基于培養(yǎng)創(chuàng)新能力的本科生微生物學(xué)教學(xué)探索

閔長莉，汪學(xué)軍，孫 立，殷智超，陳乃富

(1.皖西學(xué)院 生物與制藥工程學(xué)院，安徽 六安 237012；2.安徽省石斛產(chǎn)業(yè)化開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 六安 237012)

在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上陳寶生強(qiáng)調(diào)，要推進(jìn)“四個回歸”，把人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效果作為檢驗一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)[1]。在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中，強(qiáng)調(diào)高等教育要重點培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力[2]。目前如何培養(yǎng)現(xiàn)代大學(xué)生的創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)已成為我國高等教育的重要任務(wù)。微生物學(xué)作為生物制藥類等學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，在推動整個生命科學(xué)發(fā)展的過程中起到了強(qiáng)大動力作用。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，主要是通過教師在課堂上單方面的講授知識，學(xué)生被動接受知識，這樣一來很多學(xué)生就養(yǎng)成了不愛動腦、不愛思考的習(xí)慣，缺乏自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新意識。為適應(yīng)時代與社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)具有探索精神和創(chuàng)新能力的人才，積極推進(jìn)微生物學(xué)教學(xué)改革，完善和提高微生物學(xué)教學(xué)方法與手段勢在必行。為此，我們在日常教學(xué)中做了一些嘗試，主要是從關(guān)注身邊實際問題、再現(xiàn)經(jīng)典理論誕生過程、基礎(chǔ)理論與學(xué)科前沿相結(jié)合、思政工作有機(jī)融入課堂教學(xué)以及優(yōu)化和拓展實驗教學(xué)內(nèi)容五個方面來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，為學(xué)生以后從事科研工作種下“種子”，為學(xué)生科研思想萌芽奠定基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生扣好人生第一粒扣子。

一、關(guān)注身邊實際問題，提升學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能

近年來，與我們生活密切相關(guān)的諸如細(xì)菌耐藥性、非洲豬瘟、禽流感、生態(tài)保護(hù)等現(xiàn)實問題層出不窮，從身邊的實際問題講起，可以將看似枯燥無味的課堂教學(xué)與生活現(xiàn)象聯(lián)系起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的好奇心與創(chuàng)新潛能。

目前，禽流感因其是危害人類健康的一種新的傳染病，已成為大家關(guān)注的焦點之一。禽流感病毒(Avian influenza virus)通常是呈球形的多型絲狀病毒，在分類學(xué)上屬于正粘病毒科(Orthomyxovoridae)，該病毒科主要是由A型、B型和C型三個流感病毒屬組成，均能感染人類[3]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的禽流感病毒對人的感染性會有所不同，自1997年香港首次爆發(fā)了人類H5N1禽流感以來[4]，1998年我國大陸亦出現(xiàn)了H9N2型禽流感[5]，2003年荷蘭發(fā)現(xiàn)了H7N7型禽流感[6]，而2013年我國又首次發(fā)現(xiàn)了人感染H7N9型禽流感，給人類生存與健康造成了新的威脅[7]。面對日益嚴(yán)峻的形勢我們應(yīng)該怎么做？讓學(xué)生自己上網(wǎng)收集相關(guān)資料，寫出相應(yīng)的論文，相互交流觀點并總結(jié)。學(xué)生主要從以下幾個方面對禽流感問題進(jìn)行了探討：禽流感與人類禽流感的關(guān)系；禽流感病毒的致病性；禽流感病毒病的流行病學(xué)特點；禽流感病毒能否引起流感的流行以及禽流感病毒病的防治措施。通過上述活動，學(xué)生對微生物的認(rèn)識不再是單調(diào)的課本知識，而是活生生的現(xiàn)實生活，這樣一來學(xué)生會主動關(guān)注與本學(xué)科相關(guān)的社會問題，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新潛能。

二、再現(xiàn)經(jīng)典理論誕生過程，開拓學(xué)生的思維能力

創(chuàng)新思維能力的核心是認(rèn)知能力，沒有良好的認(rèn)知能力大多就沒有科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)。故在日常教學(xué)中，我們應(yīng)該重點加強(qiáng)對學(xué)生認(rèn)知能力以及思維能力的訓(xùn)練，以期能開闊學(xué)生的思路。而再現(xiàn)經(jīng)典理論的形成過程，還原當(dāng)初的實驗思路與精妙的實驗方法無疑是最有效的一條途徑[8]。

比如在講解到基因突變的自發(fā)性和不對應(yīng)性的證明時，對影印實驗進(jìn)行了詳細(xì)的解讀：Lederberg夫婦于1952年設(shè)計了一種相當(dāng)巧妙的影印培養(yǎng)法，即在一系列平板的相同位置上能出現(xiàn)相同菌落的一種培養(yǎng)方法，其目的是直接證明微生物的抗藥性突變與其相應(yīng)的環(huán)境因素?zé)o關(guān)，是自發(fā)產(chǎn)生的。為了證明上述結(jié)論，Lederberg夫婦巧妙設(shè)計了兩種類型的平板：一種含有藥物，一種不含藥物，再把長有一定數(shù)量菌落的培養(yǎng)皿倒置于影印接種工具上(相當(dāng)于“蓋印章”)，接著把印章上的細(xì)菌分別接種到上述兩種類型的平板上去，相同條件下培養(yǎng)后對兩種平板上長出的菌落位置進(jìn)行觀察，若在含藥物的平板上長出了一個菌落，說明該菌落為抗該種藥物的菌落，然后到不含藥物平板上的相應(yīng)位置去觀察，結(jié)果也找到了該菌落的 “孿生兄弟”。接著再把該菌落培養(yǎng)，重復(fù)上述實驗步驟，最終完全可以得到純的抗性菌株。這說明了抗性菌株的產(chǎn)生與藥物的加入沒有關(guān)系，因為在沒有接觸藥物的情況下，也篩選到了抗該藥物的菌株，藥物的加入只是起到了把抗性菌株篩選出來的作用[9，10]。通過梳理該實驗過程，使學(xué)生對前人的研究工作與研究思路有了更具體的了解，這種巧妙的實驗方法讓學(xué)生耳目一新，訓(xùn)練了他們的認(rèn)知能力，開拓了他們的思維能力。

三、基礎(chǔ)理論與學(xué)科前沿相結(jié)合，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力

微生物學(xué)課程重點講授微生物的形態(tài)、構(gòu)造與功能、微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基、微生物的生長控制、遺傳變異與育種、微生物的生態(tài)以及分類進(jìn)化等基礎(chǔ)理論方面的內(nèi)容，同時微生物在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也是我們要講授的內(nèi)容。但僅僅通過課堂教學(xué)來向?qū)W生傳授知識，并不能讓學(xué)生對微生物學(xué)這門課程具有深刻的理解，再加上微生物學(xué)涉及面較廣且發(fā)展迅速，因此要及時介紹學(xué)科的前沿發(fā)展動態(tài)。在授課過程中將基礎(chǔ)理論與前沿科研結(jié)合起來，可以有效提高學(xué)生的主觀能動性，促使他們會更加積極主動地關(guān)注生命科學(xué)領(lǐng)域新動向，為提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力打下良好的基礎(chǔ)。

比如在講授細(xì)菌的特殊構(gòu)造伴孢晶體時，將其與生物防治相聯(lián)系。在講解了伴孢晶體的基本知識后，還重點講述了伴孢晶體的殺蟲機(jī)理，以及將產(chǎn)伴孢晶體的細(xì)菌制成生物殺蟲劑，對鱗翅目、鞘翅目等昆蟲具有顯著毒殺作用。在此基礎(chǔ)上還穿插了以下內(nèi)容：1)蘇云金桿菌(簡稱B.t.)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種生物殺蟲劑，具有殺蟲譜較廣、無環(huán)境污染、對農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)無影響以及不殺傷天敵等優(yōu)點[11]，故生物農(nóng)藥適合生產(chǎn)綠色農(nóng)產(chǎn)品的要求，已受到人們的廣泛青睞。2)B.t.生物殺蟲劑在實際應(yīng)用中具有局限性：首先是受到使用時間的影響，要在多數(shù)害蟲的取食期間以及在其初孵至1齡階段使用該產(chǎn)品才會有良好的效果[12]。其次B.t.生物殺蟲劑會受到太陽紫外線的影響，藥效期一般是3～5天，較短，且殺蟲速度較慢。要解決上述問題，必須要有相應(yīng)的措施跟上。3)目前，美國Valent生物科學(xué)公司、美國杜邦公司、德國拜耳公司、丹麥諾維信公司等已成為生物殺蟲劑市場中的優(yōu)秀者。近日美國生物農(nóng)藥公司MBI宣布其紫色細(xì)菌PRAA4-1菌株的活性成分Grandevo WDG 獲得美國登記批準(zhǔn)，該產(chǎn)品殺蟲機(jī)理在于使刺吸式害蟲、咀嚼式害蟲及蠅類等停止進(jìn)食，最終死亡。這些學(xué)科前沿知識點的介紹，非常吸引學(xué)生的興趣，開發(fā)了他們的創(chuàng)造活力。

四、思政工作有機(jī)融入課堂教學(xué)，做到立德樹人

微生物與人們生活息息相關(guān)，因此，在日常教學(xué)中融入育人理念，對學(xué)生潛移默化的進(jìn)行德育教育。例如在講授“微生物生態(tài)”這一內(nèi)容時，介紹如何保護(hù)環(huán)境，對污染的水體如何采用微生物的方法進(jìn)行處理，使水質(zhì)達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。同時，要樹立環(huán)保意識，減少污染物的產(chǎn)生和做好垃圾的分類，踐行習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的思想。在講授“病毒”這一章時，向?qū)W生介紹中國著名微生物學(xué)家、病毒學(xué)家湯飛凡院士，1929年畢業(yè)美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院，祖國的召喚，使他毅然放棄國外優(yōu)越的環(huán)境，學(xué)成歸國后積極投身于祖國醫(yī)學(xué)教育事業(yè)，作為前線醫(yī)療隊員的身份參加過抗日戰(zhàn)爭。中華人民共和國成立后為防控傳染病流行，20世紀(jì)50年代，他的團(tuán)隊僅用2個月成功研制天花疫苗，使中國在20世紀(jì)60年代初就消滅天花傳染病，而其他國家在16年后才取得這樣的成績。同時湯飛凡院士發(fā)現(xiàn)了沙眼的病原體為衣原體，因此被稱為“衣原體之父”；并主持制定了中國第一部生物制品規(guī)范——《生物制品制造檢定規(guī)程》。從湯飛凡院士身上可以看到，優(yōu)秀中國科研工作者成功之處在于能敏銳觀察到身邊的現(xiàn)象，深入開展基礎(chǔ)研究，探尋機(jī)理并解決實際問題，挽救了苦難中的中國。以自身才能來報效祖國，是每位當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)有的情懷與追求，以榜樣的力量，塑造具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的時代新人，做到立德樹人。

五、優(yōu)化和拓展實驗教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生實驗學(xué)習(xí)熱情

微生物學(xué)作為生物制藥類等學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，應(yīng)用性極強(qiáng)，讓學(xué)生深刻理解課堂理論知識并將其應(yīng)用到實踐中去，從而能激發(fā)本科生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生沒有無緣無故的學(xué)習(xí)熱情，為激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，在實驗教學(xué)中我們做了以下三點的嘗試。

(一)課前布置3～5題預(yù)習(xí)思考題，促使學(xué)生養(yǎng)成課前預(yù)習(xí)的習(xí)慣

圖1 學(xué)生預(yù)習(xí)革蘭氏染色的實驗流程圖

預(yù)習(xí)思考題主要是涉及實驗原理部分的內(nèi)容，比如在革蘭氏染色實驗中，其實驗原理是染色后不同菌株會出現(xiàn)不同染色結(jié)果，這部分內(nèi)容是布置預(yù)習(xí)思考題的核心。除此之外，實驗步驟要求學(xué)生采用流程框圖的形式繪制在實驗報告上，清晰明了，避免學(xué)生邊實驗邊看書，導(dǎo)致在課堂上手忙腳亂。如2017—2018年第二學(xué)期制藥工程專業(yè)大二本科生在做“革蘭氏染色法和KOH快速鑒定革蘭氏陰性和陽性菌法”，實驗前學(xué)生繪制的實驗流程圖(圖1)。課前預(yù)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題的能力，在實驗過程中帶著問題學(xué)，針對問題改，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

(二)開設(shè)的實驗項目由基礎(chǔ)到綜合，循序漸進(jìn)培養(yǎng)科研思維

微生物學(xué)實驗共20學(xué)時，1個學(xué)分，每年授課學(xué)生數(shù)400人左右，基礎(chǔ)性實驗主要是訓(xùn)練學(xué)生的基本實驗技術(shù)：無菌操作技術(shù)、顯微鏡觀察、分離純化技術(shù)與微生物培養(yǎng)技術(shù)。在實驗教學(xué)中我們優(yōu)選經(jīng)典的基礎(chǔ)性實驗，實驗項目共5個，學(xué)時數(shù)為8學(xué)時。其中，顯微鏡的使用與細(xì)菌基本形態(tài)的觀察2學(xué)時、細(xì)菌的簡單染色與革蘭氏染色法2學(xué)時、微生物大小的測定1學(xué)時、酵母菌的鏡檢計數(shù)法1學(xué)時、培養(yǎng)基的制備與滅菌2學(xué)時。在完成前期基礎(chǔ)性實驗的基礎(chǔ)上，依據(jù)微生物在食品、制藥、動物科學(xué)和生物工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合學(xué)生所學(xué)的專業(yè)，開設(shè)不同綜合性實驗，綜合性實驗項目2～3個，12學(xué)時。如在食品專業(yè)開設(shè)產(chǎn)蛋白酶菌株的篩選和食品中大腸菌群檢驗；制藥工程專業(yè)開設(shè)項目為產(chǎn)抗生素菌株的篩選和微生物抗菌譜的測定。引導(dǎo)學(xué)生就其生活中發(fā)現(xiàn)的由于微生物產(chǎn)生的現(xiàn)象和感興趣的熱點進(jìn)行討論發(fā)現(xiàn)問題，查閱文獻(xiàn)資料，從微生物的角度分析問題、解決問題，設(shè)計出合理的實驗方案。在綜合性實驗開設(shè)中，學(xué)生全程獨立設(shè)計、完成實施、實驗結(jié)果分析、得到的結(jié)果與預(yù)期是否一致，如果結(jié)果不一致分析其原因。例如針對2017級制藥工程專業(yè)的本科生，設(shè)置了產(chǎn)抗生素菌株的篩選綜合設(shè)計性實驗，學(xué)生在查閱資料基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇什么地方的土壤？如何取土？選擇哪種培養(yǎng)基？如何進(jìn)行微生物的分離純化及培養(yǎng)？分離得到的微生物哪些形態(tài)特征？形態(tài)觀察后屬于哪種類型的微生物？選擇哪種供試微生物？是否產(chǎn)生抗生素及產(chǎn)抗生素能力如何？在實驗中這些問題要逐一解決。通過綜合性實驗?zāi)苡行Ъぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時培養(yǎng)科研思維。

(三)奇思妙想微觀世界，引導(dǎo)學(xué)生申報大創(chuàng)項目和參與學(xué)科競賽

2014年開始的安徽省大學(xué)生生物標(biāo)本制作大賽，是由安徽省教育廳主辦的一個全省生命科學(xué)類B類賽事，每年舉辦一次。每年我校均有學(xué)生報名參加省決賽，有關(guān)微生物方面學(xué)生主要圍繞的是微生物標(biāo)本制作，選用不同形態(tài)特征的微生物組合在一起，接種至相應(yīng)的平板上，經(jīng)培養(yǎng)后的菌落構(gòu)成一幅色彩艷麗，反應(yīng)時代主題的細(xì)菌畫或工藝品。例如制藥專業(yè)學(xué)生開拓創(chuàng)新，用細(xì)菌繪制出栩栩如生的“十大皖藥”，獲得省二等獎；生工專業(yè)學(xué)生開動腦筋用細(xì)菌繪制出蘭花藝術(shù)畫，經(jīng)壓膠處理后做成茶杯蓋，既具有一定的藝術(shù)性，又具有一定實用價值。動物醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生在第五屆全國“生泰爾杯”大學(xué)生動物醫(yī)學(xué)專業(yè)技能大賽中獲國家級三等獎，學(xué)生在病原菌檢查與血凝試驗這部分內(nèi)容取得了良好的成績。

大創(chuàng)項目學(xué)生每年都積極申報，有關(guān)微生物課題中標(biāo)的有2～3項；校研究性學(xué)習(xí)每年中標(biāo)與微生物有關(guān)的課題有15項左右。通過這些項目申報，學(xué)生初步掌握科研的一般過程：申請書的撰寫、開題、實驗過程及數(shù)據(jù)記錄和處理分析、結(jié)題報告的撰寫和答辯結(jié)題。上述過程的實施有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

總之，通過上述的探索與實踐，大大增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。很多學(xué)生對微生物這門學(xué)科表現(xiàn)出濃厚的興趣，他們也有了自己的觀點或創(chuàng)意：有的學(xué)生立志于霍山石斛內(nèi)生菌群的分析并研究其對霍山石斛品質(zhì)的影響；有的學(xué)生則對微生物來源的生物殺蟲劑有了濃厚的興趣；有的則希望探索土壤修復(fù)的微生物菌株篩選方面的研究。絕大部分學(xué)生在學(xué)完微生物這門課后能獨立完成有關(guān)微生物方面的本科畢業(yè)論文工作。更有甚者是部分學(xué)生通過考研深造來更加深入的研究微生物這門學(xué)科。不過，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為核心的教學(xué)改革將是一個長期的過程，在今后的教學(xué)中我們將繼續(xù)研究和探索，總結(jié)經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)，為培養(yǎng)出更多的科研創(chuàng)新型人才打下良好的基礎(chǔ)。