生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

曾 琦， 謝 暉， 陳 丹， 王 福， 詹勇華， 梁繼民

(西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 西安 710126)

生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

曾 琦， 謝 暉， 陳 丹， 王 福， 詹勇華， 梁繼民

(西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 西安 710126)

生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)是生物技術(shù)專業(yè)本科生的一門綜合性實(shí)驗(yàn)技能課程，涉及眾多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)及技能，主旨于系統(tǒng)性培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。采用復(fù)合型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，囊括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能并組成真正的科研體系；半自選命題授課模式，以學(xué)生為實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)體，教師作為輔助人員，協(xié)同完成實(shí)驗(yàn)課題；以及多元化的考核體系，從總的實(shí)驗(yàn)掌控力、實(shí)驗(yàn)操作及論文寫作等幾個(gè)方面來進(jìn)行考核。從而達(dá)到將實(shí)驗(yàn)課堂的主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，以學(xué)生為實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)，全面調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，綜合培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)的目的。

生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革;復(fù)合型設(shè)計(jì);半自選命題;多元化考核

生物技術(shù)已成為高新技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，各國在這個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)及科研競爭也越來越激烈。我國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中將生物技術(shù)列為需要大力發(fā)展的前沿技術(shù)之一[1]。以西安電子科技大學(xué)工科背景為依托的生物技術(shù)專業(yè)是理工并進(jìn)、理工復(fù)合型的專業(yè)，注重?cái)?shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)生物技術(shù)知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，強(qiáng)化知識(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建設(shè)，使每一個(gè)知識(shí)模塊構(gòu)成一個(gè)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練系統(tǒng)，并以此為載體來進(jìn)行能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育。生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生本科四年的培養(yǎng)分為3個(gè)階段：1)奠基階段(打基礎(chǔ)、固基階段，1～4學(xué)期)；2)積累成長階段(知識(shí)、能力、素質(zhì)均衡階段，4～6學(xué)期)；3)能力強(qiáng)化階段(綜合能力培養(yǎng)階段，6～8學(xué)期)。

生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)是為生物技術(shù)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生開設(shè)的一門重要的綜合性實(shí)驗(yàn)技能課程，隸屬于培養(yǎng)大綱中的能力強(qiáng)化階段。該實(shí)驗(yàn)課程以微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)及分子生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)(圖 1)，主要涉及生物技術(shù)領(lǐng)域具有代表性的實(shí)驗(yàn)方法和研究技術(shù)，目的是讓學(xué)生靈活掌握和綜合運(yùn)用各種生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能，理解實(shí)驗(yàn)原理及方案，掌握生物技術(shù)領(lǐng)域常用參數(shù)的測定方法，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)，系統(tǒng)性培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

我院生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)課程自2012年開課以來經(jīng)歷了3次教學(xué)方式改革和調(diào)整，最終建立了一套把主導(dǎo)權(quán)交予學(xué)生，主旨于培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生科研素養(yǎng)的教學(xué)體系。本文將總結(jié)4年以來生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索中的經(jīng)驗(yàn)與不足。

圖1 生物技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系一覽表

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的編撰采用復(fù)合型設(shè)計(jì)，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既基于基礎(chǔ)又高于基礎(chǔ)。開課初期，教研組根據(jù)學(xué)院開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，綜合考量學(xué)生掌握的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及相關(guān)院校開課的教程[2-10]，最終選定“功能性基因克隆”、“植物色素提取及定性定量檢測”及“蛋白提取和活性檢測”這3個(gè)主題的實(shí)驗(yàn)?zāi)K(表 1)。

在“功能性基因克隆”模塊學(xué)生需要完成包括引物設(shè)計(jì)、RNA提取、逆轉(zhuǎn)錄、PCR、電泳檢測、基因回收、基因測序等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；此前，學(xué)生已在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中掌握RNA提取、PCR、電泳檢測及基因回收等技術(shù)；而本模塊增加的引物設(shè)計(jì)、逆轉(zhuǎn)錄、基因測序以及分析等實(shí)驗(yàn)則能夠?qū)⑷缟系幕A(chǔ)實(shí)驗(yàn)串接成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)故事，使學(xué)生對(duì)功能性基因克隆實(shí)驗(yàn)有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)。在“植物色素”模塊，需要學(xué)生完成黃酮的單因素提取水平分析、黃酮類物質(zhì)的純化和定性定量檢測；生物化學(xué)課程已囊括黃酮的提取、定性檢測技術(shù)和柱層析技術(shù)；本模塊側(cè)重的是鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，包括掌握單因素水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及對(duì)于一個(gè)提取分離實(shí)驗(yàn)的總體把握?！暗鞍住蹦K的整體內(nèi)容則側(cè)重于引導(dǎo)學(xué)生探索未知實(shí)驗(yàn)結(jié)果；該模塊包括雞蛋清原始樣品處理、純化及抑菌活性的檢測，其中柱層析技術(shù)、紫外分光光度計(jì)檢測等實(shí)驗(yàn)技術(shù)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中均已教授，而無菌操作和微生物實(shí)驗(yàn)則已涵括在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)及微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中；該模塊引導(dǎo)學(xué)生探究提取分離的蛋白是否能產(chǎn)生抑菌活性并對(duì)結(jié)果進(jìn)行辯證分析。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一覽

綜上所述，生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)，不但囊括了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及操作，還從宏觀上將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)串聯(lián)組成完整的實(shí)驗(yàn)體系，有背景有目的模擬一個(gè)完整的科研項(xiàng)目。此種內(nèi)容設(shè)計(jì)，既能夠幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，又能夠培訓(xùn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維，方便學(xué)生整體把握實(shí)驗(yàn)課程，并系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

2 教學(xué)模式的革新

在生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)授課初期，教學(xué)模式依然遵循傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。例如：將“功能性基因模塊”分為9個(gè)章節(jié)：細(xì)胞培養(yǎng)基礎(chǔ)、細(xì)胞RNA的提取、總RNA變性瓊脂凝膠電泳檢測、逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)、PCR反應(yīng)的引物設(shè)計(jì)、聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增DNA、瓊脂糖凝膠電泳、DNA切膠回收及檢測和DNA的測序；講授方式為：先進(jìn)行原理教學(xué)，再分析實(shí)驗(yàn)步驟，最后學(xué)生依照教案的實(shí)驗(yàn)步驟在教師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)。這樣的教學(xué)模式存在以下弊端：1)課程重復(fù)性大。雖然打著綜合性實(shí)驗(yàn)的名頭，做的卻依然是基礎(chǔ)課程已經(jīng)安排過的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，等于讓學(xué)生做重復(fù)工作；2)學(xué)生積極性不高。整個(gè)教學(xué)過程中學(xué)生處于被動(dòng)狀態(tài)，依照教案及教師的指導(dǎo)完成任務(wù)，缺乏主觀能動(dòng)性；3)教學(xué)效果欠佳。雖然很多實(shí)驗(yàn)技術(shù)都是以前學(xué)習(xí)過的，在實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生依然會(huì)犯很多操作性錯(cuò)誤，此外學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫方面也十分草率，授課效果欠佳。

意識(shí)到課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，教研組利用3年的時(shí)間摸索出了一套以半自選式命題為核心的新教學(xué)模式，至今已實(shí)踐兩次，基本達(dá)到理想的教學(xué)效果。該半自選式命題的教學(xué)模式以學(xué)生為主導(dǎo)，每一個(gè)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)都需要學(xué)生自主自律的完成，層層引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并培養(yǎng)創(chuàng)新精神；此模式下，教師在授課過程中作為輔助者、耗材供應(yīng)商及技術(shù)顧問，為學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供輔助。具體的課程實(shí)施流程圖見圖2。

圖2 生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)半自選式命題教學(xué)模式流程圖

首先，第一節(jié)課設(shè)定為講授課程，由教師以板書及PPT的模式為學(xué)生介紹課程的基本概況，組織學(xué)生完成分組工作，并列出6個(gè)課題命題及基本要求；6個(gè)基本命題分別為“自選功能性基因克隆及序列測定”、“目的基因獲取及生物信息學(xué)分析”、“植物色素的提取”、“總黃酮的純化及定性檢測”、“鳥卵蛋白的提取及純化”及“蛋白的微生物學(xué)活性特征”。

接下來，先預(yù)留一周時(shí)間給每個(gè)實(shí)驗(yàn)組查閱所選課題的基本資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和流程，并分組召開組會(huì)；在組會(huì)上，教師聆聽學(xué)生的準(zhǔn)備情況，解答學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟或者原理的問題疑點(diǎn)，討論出最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案，以便后續(xù)實(shí)施；學(xué)生在組會(huì)后3天內(nèi)需要提交耗材申領(lǐng)單和包含有時(shí)間節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)書。

然后，教師將利用兩周的時(shí)間來訂購學(xué)生所申領(lǐng)的耗材試劑及RT-PCR引物；兩周后開放本科生實(shí)驗(yàn)室，每組將分配到實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)柜，并根據(jù)耗材申領(lǐng)單領(lǐng)取試劑及耗材。為了考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體掌控能力，原則上不允許補(bǔ)領(lǐng)大量耗材，補(bǔ)領(lǐng)耗材列入成績考核項(xiàng)目之中。

本科生實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)限為兩周，開放時(shí)間為每天的下午2點(diǎn)到6點(diǎn)，如有特殊實(shí)驗(yàn)情況予以延長每天開放時(shí)間。教師在這兩周的實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間內(nèi)，均需待崗，隨時(shí)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，排除因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而引起的事故隱患，并及時(shí)解答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的疑問，解決學(xué)生不會(huì)的技術(shù)難題。兩周后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室，不再對(duì)學(xué)生開放，此項(xiàng)也考察了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)安排的掌控。

最后，除了需要遞交實(shí)驗(yàn)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)論文以外，還安排了實(shí)驗(yàn)答辯環(huán)節(jié)。參考本科生畢設(shè)答辯的相關(guān)設(shè)置，要求每個(gè)小組以PPT的形式進(jìn)行15 min的課題答辯，外加5 min的提問環(huán)節(jié)。

新的教學(xué)模式提前模仿科研課題研究流程，設(shè)置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)安排、耗材申領(lǐng)、組會(huì)、實(shí)驗(yàn)、論文及結(jié)題驗(yàn)收環(huán)節(jié)，旨在綜合培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。

3 考核方法的多元化

一般實(shí)驗(yàn)課程的考核模塊基本包括：課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果3部分，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告占的比重很大。這樣的考核方式不能綜合考評(píng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的能力，實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫得工整規(guī)范印象分就容易偏高。因此，本課程實(shí)施時(shí)從9個(gè)方面考核學(xué)生的表現(xiàn) (表 2)。由表 2可見，每個(gè)模塊所占的分?jǐn)?shù)比較均衡，力求從實(shí)驗(yàn)實(shí)施的每個(gè)環(huán)節(jié)來考核學(xué)生的表現(xiàn)，然后給出綜合性的評(píng)判。從總成績看來，學(xué)生的分?jǐn)?shù)差距并沒有那么明顯，以15級(jí)為例，最高分為94分，最低分為76分。然而，通觀整個(gè)的分?jǐn)?shù)模塊表就能夠辨別每個(gè)學(xué)生在哪一模塊表現(xiàn)的突出，從而為辯證的評(píng)判學(xué)生提供依據(jù)。如表 3所示，學(xué)生1號(hào)和2號(hào)都獲得最高的94分，學(xué)生1號(hào)的綜合表現(xiàn)更為突出，而學(xué)生2號(hào)是在耗材規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)記錄中完成得很優(yōu)秀；獲得85分的學(xué)生3號(hào)，雖然在其他模塊的成績較為平均，但是在論文的寫作中卻表現(xiàn)得很優(yōu)異，說明該學(xué)生很好地掌握了論文寫作的技巧；學(xué)生4號(hào)的成績雖然是最低分，但在實(shí)驗(yàn)記錄中表現(xiàn)得也存在亮點(diǎn)。由此可見，將考核模塊細(xì)致的分類，能從分?jǐn)?shù)中分析出每個(gè)學(xué)生的優(yōu)缺點(diǎn)，做到辯證地看待學(xué)生的表現(xiàn)。

表2 生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)考核模塊

表3 學(xué)生分?jǐn)?shù)實(shí)例

4 問題與展望

西安電子科技大學(xué)是以工科為主的學(xué)院，其電工電子等工程類的綜合性實(shí)驗(yàn)已具備成熟的教學(xué)體系。生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)開設(shè)4年以來，參考參照電工電子等綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體系設(shè)置及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過一系列的摸索與改善最終形成了現(xiàn)有的適合生物技術(shù)系學(xué)生的教學(xué)體系。以學(xué)生為主體，教師為輔助，讓學(xué)生課程開始就占據(jù)主導(dǎo)性，在每一個(gè)環(huán)節(jié)充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，多方位的考查和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)科研素養(yǎng)。

然而，在課程實(shí)施方面仍出現(xiàn)一些值得注意的問題。1)分組實(shí)驗(yàn)仍會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的參與度不均一。由于場地、耗材及配套儀器的限制，不可能讓每個(gè)學(xué)生得到完整的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，每組學(xué)生之間仍存在著分工差異甚至有些學(xué)生可以偷懶，雖然這種差異能從組內(nèi)分?jǐn)?shù)上得到體現(xiàn)。因此，在后續(xù)的教學(xué)工作中，在人力財(cái)力物力上還需要進(jìn)行配備，使得讓每個(gè)學(xué)生都能夠得到鍛煉。2)實(shí)驗(yàn)安全隱患的監(jiān)管。課程的設(shè)計(jì)就是把主導(dǎo)權(quán)歸還給學(xué)生，并且已經(jīng)默認(rèn)學(xué)生具有一定的實(shí)驗(yàn)安全知識(shí)。但在實(shí)驗(yàn)過程中，主講教師仍發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)諸如水浴鍋開到80℃沒人盯或者離心機(jī)不配平等問題。因此，仍需培養(yǎng)學(xué)生對(duì)安全隱患的認(rèn)識(shí)。

總之，新的課程教學(xué)體系使得教學(xué)質(zhì)量明顯提高，學(xué)生普遍反饋在整個(gè)課程過程中實(shí)驗(yàn)技術(shù)及解決問題的能力得到了提升。此外，學(xué)生在課程中還鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過對(duì)學(xué)生科研素質(zhì)的綜合培養(yǎng)，生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生在近些年來在科研領(lǐng)域也取得了不少的成績，參與發(fā)表SCI文章1篇，國內(nèi)核心期刊1篇，獲得授權(quán)專利1個(gè)以及受理專利1個(gè)，這些成績都與生物技術(shù)專業(yè)科研素質(zhì)培養(yǎng)體系密不可分。一個(gè)學(xué)生在其論文的致謝一欄里這樣寫道：“在這次的實(shí)驗(yàn)過程中，小組遇到了各種問題，期間指導(dǎo)老師給了我們很多的幫助，不厭其煩地為我們講解方法和原理，在此對(duì)指導(dǎo)老師表示由衷的感謝。小組成員都能積極參與實(shí)驗(yàn)，互相幫助，及時(shí)提出問題和意見并討論和解決，這也是實(shí)驗(yàn)?zāi)馨磿r(shí)完成的主要原因，感謝小組成員對(duì)這次實(shí)驗(yàn)所做的種種付出。通過探究性生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)的開展，總的來說收獲頗豐受益匪淺?！?/p>

[1]國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)[Z].國發(fā)[2005]第044號(hào). http://www.gov.cn/zwgk/2006-02/14/content_191891.htm.

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Innovationandpracticeofbiotechnologyexperimentcourse

ZENG Qi, XIE Hui, CHEN Dan, WANG Fu, ZHAN Yong-hua, LIANG Ji-min

(School of Life Science and Technology, Xidian University, Xi′an 710126, China)

Biotechnology experiment is a comprehensive experiment course for the students of biotechnology. It covers a series of basic knowledge and experimental skills, and aims to systemic train the scientific literacy and innovation spirit of students. In order to give the initiative back to students, the course adopted compound content design, half customize proposition teaching mode, and diversified evaluation system. In that case, students could hold the dominance of experiment, and become more activity in the course; their scientific literacy could be trained.

biotechnology experiment; teaching reform; compound content design; half customize proposition; diversified evaluation

2016-10-10；

2016-11-08

西安電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目JG1512

曾 琦，博士，講師，從事天然藥物生物藥物等相關(guān)教學(xué)與研究工作，E-mail: qzeng@xidian.edu.cn

梁繼民，博士，教授，從事信息融合、醫(yī)學(xué)影像處理和模式識(shí)別基礎(chǔ)理論與技術(shù)應(yīng)用等相關(guān)教學(xué)與研究工作，E-mail: jimleung@mail.xidian.edu.cn

10.3969/j.issn.2095-1736.2017.06.116

Q81;G642.0

C

2095-1736(2017)06-0116-04