科研反哺綜合模式在生物分離工程教學(xué)中的應(yīng)用

栗孟飛, 張 真, 孫 萍, 司懷軍, 楊德龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070)

生物分離工程(Biological separation engineering)是生物工程或技術(shù)等相關(guān)本科專業(yè)的一門必修課程，是生物技術(shù)、生物制藥和生物能源等專業(yè)的橋梁學(xué)科，在實(shí)現(xiàn)它們的產(chǎn)業(yè)化過程中起到關(guān)鍵作用[1-2]。生物分離工程課程內(nèi)容主要包括：原材料選取原則，細(xì)胞破碎方法，提取原理與方法，萃取原理與技術(shù)，吸附分離原理與技術(shù)，色譜分離技術(shù)(如高效液相色譜法、氣相色譜法、質(zhì)譜法、離子交換色譜和親和色譜等)，結(jié)晶和干燥等[3]。因此，該課程是在物理化學(xué)、生物學(xué)和生理生化等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，并廣泛應(yīng)用于細(xì)胞工程、基因工程、蛋白質(zhì)/酶工程和發(fā)酵工程等，具有明顯的多學(xué)科交叉與緊跟學(xué)科前沿發(fā)展的特點(diǎn)。

隨著我國(guó)一流大學(xué)和一流學(xué)科的建設(shè)，我國(guó)對(duì)高等教育和科研經(jīng)費(fèi)的投入逐年增加，為專業(yè)人才培養(yǎng)提供了更為優(yōu)良的教學(xué)環(huán)境[4]，同時(shí)，也為教學(xué)質(zhì)量提出了更高的要求?；凇敖虒W(xué)科研相統(tǒng)一”的觀點(diǎn)，也即教學(xué)促進(jìn)科研，科研反哺教學(xué)，二者互動(dòng)達(dá)到雙贏[5-6]；因此，科研反哺教學(xué)(Research feeding teaching, RFT)近幾年越來越多的應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)工作中，如傳染病學(xué)[7]、中藥藥理學(xué)[8]和中藥化學(xué)[9]等。綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)(Comprehensive experimental teaching, CET)方式要求學(xué)生具有扎實(shí)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面訓(xùn)練的復(fù)合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10]。目前，也有很多專業(yè)基礎(chǔ)或?qū)I(yè)課程開始應(yīng)用CET教學(xué)方式，并已取得良好的教學(xué)效果，如生物化學(xué)[11]、藥物化學(xué)[12]和生物制品專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)[13]。開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)(Open experimental teaching, OET)方式是根據(jù)學(xué)生的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、研究與分析，由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[14]。目前，已有很多專業(yè)基礎(chǔ)或?qū)I(yè)課程開始應(yīng)用OET教學(xué)方式，并已取得良好的教學(xué)效果，如植物組織培養(yǎng)[4]、生物化學(xué)[15]和動(dòng)物學(xué)[16]等。

為了提升生物分離工程課程的教學(xué)質(zhì)量與效果，很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)其理論教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)操作創(chuàng)新等方面進(jìn)行了改革與探索，如學(xué)科前沿知識(shí)的引入[17]、REF[18]、CET[19]，以及參與式[20]、互動(dòng)式[2]和探究式教學(xué)[21]等，而對(duì)于它們之間相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式還未見報(bào)道。因此，基于REF、CET和OET 3種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，本教研室在生物分離工程前期OET和CET實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，針對(duì)2013級(jí)(52人)、2014級(jí)(50人)和2015級(jí)(54人)生物技術(shù)專業(yè)本科生(共計(jì)156人)，引入了REF+CET+OET相結(jié)合的綜合教學(xué)模式?，F(xiàn)將教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

1 理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的設(shè)置

根據(jù)學(xué)校新的專業(yè)教學(xué)大綱修訂，由原來的理論教學(xué)48學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)24學(xué)時(shí)(總學(xué)時(shí)72，理論∶實(shí)驗(yàn)=2∶1)，調(diào)整為目前的理論教學(xué)32學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)32學(xué)時(shí)(總學(xué)時(shí)64，理論∶實(shí)驗(yàn)=1∶1)，在注重理論教學(xué)的同時(shí)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重。

2 科研反哺綜合教學(xué)模式

為了有效地體現(xiàn)REF+CET+OET綜合教學(xué)改革的效果，我們?cè)?011級(jí)OET和2012級(jí)CET+OET實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)改革過程中主要遵循以下5個(gè)方面的教學(xué)原則(圖1)。

圖1 “科研反哺+綜合性+開放性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遵循的5個(gè)原則

1) 科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容的公開化?；赗FT的原則，將與生物分離工程課程緊密相關(guān)的在研或已完成的科研項(xiàng)目，研究具體內(nèi)容，已完成的科研成果等(發(fā)表的研究論文、授權(quán)或公布的發(fā)明專利、成熟的實(shí)驗(yàn)體系或標(biāo)準(zhǔn)等)，提前提供給學(xué)生，讓其有充分的時(shí)間閱讀與了解當(dāng)前某一科研領(lǐng)域研究前沿。2) 學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的獨(dú)立性。在閱讀與了解科研項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)研究興趣選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以小組(每2人一組)形式查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，主要包括：時(shí)間安排、實(shí)驗(yàn)材料選取、生物活性物質(zhì)分離與純化具體步驟、活性物質(zhì)檢測(cè)方法及其參考文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法等。然后，授課教師根據(jù)維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”原則[22]，結(jié)合學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案、具備的理論知識(shí)與操作能力，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)資源，保證研究?jī)?nèi)容的順利開展。3) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的連貫性與綜合性。在保證實(shí)驗(yàn)順利開展的基礎(chǔ)上，要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有連貫性與綜合性。在一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)方案中，研究?jī)?nèi)容要求學(xué)生完成如下步驟：實(shí)驗(yàn)材料的選取→預(yù)處理→細(xì)胞破碎→生物活性物質(zhì)提取→初步分離→萃取濃縮→分離與純化→測(cè)定、分析或鑒定→圖片采集、數(shù)據(jù)記錄與分析等。另外，除參與教師所提供的科研內(nèi)容之外，還鼓勵(lì)學(xué)生開展與現(xiàn)實(shí)生活緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如獨(dú)立申請(qǐng)本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃(Student research training program, SRTP)和全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等。4) 實(shí)驗(yàn)室開放性。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全教育與了解管理規(guī)則的基礎(chǔ)上，全面開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生有充足的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)耗材的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)試劑的配制、儀器的熟悉與調(diào)試、預(yù)實(shí)驗(yàn)以及正式實(shí)驗(yàn)的順利開展等。在開放性實(shí)驗(yàn)過程中，授課教師、專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員或研究生會(huì)及時(shí)解決學(xué)生臨時(shí)出現(xiàn)的問題。5)實(shí)驗(yàn)考核的多元化。在實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核過程中，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)成績(jī)與課程成績(jī)應(yīng)直接相關(guān)[課程綜合成績(jī)=理論知識(shí)(50%)+實(shí)驗(yàn)考核(40%)+出勤率(10%)]，實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)主要體現(xiàn)在6個(gè)方面(圖2)：實(shí)驗(yàn)操作技能與安全性、研究?jī)?nèi)容的完整性、數(shù)據(jù)采集與分析制圖、實(shí)驗(yàn)結(jié)果撰寫報(bào)告完整性、科研項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人認(rèn)可度、科技論文的轉(zhuǎn)化性等(通過SRTP和全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題、中國(guó)科技論文在線www.paper.edu.cn提交學(xué)術(shù)論文或投稿到正規(guī)學(xué)術(shù)期刊等)。

圖2實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核成績(jī)的組成

3 教學(xué)改革效果評(píng)價(jià)

為了客觀地評(píng)價(jià)REF+CET+OET(總學(xué)時(shí)64，理論∶實(shí)驗(yàn)=1∶1)綜合教學(xué)改革的效果，分別以O(shè)ET和CET+OET模式下(總學(xué)時(shí)72，理論∶實(shí)驗(yàn)=2∶1)的2011(人數(shù)170)和2012級(jí)(人數(shù)108)生物技術(shù)專業(yè)本科生的期末考試成績(jī)?yōu)閰⒖?，?duì)2013級(jí)(52人)、2014級(jí)(50人)和2015級(jí)(54人)生物技術(shù)專業(yè)本科生采取了期末考試和問卷調(diào)查2種評(píng)價(jià)方式，結(jié)果見表1(期末考試成績(jī)比較)和表2(問卷調(diào)查評(píng)價(jià))。

從表1可以看出，在REF+CET+OET相結(jié)合的綜合教學(xué)模式下，2013、2014和2015級(jí)期末考試的平均成績(jī)分別為78.24、78.65和78.47分，優(yōu)于2011級(jí)OET實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下的70.48分和2012級(jí)CET+OET實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下的73.81分；并且隨著OET、CET和REF 3種教學(xué)模式的逐步相結(jié)合，教學(xué)效果也逐漸提高，同時(shí)，90～100、80～89和70～79分3個(gè)分?jǐn)?shù)段的人數(shù)比例也逐漸增加，60～69和<60分分?jǐn)?shù)段的人數(shù)比例逐漸下降。以上結(jié)果充分說明REF+CET+OET相結(jié)合綜合教學(xué)模式的優(yōu)越性。

表1 在OET、CET和REF實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下期末考試成績(jī)比較

表2 “REF+CET+OET”相結(jié)合綜合教學(xué)模式的教學(xué)效果評(píng)價(jià)(n=156)

對(duì)2013、2014和2015級(jí)156名學(xué)生進(jìn)行無記名教學(xué)效果問卷調(diào)查，結(jié)果如表2所示。98%以上的學(xué)生認(rèn)為REF+CET+OET相結(jié)合的綜合教學(xué)模式有益，其中，80%以上的學(xué)生認(rèn)為REF+CET+OET模式下的相關(guān)能力培養(yǎng)等方面具有“非常有用+有用”，尤其表現(xiàn)在提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作能力(95%)和有利于理論知識(shí)的掌握(90%)；然而，42%的學(xué)生認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在師生相互溝通方面還有待于改進(jìn)，教師在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)增加與學(xué)生的交流、互動(dòng)與溝通。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高生物分離工程課程的教學(xué)質(zhì)量，我們對(duì)5個(gè)年級(jí)的生物技術(shù)專業(yè)本科生進(jìn)行了教學(xué)改革，逐步將OET、CET和REF模式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐表明，REF+CET+OET相結(jié)合的綜合教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了科研應(yīng)用于教學(xué)的反哺性、教學(xué)現(xiàn)代化與人性化的優(yōu)越性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，促進(jìn)了學(xué)生的相互交流和討論，有利于掌握理論知識(shí)，提高思維創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)操作、科技論文撰寫等方面的能力?；谝陨狭己玫慕虒W(xué)效果，充分說明REF+CET+OET綜合教學(xué)模式適宜于我國(guó)目前高等教育教學(xué)和科研投入的環(huán)境，值得在類似課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣。