教師科研項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

汪 波， 李文芬， 顏亨梅

(北京師范大學(xué)珠海分校 工程技術(shù)學(xué)院， 珠海 519085)

作為理論教學(xué)配套的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重的是學(xué)生親自體驗(yàn)和觀察，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的主要環(huán)節(jié)[1]。目前，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的種類(lèi)主要包括基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)、探究性實(shí)驗(yàn)[2]。相比較而言，由于設(shè)計(jì)、探究性實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、提高科研創(chuàng)新能力方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[3]，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，各高校正逐漸加大其比例，為培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才打基礎(chǔ)[4]。

我院生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)作為省級(jí)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)對(duì)象，尤為重視培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式進(jìn)行多方面改革嘗試，通過(guò)對(duì)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)生物技術(shù)綜合技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)課程，在其前期掌握的知識(shí)與技能上，進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開(kāi)展與總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力?；诖四康?，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇與設(shè)置成為關(guān)鍵。教師是教學(xué)改革的主體[5]，通過(guò)帶動(dòng)學(xué)生參與科研項(xiàng)目，既可以讓學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展前沿[6]，也可以幫助教師完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。因此，我們對(duì)此進(jìn)行了探索和嘗試，并將完成過(guò)程記錄如下。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇和設(shè)置

生物技術(shù)綜合技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)課程安排在大三第二學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)完成動(dòng)物生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等課程的理論學(xué)習(xí)，初步掌握了相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能。如何通過(guò)該課程的訓(xùn)練，促使學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目執(zhí)行與開(kāi)展、數(shù)據(jù)總結(jié)等科研技能，解決實(shí)際問(wèn)題[7]，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置需要考慮的首要原則。

主持的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于分子生物技術(shù)的蜘蛛攝食生態(tài)學(xué)分析及控蟲(chóng)效能評(píng)價(jià)”主要通過(guò)定性、定量研究蜘蛛捕食獵物的種類(lèi)和消化速率。定性研究方面，利用形態(tài)學(xué)觀察和DNA條形碼技術(shù)研究蜘蛛消化道內(nèi)獵物的種類(lèi)；定量研究方面，利用常規(guī)PCR技術(shù)和實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)分析蜘蛛捕食不同數(shù)量獵物后的消化速率，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。

1)定性實(shí)驗(yàn)：DNA條形碼與物種鑒定。

室內(nèi)觀察擬環(huán)紋豹蛛捕食昆蟲(chóng)的種類(lèi)，分為果蠅組、蚜蟲(chóng)組、稻飛虱組等，將捕食獵物后的擬環(huán)紋豹蛛處死，在顯微鏡下解剖取消化道備用，提取DNA，鑒定DNA質(zhì)量，設(shè)計(jì)CO-Ⅰ基因引物，設(shè)置退火溫度、時(shí)間梯度，鎂離子濃度梯度等，PCR擴(kuò)增，凝膠電泳檢測(cè)基因擴(kuò)增情況，回收、測(cè)序，BLAST，分析擬環(huán)紋豹蛛消化道內(nèi)獵物種類(lèi)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求見(jiàn)表1。

2)定量實(shí)驗(yàn)：qPCR技術(shù)測(cè)定蜘蛛捕食獵物后消化速率。

通過(guò)設(shè)置進(jìn)食不同數(shù)量獵物的蜘蛛組、消化獵物不同時(shí)間的蜘蛛組、不同溫度下消化的蜘蛛組，要求學(xué)生前期查閱文獻(xiàn)和預(yù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置單因子梯度，進(jìn)行普通PCR實(shí)驗(yàn)，利用Gel-Proanalyzer軟件對(duì)比marker和擴(kuò)增產(chǎn)物條帶亮度，估算基因含量，繪制蜘蛛體內(nèi)獵物DNA含量和捕食獵物數(shù)量、消化時(shí)間的關(guān)系曲線，選擇條件合適的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求見(jiàn)表2。

表1 DNA條形碼技術(shù)鑒定捕食獵物種類(lèi)實(shí)驗(yàn)安排

表2 PCR測(cè)定蜘蛛捕食獵物后消化速率實(shí)驗(yàn)安排

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程

第1周進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組(按照狼蛛捕食獵物種類(lèi)分為果蠅組、蚜蟲(chóng)組、葉蟬組、稻飛虱組等，每組5～6人)和教學(xué)計(jì)劃的講解，要求學(xué)生掌握整個(gè)學(xué)期的大體實(shí)驗(yàn)思路與實(shí)驗(yàn)流程，安排學(xué)生查閱DNA條形碼原理和技術(shù)、食性分析方法、實(shí)時(shí)熒光定量PCR原理和技術(shù)等方面的文獻(xiàn)，并做出讀書(shū)筆記。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照先易后難的原則進(jìn)行安排，第2至第9周先進(jìn)行定性分析實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生熟練掌握動(dòng)物顯微解剖、DNA提取、引物設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)、PCR擴(kuò)增、BLAST等理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，確認(rèn)能利用DNA條形碼技術(shù)分辨蜘蛛體內(nèi)液態(tài)獵物后再進(jìn)行定量分析實(shí)驗(yàn)。

同樣，第11至第13周引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)梯度設(shè)計(jì)，利用常規(guī)PCR和電泳凝膠定量法分析蜘蛛消化獵物的速率，通過(guò)半定量技術(shù)鑒定體內(nèi)獵物DNA模板量差異顯著的蜘蛛組作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)樣品，要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)，掌握實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)原理，第14至第16周再進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增，保證實(shí)驗(yàn)的可行性。

由于課堂教學(xué)時(shí)間的限制，部分耗時(shí)較長(zhǎng)的、操作簡(jiǎn)便的教學(xué)內(nèi)容，被安排在課外執(zhí)行，作為省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，我院一直實(shí)行開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室制度，這有力地保障了實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度的正常進(jìn)行。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃Table 3 Experimental teaching plan

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的質(zhì)量控制

實(shí)驗(yàn)考核方案的合理性嚴(yán)重制約教學(xué)質(zhì)量[8]，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和科研技能，采取了注重實(shí)驗(yàn)參與過(guò)程和實(shí)驗(yàn)總結(jié)的多元化考核方式，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性考察

蜘蛛捕食獵物種類(lèi)、蜘蛛可捕食獵物最大數(shù)量、蜘蛛消化獵物所需最長(zhǎng)時(shí)間，PCR擴(kuò)增條件設(shè)置等實(shí)驗(yàn)方案均需學(xué)生自行設(shè)計(jì)，在正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，要求學(xué)生課外先完成預(yù)實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)梯度設(shè)計(jì)的合理性。實(shí)驗(yàn)報(bào)告能有效記錄學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，要求學(xué)生課前完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課中培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)技能、課后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、以及解決方法進(jìn)行梳理，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。例如學(xué)生在進(jìn)行DNA條形碼鑒定蜘蛛體內(nèi)獵物種類(lèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，之前接觸的常規(guī)PCR擴(kuò)增普遍是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，引物設(shè)計(jì)、PCR擴(kuò)增條件設(shè)定都是按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，按部就班的實(shí)驗(yàn)未能使學(xué)生完全理解各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置的內(nèi)涵[9]，對(duì)引物設(shè)計(jì)原則理解也不透徹，導(dǎo)致電泳檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物時(shí)發(fā)現(xiàn)多次出現(xiàn)100 bp的非目標(biāo)條帶，查閱文獻(xiàn)后猜測(cè)其為引物二聚體，于是通過(guò)重新設(shè)計(jì)引物、提高退火溫度，降低Mg溶度，降低非特異擴(kuò)增概率，最終成功解決問(wèn)題。

3.2 實(shí)驗(yàn)技能和科研素質(zhì)的考察

實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能，更深一步的是培養(yǎng)學(xué)生具備觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)素養(yǎng)，其中最關(guān)鍵的是促使學(xué)生養(yǎng)成實(shí)事求是的科研態(tài)度，基于此目的，學(xué)生必須記錄原始數(shù)據(jù)、圖片等，并于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后立刻提交，類(lèi)似于凝膠成像系統(tǒng)、實(shí)施熒光定量PCR儀等設(shè)備中記錄的內(nèi)容要求以“小組+日期+記錄人”命名，保留原始數(shù)據(jù)備案，一來(lái)有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)受阻后分析問(wèn)題根源，二來(lái)方便教師檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

3.3 團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的考察

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，任務(wù)量大，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還需要課外完成，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以小組形式完成，這就要求團(tuán)隊(duì)成員之間通力合作，通過(guò)組員之間互相監(jiān)督、評(píng)價(jià)，提高學(xué)生參與度；同時(shí)PPT匯報(bào)時(shí)候，小組匯報(bào)人由指導(dǎo)教師隨機(jī)抽取或者組員自己抽簽確定，避免個(gè)別不主動(dòng)學(xué)生影響全組學(xué)習(xí)積極性[10]，能夠較好地保證每個(gè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容執(zhí)行、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)全過(guò)程的掌握。

表4 考核方案

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革執(zhí)行后的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

4.1 培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能

生物技術(shù)綜合技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)課程充當(dāng)著完成生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)大實(shí)驗(yàn)的功能，將前期所學(xué)的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)串聯(lián)成完整的實(shí)驗(yàn)體系[11]，幫助學(xué)生鞏固掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，如動(dòng)物顯微解剖技術(shù)、DNA提取和檢測(cè)、BLAST、實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生具備完整實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，從整體教學(xué)過(guò)程來(lái)看，基本達(dá)到了教學(xué)目的。例如定性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生沒(méi)有意識(shí)到對(duì)照實(shí)驗(yàn)的重要性，擴(kuò)增CO-Ⅰ基因后，無(wú)法分析測(cè)序結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)只考慮不加模板情況，未設(shè)置陰性對(duì)照組，導(dǎo)致假陽(yáng)性結(jié)果(擴(kuò)增產(chǎn)物為獵物CO-Ⅰ基因和蜘蛛CO-Ⅰ基因混合物)的出現(xiàn)， 最終通過(guò)提高引物特異性解決問(wèn)題。

4.2 提高學(xué)生科研素質(zhì)和創(chuàng)新思維

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不單要完成教學(xué)目的和要求，鍛煉學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的科研素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，絕大部分學(xué)生基本能夠掌握文獻(xiàn)檢索、資料收集、資料分類(lèi)和篩選能力；根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；自行合理安排課內(nèi)、外時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析；實(shí)驗(yàn)受阻時(shí)候能夠主動(dòng)分析問(wèn)題，查閱資料，提出解決方案；項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生合作完成，鍛煉了學(xué)生的協(xié)作能力[12]，更重要的是，提前引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研訓(xùn)練，在一定程度上有助于改善學(xué)院教學(xué)與科研脫節(jié)的狀況，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[13]。例如：半定量的實(shí)驗(yàn)方法就是學(xué)生在DNA電泳檢測(cè)時(shí)候，觀察到Marker條帶的亮度和提取的DNA樣品亮度不同，Marker濃度是固定的，因此聯(lián)想到條帶灰度不同是否代表DNA濃度不同，查閱文獻(xiàn)和資料，發(fā)現(xiàn)確實(shí)有軟件可以根據(jù)光密度進(jìn)行線性分析，估算樣品的上樣量。

近年來(lái)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的學(xué)生科研成果提升明顯，共獲大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目國(guó)家級(jí)1項(xiàng)、省級(jí)4項(xiàng)，省科技攀登計(jì)劃資金項(xiàng)目2項(xiàng)，學(xué)生發(fā)表論文5篇，較大程度上激發(fā)了學(xué)生參與科研的興趣。

4.3 改善了教師的教學(xué)和科研水平

將教師科研項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，引入學(xué)科發(fā)展前沿動(dòng)態(tài)，不僅提高了學(xué)生的參與度，而且促使學(xué)生融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)，提升了教學(xué)效果[14]，課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，學(xué)生評(píng)教為優(yōu)秀，但同時(shí)，也對(duì)教師提出了更高的要求，教師需要根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增加學(xué)科前沿知識(shí)與技術(shù)比例，激發(fā)學(xué)生興趣，以項(xiàng)目制教學(xué)方式改善教師教學(xué)水平；另一方面，也督促教師關(guān)注學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，提升教師科研水平。

5 教學(xué)改革方案推廣的可行性建議

實(shí)踐證明，通過(guò)將教師科研項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到了較好的“教學(xué)相長(zhǎng)”的教學(xué)效果，既有助于提高學(xué)生綜合素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)，也加強(qiáng)了教師的教學(xué)科研水平。從整體流程中可以看出，教學(xué)改革方案的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取和設(shè)計(jì)，既要滿(mǎn)足學(xué)科經(jīng)典知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)技能的掌握，同時(shí)也要引導(dǎo)學(xué)生追蹤學(xué)科前沿[15]，這也是教師科研項(xiàng)目研究的出發(fā)點(diǎn)，因此如何把握這兩者之間的過(guò)渡與銜接關(guān)系到教學(xué)改革的成敗，這個(gè)就需要教師與學(xué)生之間具有良好的溝通，及時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的反饋進(jìn)行及時(shí)調(diào)整與更新，以保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行。