多學(xué)科交叉下工科院校微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探

謝 暉， 應(yīng)瓊瓊， 陳 丹， 曾 琦， 王 旋， 馬玉潔， 梁繼民*

(1.西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西 西安 710126；2.西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710126；3.西安交通大學(xué) 附屬中學(xué)，陜西 西安 710043)

多學(xué)科交叉下工科院校微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探

謝 暉1，2， 應(yīng)瓊瓊3， 陳 丹2， 曾 琦2， 王 旋2， 馬玉潔2， 梁繼民2*

(1.西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西 西安 710126；2.西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710126；3.西安交通大學(xué) 附屬中學(xué)，陜西 西安 710043)

微生物學(xué)是生物類專業(yè)舉足輕重的基礎(chǔ)學(xué)科,而微生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段更是微生物學(xué)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)。生命科學(xué)的不斷發(fā)展也離不開微生物學(xué)。工科院校微生物學(xué)科旨在培養(yǎng)應(yīng)用型研發(fā)人才,因此必須提高教師自身的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng),不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,基于學(xué)科交叉將科研課題融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,培養(yǎng)學(xué)生的科研思維,為社會(huì)打造學(xué)科交叉創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)人才。

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；學(xué)科交叉；人才培養(yǎng)；科研創(chuàng)新

微生物學(xué)作為生命科學(xué)領(lǐng)域的重要課程,現(xiàn)已廣泛面向生物專業(yè)本科生開設(shè)。21世紀(jì)微生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期,其重要標(biāo)志之一是隨著人類基因組測序計(jì)劃的提前完成,微生物基因組測序、注釋及相應(yīng)的研究蓬勃發(fā)展,方興未艾[1]。微生物學(xué)是一門需要?jiǎng)邮植僮鞯膶?shí)驗(yàn)性學(xué)科,同時(shí)承接分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程多門重要課程[2]。如何處理好學(xué)科的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性以及先進(jìn)性的關(guān)系并引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn),將會(huì)成為工科院校微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)授課的關(guān)鍵因素,也是重點(diǎn)培養(yǎng)工科院校學(xué)生理工交叉科研創(chuàng)新思維探究的核心要點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)教師整體素質(zhì)的培養(yǎng)

1.1創(chuàng)新型教學(xué)團(tuán)隊(duì)的打造

實(shí)驗(yàn)學(xué)科的教師自身就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)最重要的部分之一，不同的老師教授相同的課程效果卻存在很大差異?？梢哉f,實(shí)驗(yàn)教師的素質(zhì)和教學(xué)水平直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)學(xué)科不同于一般的授課類學(xué)科,它需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,讓學(xué)生發(fā)揮自我能動(dòng)性,勤于思考而不只是全盤接受。擯棄“滿堂灌”的教學(xué)風(fēng)格,在實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)原理方面更應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的想法和見解。據(jù)此,工科院校微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教師更應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生思考。例如,針對無菌操作的要求,怎樣操作才能做到科研級別無菌？聯(lián)系自身激發(fā)學(xué)生的思考性。通過舉辦專題講座、專業(yè)組討論、微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)沙龍等形式對實(shí)驗(yàn)課程教師進(jìn)行培訓(xùn)、探討和交流,旨在打造一支科研素質(zhì)過硬、實(shí)驗(yàn)操作嫻熟的教師團(tuán)隊(duì)[3]。

1.2課堂內(nèi)容靈活多變

目前，在多學(xué)科交叉發(fā)展下，國內(nèi)工科院校已陸續(xù)開設(shè)微生物課程，微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)也同時(shí)面向廣大本科生開設(shè)。因此,對本科生科研思維的培養(yǎng)也顯得尤為重要。在授課過程中,對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟的深度解讀和理解是打造科學(xué)性思維模式的捷徑[4]。讓學(xué)生對分步步驟“知其所以然”,真正理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)和內(nèi)在要求,學(xué)會(huì)靈活處理實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問題。例如，在微生物培養(yǎng)系列實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，將微生物的結(jié)構(gòu)功能、無菌操作要點(diǎn)、培養(yǎng)原理、技術(shù)要點(diǎn)全面整合進(jìn)行整體性教授，不但極大提升了實(shí)驗(yàn)課容量，同時(shí)使學(xué)生形成一套邏輯順序完備的微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)框架，在實(shí)驗(yàn)過程中明確了每一個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)系和重要作用。

1.3小組單人實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ匠跆?/p>

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)保證充分的獨(dú)立性也是提高教學(xué)質(zhì)量的保證。通過分小組并獨(dú)立進(jìn)行相似或不同的實(shí)驗(yàn),鼓勵(lì)學(xué)生自主思考,小型分組模式(3人)能夠保證團(tuán)隊(duì)間的有力協(xié)作,單人實(shí)驗(yàn)保證每位學(xué)生都有操作及獲得結(jié)果的機(jī)會(huì)。不同的學(xué)生有不同的操作習(xí)慣和思考方式[5]。在小組討論交流中,學(xué)生之間進(jìn)行討論,加之老師的指導(dǎo)與講解,能夠?qū)⒄麄€(gè)實(shí)驗(yàn)體系框架成功在學(xué)生腦海里搭建起來。本文作者通過本年度(2016年)試點(diǎn)小組討論單人實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾容^傳統(tǒng)(2015年)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)比較分析(圖 1),發(fā)現(xiàn)比較傳統(tǒng)分組的組內(nèi)結(jié)果模式綜合效果尤其是報(bào)告優(yōu)秀率全面提升,不合格率為0%,效果明顯；同時(shí)通過兩級學(xué)生調(diào)查問卷顯示，改革后微生物實(shí)驗(yàn)學(xué)生積極性顯著提升。

圖1 微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)小組模式及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀?bào)告成績對比Fig.1 Comparison of the results of the experimental group and the traditional experimental model

2 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的科學(xué)取舍

2.1理論聯(lián)系實(shí)際,應(yīng)用不再空談

隨著生物科學(xué)的不斷發(fā)展,微生物學(xué)科在其原理和方法也有很多新的進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)。因此,將“微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”作為一門獨(dú)立的課程為本科生開設(shè),并開展了實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練是與生命科學(xué)發(fā)展相適應(yīng)、相接軌的。首先,在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面,應(yīng)著重對學(xué)生進(jìn)行微生物學(xué)最基本最核心的技能訓(xùn)練,如無菌操作技術(shù)、顯微鏡技術(shù)[6-7]。其次,應(yīng)注意學(xué)科的交叉性,在實(shí)驗(yàn)中滲透分子微生物學(xué)方面的原理和技巧。如細(xì)菌總DNA的提取和鑒定，在注重學(xué)科的基礎(chǔ)性、可操作性的前提下突顯其先進(jìn)性；對一些陳舊且用得較少的實(shí)驗(yàn)予以剔除,如:細(xì)胞壁和質(zhì)膜的觀察、細(xì)菌菌落制片、暗視野顯微觀察等。與此同時(shí)，增加了許多分子水平的實(shí)驗(yàn)技能,如細(xì)菌質(zhì)粒DNA的制備、環(huán)境微生物基因組提取分離、食品微生物分子鑒定等[8]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷推陳出新是學(xué)習(xí)積極性的保障,更是適應(yīng)學(xué)科迅速發(fā)展和教學(xué)改革的必然要求。對于不同生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院的教學(xué)側(cè)重點(diǎn),尤其是針對工科生物專業(yè)學(xué)生,微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)涵蓋和傾向于實(shí)踐應(yīng)用方面,包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境以及醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用,該部分可以綜合性實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成后選擇性開設(shè)。

2.2改革基礎(chǔ)教學(xué),體現(xiàn)整體連續(xù)性

微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在注重多方面應(yīng)用的同時(shí)更應(yīng)偏重于為學(xué)生打好基礎(chǔ)及科研思維的綜合訓(xùn)練。例如:無菌操作技術(shù)即是重中之重[9-10]。通過動(dòng)手操作對實(shí)際碰到的問題有了更深刻的認(rèn)識和理解。此外,結(jié)合現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)問題,結(jié)合環(huán)境微生物、食品微生物的實(shí)際應(yīng)用使整個(gè)實(shí)驗(yàn)連貫有序,也能夠讓學(xué)生理解到微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性。培養(yǎng)基的制備過程為實(shí)驗(yàn)用品的準(zhǔn)備和高壓蒸汽滅菌,分為倒平板和斜面分裝兩種形式。通過無菌技術(shù)的示范教學(xué)分組操作,對平板劃線和斜面劃線都有了更深刻的認(rèn)識。培養(yǎng)一段時(shí)間后,不同小組菌體的生長情況不同,也為學(xué)生自我總結(jié)和思考做了鋪墊。最后,通過一些生物培養(yǎng)鑒定實(shí)驗(yàn)為后續(xù)的綜合應(yīng)用型微生物實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

3 工科學(xué)生科研探索精神培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課對學(xué)生來說,只是“重在參與”,不能充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。為了保證實(shí)驗(yàn)的成功率,節(jié)約成本和開支,以往很多高校的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、預(yù)實(shí)驗(yàn)甚至到操作都由教師完成,學(xué)生只是進(jìn)行一些非常基礎(chǔ)簡單的操作,無法領(lǐng)悟到實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在。更有學(xué)生上完實(shí)驗(yàn)課后,甚至不知道自己剛剛做的是什么實(shí)驗(yàn),只記得配制了溶液，布置了作業(yè)[11-12]。

在微生物實(shí)驗(yàn)過程中,在特定情況下，一些看似不符合微生物生長繁殖規(guī)律的現(xiàn)象也許是一個(gè)潛在的微生物研究創(chuàng)新點(diǎn)，為避免學(xué)生沒有做出預(yù)期結(jié)果卻單純?yōu)榱藢?shí)驗(yàn)報(bào)告而照搬實(shí)驗(yàn)結(jié)論的情況，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生記錄與理論不同的現(xiàn)象或結(jié)果,激發(fā)他們的思考熱情。敢于推翻固有的理論和現(xiàn)有的結(jié)果,是一位優(yōu)秀科學(xué)家所必備的魄力和膽量。

據(jù)調(diào)查,目前我國工科大學(xué)生創(chuàng)業(yè)的平均比例是0.3%,這一數(shù)據(jù)在以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家約為20%[2,13]。在高等教育日益成熟的今天,通過老師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和啟發(fā),能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和探索欲。既異想天開,又實(shí)事求是,這是科學(xué)工作者特有的風(fēng)格。經(jīng)過實(shí)踐性學(xué)科的學(xué)習(xí),也能讓學(xué)生對科學(xué)研究有更深的認(rèn)識,提早培養(yǎng)他們的科研思維以及實(shí)際解決問題的能力。此外,還開設(shè)了學(xué)生自主設(shè)計(jì)主導(dǎo)的微生物學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以及教師主導(dǎo)的微生物學(xué)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)技術(shù)和綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上,基本可以獨(dú)立操作,按照科研工作的思路,由學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。大到部分實(shí)驗(yàn)原理小到具體的實(shí)驗(yàn)步驟,全部交由學(xué)生自行設(shè)計(jì),在此過程中,教師只進(jìn)行必要的指導(dǎo)和協(xié)助,對關(guān)鍵性的問題予以解答。如此,不僅能夠激發(fā)學(xué)生的科研興趣,還深刻地教導(dǎo)了他們?nèi)绾魏侠淼卦O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

4 科研課題融入微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自2006年起,國家工科大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃快速開展,國家大力鼓勵(lì)和倡導(dǎo)以本科學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革,以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性,并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識[14-15]。因此,將科研項(xiàng)目融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,能夠使廣大本科生逐漸掌握思考問題、解決問題的方法,提高創(chuàng)新實(shí)踐能力。尤其是把實(shí)驗(yàn)同生活中的實(shí)際問題相結(jié)合的課題,鼓勵(lì)學(xué)生參與老師的科學(xué)研究,提出自己的想法和建議。同時(shí),學(xué)生針對興趣選擇課題,鼓勵(lì)學(xué)生之間相互交流實(shí)驗(yàn)情況,相互學(xué)習(xí)操作技術(shù)。如此,短時(shí)間內(nèi)就能擴(kuò)大工科大學(xué)生的知識面,增強(qiáng)學(xué)生對微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的感性認(rèn)識。

我國在微生物學(xué)領(lǐng)域還亟待提高,需要源源不斷的優(yōu)秀的生物學(xué)子為我國生命科學(xué)做出貢獻(xiàn)。因此,作為教育者,更應(yīng)該成為學(xué)子的引路者和奠基者。在本科階段,鼓勵(lì)學(xué)生參與老師的微生物學(xué)相關(guān)科研課題研究無疑為以后的深造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。如此,不僅能夠發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性,在科研實(shí)踐中也會(huì)收獲頗豐。本文作者結(jié)合學(xué)校生物技術(shù)專業(yè)電子信息技術(shù)培養(yǎng)方向,結(jié)合科研項(xiàng)目在本科生中開展綜合性微生物基因組生物信息學(xué)分析實(shí)驗(yàn),取得了良好的效果(圖2)。

5 改革考核指標(biāo)的反思與成長

以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律,甚至沒有做出書中的理論結(jié)果依然可以將理論值擺在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中,沒有及時(shí)地對實(shí)驗(yàn)中的問題做出思考與探索。將實(shí)驗(yàn)報(bào)告改為以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告與論文的形式共同書寫是微生物實(shí)驗(yàn)課程改革的一個(gè)重點(diǎn)[16]。例如，將學(xué)生分組,確保每組有結(jié)論一致的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,因并未像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一樣照書而來,實(shí)驗(yàn)的理論結(jié)果學(xué)生并不知曉。在這樣的情況下,可以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性,學(xué)生可以通過對數(shù)據(jù)的分析和實(shí)驗(yàn)原理的理論認(rèn)知,來推算應(yīng)有的結(jié)果,既解決了學(xué)生互相抄襲的問題,又可以增強(qiáng)他們對實(shí)驗(yàn)原理的深層次認(rèn)識和感受。以研究論文的格式書寫連貫實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的大報(bào)告可以培養(yǎng)和提高學(xué)生多方面的素質(zhì)。讓本科生提前學(xué)習(xí)論文的撰寫,學(xué)習(xí)應(yīng)有的步驟和格式,能夠?yàn)閷淼目蒲兄反蚝没A(chǔ)。從分步的實(shí)驗(yàn)原理,到最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論反思,每一步都由學(xué)生自主完成,整個(gè)過程也加深了對實(shí)驗(yàn)的宏觀認(rèn)識與感悟[17]。

在微生物學(xué)教育者不斷改革創(chuàng)新以及學(xué)生自身的不斷提升下,應(yīng)該不斷提高教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,以適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展對人才的需求,讓工科院校學(xué)科交叉型微生物學(xué)人才在我國生命科學(xué)領(lǐng)域做出更多貢獻(xiàn)。

圖2 環(huán)境微生物基因組生物信息學(xué)分析實(shí)驗(yàn)節(jié)選Fig.2 Environment analysis experiment with microbial genome bioinformatics

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StudiesinMicrobiologicalExperimentPedagogicalReformunderOverlappingofMultipleBranchesofLearninginCollegesandUniversities

XIE Hui1, 2, YING Qiong-qiong3, CHEN Dan2, ZENG Qi2, WANG Xuan2, MA Yu-jie2, LIANG Ji-min2

(1.Demonst′n.Ctr.ofExperim′t.TeachingforLifeSci.andTech., 2.Coll.ofLifeSci. &Tech.,Xi′anElectronicSci. &Tech.Uni.,Xi′an710126; 3.Affil.HighSchl.,Xi′anJiaotongUni.Xi′an710043)

Microbiology is a basic subject which is of crucial importance in biological specialties. Experimental methods and techniques of microbiology are the elements of the establishment and development of microbiology. The continuous development of life science is inseparable from the progress and important contribution made by microbiology. The colleges and universities of engineering aim to foster research and development personnel′s for application. Therefore, through the improvement of teachers′ experimental qualities, the continuous optimization of the experiment contents and research topics integrated into experimental teaching, to develop students′ scientific thinking in order to build innovative experimental talents for the society.

microbiology experiment; branches overlapping; talent fosterage; science innovation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300268)；西安電子科技大學(xué)新實(shí)驗(yàn)教改重點(diǎn)項(xiàng)目(SY1564)

謝暉 男，講師，博士。主要從事分子微生物學(xué)及分子影像研究。Tel: 029-81891060，E-mail:hxie@xidian.edu.cn

* 通訊作者。男，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要從事分子影像學(xué)研究。Tel: 029-81891060，E-mail: jimleung@mail.xidian.edu.cn

2016-12-12；

2017-02-24

Q93-33

B

1005-7021(2017)04-0133-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.04.020