù)字化工具對知識點進行重組，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)造力與認(rèn)知能力。

(二)整合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，優(yōu)化實驗教學(xué)體系

教師在課堂上向?qū)W生口頭傳授知識的教學(xué)方式，其學(xué)習(xí)資源主要來自課本，學(xué)習(xí)內(nèi)容受到教學(xué)大綱的限制。由于實驗教材更新速度慢，一些實驗內(nèi)容與技術(shù)手段陳舊、落后，已經(jīng)無法滿足當(dāng)今社會的需求。互聯(lián)網(wǎng)有豐富的數(shù)字資源，信息量大且更新速度快。教師應(yīng)從教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生實際需求出發(fā)，對數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進行優(yōu)化。通過完善教學(xué)方法，幫助學(xué)生更好地掌握理論知識與操作技能。利用互聯(lián)網(wǎng)的開放性與共享性，教師可實時跟蹤了解學(xué)科進展，通過資源整合將先進的實驗方法、儀器設(shè)備等信息作為實驗課的教學(xué)素材，從而不斷更新教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識面。

(三)建設(shè)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，節(jié)約教學(xué)資源

由于課時有限，儀器設(shè)備、實踐場地等教學(xué)資源短缺，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中只能開展操作簡單的基礎(chǔ)實驗，一些相對復(fù)雜的綜合性、設(shè)計性實驗則難以順利進行，從而影響學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將數(shù)字資源與實驗教學(xué)相結(jié)合，可減少對硬件設(shè)施、上課時間與空間的依賴性，增加實驗操作的靈活性。借助基于計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可演示反應(yīng)條件苛刻而無法在常規(guī)實驗室完成的復(fù)雜實驗，且可反復(fù)進行模擬實驗而無須擔(dān)心污染環(huán)境或發(fā)生危險，從而大大節(jié)約教學(xué)資源、實驗時間與成本。

(四)構(gòu)建數(shù)字化實驗教學(xué)平臺，提高教學(xué)質(zhì)量

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在教師與學(xué)生缺乏互動、學(xué)生主體地位無法充分體現(xiàn)、難以實行因材施教等缺陷。通過建立數(shù)字化實驗教學(xué)平臺，在教師和學(xué)生之間搭建了一個友好的溝通媒介。教師可將多媒體課件、儀器操作視頻、課后習(xí)題、模擬試卷等上傳到教學(xué)平臺，便于學(xué)生隨時對實驗內(nèi)容進行預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)。學(xué)生可在“討論區(qū)”與老師、同學(xué)交流學(xué)習(xí)在實驗中遇到的問題，增強師生互動，提高學(xué)習(xí)興趣。通過在線測試系統(tǒng)，教師可了解學(xué)生的薄弱點并采取針對性的輔導(dǎo)，從而有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量。這種以學(xué)生為中心的互動教學(xué)模式，可充分激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性，顯著提高學(xué)習(xí)效率。

二、數(shù)字資源在創(chuàng)新性綜合實驗中的應(yīng)用

創(chuàng)新性綜合實驗具有內(nèi)容豐富、信息量大、新穎性與實用性強等特點，可將不同學(xué)科分散的知識相融合，使學(xué)生能夠綜合運用，從而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情并促進實驗技能提高。藥學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，通過開展創(chuàng)新性綜合實驗提高藥學(xué)專業(yè)本科生的創(chuàng)新意識、學(xué)習(xí)與實踐能力，對學(xué)生將來從事藥品檢驗、新藥研發(fā)、臨床用藥等研究工作具有重要意義[5]。一項完整的實驗主要由選擇實驗項目、設(shè)計實驗方案、開展實驗過程、分析數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告等部分組成，下文筆者將進一步深入探討如何引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字資源順利開展創(chuàng)新性綜合實驗。

(一)選擇實驗項目

實驗項目的選擇應(yīng)注意以下幾個方面：(1)以學(xué)生為主體，在教師指導(dǎo)下根據(jù)個人興趣獨立選擇實驗項目，以提高學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力。(2)選題應(yīng)科學(xué)，并有一定的創(chuàng)新性、可行性和實用性，研究內(nèi)容與范圍應(yīng)適中。(3)結(jié)合多門基礎(chǔ)實驗課的知識，鍛煉學(xué)生綜合運用知識的能力。(4)充分利用各實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，使有限的實驗教學(xué)資源得到共享。

以指導(dǎo)藥學(xué)專業(yè)本科生設(shè)計一項用于檢測藥物中重金屬殘留量的創(chuàng)新性綜合實驗為例。首先，指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源搜集和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。網(wǎng)上獲取文獻(xiàn)的途徑主要有學(xué)校數(shù)字圖書館(含有CNKI中國知網(wǎng)、萬方數(shù)字知識服務(wù)平臺、醫(yī)學(xué)多媒體數(shù)字資源庫、Wiley在線期刊數(shù)據(jù)庫、SpringerLink外文期刊等數(shù)據(jù)庫豐富的電子文獻(xiàn)資源)、搜索引擎(維基百科、百度、谷歌學(xué)術(shù)等)及各類專業(yè)論壇/網(wǎng)站。由于學(xué)生剛開始獨立探索創(chuàng)新性實驗項目，應(yīng)引導(dǎo)他們先通過查閱中文文獻(xiàn)初步了解該實驗項目的研究現(xiàn)狀，以便更好地理解外文文獻(xiàn)并從中找到創(chuàng)新點。建議學(xué)生先下載一些綜述類的文獻(xiàn)以了解當(dāng)前研究的熱點與難點，再從中選擇一些感興趣的研究方法，進行二次搜索找到相關(guān)具體文獻(xiàn)并詳細(xì)研讀。通過這一階段的自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生總體了解目前已有分析方法的優(yōu)缺點，決定開展名為“新型生物傳感技術(shù)在中藥重金屬檢測中的應(yīng)用研究”的實驗項目。然而，生物傳感技術(shù)多樣，中藥種類繁多，對每種重金屬都進行檢測工作量大，因此建議學(xué)生進一步查閱文獻(xiàn)以確定所要采用的具體傳感技術(shù)、中藥類型及檢測的重金屬，使研究內(nèi)容更加科學(xué)化、具體化[6]。通過新一輪的網(wǎng)絡(luò)信息檢索及師生相互討論，最終確定實驗項目名為“建立高靈敏可視化核酸傳感技術(shù)用于冬蟲夏草中汞離子的檢測”。在此過程中，學(xué)生的主體地位得到充分發(fā)揮，不僅體會到自主學(xué)習(xí)的樂趣還掌握了從大量的數(shù)字資源中獲取有用信息的技能。

(二)設(shè)計實驗方案

在實驗項目選擇過程中，學(xué)生對可視化傳感技術(shù)在重金屬檢測應(yīng)用方面有了一定的了解。接下來，應(yīng)根據(jù)研究內(nèi)容進一步設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)而具體的實驗方案。與中文文獻(xiàn)相比，外文文獻(xiàn)具有較快的出版速度、較高的影響因子及較強的創(chuàng)新性，可在線獲得最新錄用的文章而無需等到正式發(fā)表[7]。指導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)據(jù)庫查閱專業(yè)的外文文獻(xiàn)，以 Wiley數(shù)據(jù)庫為例，首先從學(xué)校圖書館網(wǎng)站找到數(shù)字資源中的外文資源，點擊 Wiley數(shù)據(jù)庫進入搜索頁面。點擊“Advanced Search”，在檢索框中輸入相應(yīng)的關(guān)鍵詞，如“colorimetric sensor” “metal ion” “signal amplification”等。然后在“SPECIFY DATE RANGE”中輸入文章發(fā)表時間，最后點擊“Search”即可獲得近年發(fā)表的最新文獻(xiàn)。通過仔細(xì)研讀、分析比較找出這些方法的亮點及需要改進的地方并提出解決策略。經(jīng)過反復(fù)推敲，認(rèn)真分析方案的可行性，最終確立創(chuàng)新性及可行性強的實驗方案。

(三)繪制實驗原理圖與技術(shù)路線圖

學(xué)生在查閱文獻(xiàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，許多傳感新方法的報道中都附有一張精美的圖片用于闡述實驗原理。色彩鮮明的實驗原理圖能夠?qū)嶒灧桨?、檢測原理、主要步驟等形象生動地表示出來。因此，通過指導(dǎo)學(xué)生繪制實驗原理圖有助于更系統(tǒng)深入地了解實驗原理與操作事項。首先，從網(wǎng)絡(luò)上下載ISIS Draw 2.5(化合物結(jié)構(gòu)圖)、ChemSketch 8.0(化學(xué)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和圖形)、SmartDraw 6.04(化學(xué)實驗式流程圖)、Adobe PhotoShop(圖像處理)等專業(yè)畫圖軟件[8]。引導(dǎo)學(xué)生查看動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)操作視頻學(xué)習(xí)各軟件的使用技巧，然后根據(jù)喜好選擇一種軟件或?qū)⒍喾N軟件聯(lián)合使用以獲得更佳的顯示效果。鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮想象力，將各傳感組件以不同顏色、形狀的圖形表示并進行合理、有序地組合，從而獲得理想的實驗原理圖。在繪圖過程中可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維與邏輯思考的能力。

利用Microsoft Visio、ConceptDraw或PPT等軟件繪制技術(shù)路線圖可以讓學(xué)生了解實驗的整體流程。參照實驗原理圖將實驗拆分成幾個主要部分，如識別分子的固定化、放大技術(shù)的研究、納米材料的合成、傳感性能考察等，在技術(shù)路線圖上按照實驗的先后順序進行排列，并注明各部分實驗所采用的主要技術(shù)手段。技術(shù)路線圖可為學(xué)生進行分組實驗提供參考依據(jù)。

(四)設(shè)計核酸探針識別元件

建立高靈敏傳感體系的關(guān)鍵在于采用有效技術(shù)放大待測物產(chǎn)生的信號，同時盡可能降低背景信號。其中，核酸識別探針的設(shè)計尤為關(guān)鍵，探針穩(wěn)定性過高或過低均不利于實驗的順利進行。因此，有必要指導(dǎo)學(xué)生利用生物學(xué)軟件對核酸序列的構(gòu)型、解鏈溫度、熱穩(wěn)定性、雜交時間等進行分析[9]。以O(shè)ligo Tutorials核酸分析軟件為例，在各功能分析模塊首頁輸入堿基序列、核酸及鹽離子濃度，點擊“Analyze”即可自動列出所有可能存在的二級構(gòu)型及解鏈溫度等信息。根據(jù)分析結(jié)果，學(xué)生可以判斷所設(shè)計的核酸探針是否合適并對實驗條件進行調(diào)整，若不合適則進行修改后再進一步分析，直至獲得符合實驗需求的探針。

(五)開展實驗過程

實驗方案確定后，即可開始準(zhǔn)備所需試劑及核酸探針。指導(dǎo)學(xué)生通過查閱說明書及觀看操作視頻熟悉各儀器(紫外可見分光光度計、紅外光譜分析儀、原子力顯微鏡等)的操作過程。實驗前，將學(xué)生分成幾個小組，按照技術(shù)路線圖上的各主要實驗部分進行分工。安排一組學(xué)生采用傳統(tǒng)的原子吸收光譜法對汞離子進行分析。利用儀器自帶的分析軟件進行樣品測試，保存測試結(jié)果并將實驗原始數(shù)據(jù)以ASSCI/TEXT的格式導(dǎo)出，以便用于進一步分析。在實驗過程中，需要各組學(xué)生之間相互合作才能保證整個實驗項目的順利完成，因此有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的團隊合作精神。

(六)分析數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告

采用科學(xué)的方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，對確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要作用。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)生通常利用計算器與坐標(biāo)紙進行手工制圖來處理數(shù)據(jù)。這種手工處理數(shù)據(jù)的方式不僅枯燥繁瑣、計算量大而且準(zhǔn)確度較低、易出錯。Origin是一種用于數(shù)據(jù)分析和繪圖的專業(yè)軟件，具有操作簡單、分析速度快、準(zhǔn)確度高、繪圖美觀等優(yōu)點[10]。因此，指導(dǎo)學(xué)生使用 Origin軟件處理數(shù)據(jù)可大大提高實驗效率和準(zhǔn)確度。以 Origin 8.6版本使用為例，首先啟動軟件，點擊工具欄“New Workbook”圖標(biāo)，在彈出的工作表中輸入“波長”(X)及“吸收值”(Y)等數(shù)據(jù)，或通過點擊“File”，選擇“Import”將實驗數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入。接著選中相應(yīng)數(shù)據(jù)列，點擊“Plot”選擇所需的圖形樣式，繪制紫外吸收曲線則選擇“Line”。點擊“Plot”中的“Import”，選擇“Insert Images From Files”可將外部圖形導(dǎo)入而實現(xiàn)疊加作圖，選擇“Export Graphs”可將所作的圖導(dǎo)出并保存。繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線則選擇“Symbol”中的“Scatter”獲得散點圖，選中散點后點擊“Analysis”選擇“Fitting”中的“Linear Fit”即可獲得汞離子工作曲線及線性方程、線性相關(guān)系數(shù)等擬合信息。在圖形空白處點擊鼠標(biāo)右鍵選擇“Add Text”可輸入文本。通過進一步編輯圖形，如調(diào)整坐標(biāo)軸刻度范圍、字體格式與大小、曲線/點的粗細(xì)與顏色等，可使圖形更美觀。利用柱形圖、折線圖等可形象直觀地體現(xiàn)出實驗規(guī)律，便于學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析與整理，從而培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)方法處理問題的能力。

實驗結(jié)束后，組織各小組學(xué)生對實驗結(jié)果進行討論并交流實驗心得，將建立的生物傳感新方法獲得的檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法進行比較，分析優(yōu)缺點。應(yīng)用所學(xué)的理論知識對實驗現(xiàn)象進行分析，開始撰寫實驗報告。指導(dǎo)學(xué)生使用 EndNote、NoteExpress、Reference Manager等文獻(xiàn)管理軟件可方便的將引用的參考文獻(xiàn)按要求以統(tǒng)一的格式插入實驗報告中，避免手動輸入可能產(chǎn)生的格式錯誤并節(jié)約了時間[11]。掌握了這些技巧有利于提高撰寫畢業(yè)論文或期刊論文的效率。

實踐表明，數(shù)字資源與創(chuàng)新性綜合實驗相結(jié)合的新型實驗教學(xué)方法，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高實驗效率及增強操作技能。通過國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫查閱文獻(xiàn)，學(xué)生可以實時了解最新科研動態(tài)；專業(yè)的畫圖軟件、數(shù)據(jù)處理軟件及文獻(xiàn)管理軟件的運用，使學(xué)生作圖更加規(guī)范，實驗數(shù)據(jù)分析更加科學(xué)，實驗報告撰寫更準(zhǔn)確高效。這些技能的掌握為日后科研工作的順利開展奠定了良好的基礎(chǔ)。在選擇實驗項目到撰寫實驗報告的整個過程中，學(xué)生始終處于主體地位，創(chuàng)新意識、邏輯思維、獨立思考等能力均得到充分鍛煉和提高。因此，作為新時代的教師，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的數(shù)字資源以促進高素質(zhì)綜合型人才培養(yǎng)與實驗教學(xué)改革。

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(編輯：陳 越，馬川建)

2016-05-05

唐淑榕(1985-)，女，實驗師，醫(yī)學(xué)博士。研究方向：藥物分析。

R9-45

A

1009-4784(2016)04-0044-04