POPBL模式微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探索

劉 倩，魏 濤

(北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100191)

微生物學(xué)是生物學(xué)的重要分支學(xué)科，它是在分子、細(xì)胞或群體水平上研究各類微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長繁殖、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進(jìn)化等生命活動的基本規(guī)律，涉及的理論知識內(nèi)容多、深度廣，是高等院校生物類專業(yè)必開的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課程[1-2]。微生物學(xué)又是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，其配套的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生加深理論認(rèn)識、掌握微生物學(xué)研究所需要的基本操作技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力具有重要作用。一些高校在本科階段開設(shè)微生物學(xué)課程的同時，一般都會開設(shè)配套的實(shí)驗(yàn)課程，但在實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置上通常較為分散，只選擇經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行獨(dú)立操作，不同實(shí)驗(yàn)間關(guān)聯(lián)性較差，缺乏對微生物學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計和技術(shù)的系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)。因此在進(jìn)入研究生培養(yǎng)階段時，一些學(xué)生的微生物學(xué)理論知識和實(shí)驗(yàn)技能存在缺陷，理論與實(shí)踐割裂，難以根據(jù)研究目的選擇合適的實(shí)驗(yàn)方案，并且在出現(xiàn)問題時無法從理論角度入手，尋找問題癥結(jié)，限制其在相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

為加深相關(guān)專業(yè)研究生微生物學(xué)理論知識認(rèn)識，整合本科階段所訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新意識，協(xié)助學(xué)生獲得科學(xué)問題研究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)從知識儲備到實(shí)踐與應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，同時訓(xùn)練并增強(qiáng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)能力、表達(dá)能力、團(tuán)隊協(xié)作意識和溝通能力，探討了POPBL(problem oriented and project based learning)模式，即問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式在研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐和應(yīng)用，為相關(guān)專業(yè)研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一些經(jīng)驗(yàn)和思考。

1 研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前我國高等教育本科階段開設(shè)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，多以培養(yǎng)學(xué)生的微生物實(shí)驗(yàn)理念，讓學(xué)生接觸、練習(xí)基本的微生物實(shí)驗(yàn)操作，初步學(xué)習(xí)結(jié)果展示方式及討論分析方法為目的，在操作上依照詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中往往是照本宣科，缺乏思考。而進(jìn)入研究生教育階段后，微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)只是在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作的復(fù)雜度和難度等方面有所增加，專業(yè)針對性不足，使學(xué)生在運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題時，存在一定困難。綜合來看，研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)中存在以下問題。

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計不系統(tǒng)

研究生階段的微生物學(xué)理論課程與本科階段相比，內(nèi)容更關(guān)注學(xué)科前沿發(fā)展，聚焦專業(yè)，基礎(chǔ)理論知識較少，更突出知識的系統(tǒng)性和完整性，注重理論知識在研究活動中的應(yīng)用。而傳統(tǒng)與之配套的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)設(shè)計和內(nèi)容上與本科階段相比，只是從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作上難度提高，或者由單一的實(shí)驗(yàn)向上游或下游擴(kuò)展為一個系列實(shí)驗(yàn)，多以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，以掌握實(shí)驗(yàn)原理和訓(xùn)練動手操作為主要目的，各實(shí)驗(yàn)之間關(guān)聯(lián)較小，缺乏系統(tǒng)性、探索性和創(chuàng)新性，專業(yè)針對性較差，對學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練以及掌握科學(xué)問題研究的方法效果較差。

1.2 教學(xué)方法較為傳統(tǒng)單一

傳統(tǒng)的研究生階段微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式方法與本科階段教學(xué)手段基本一致，都是以教師講述、演示為主，或是教師指定方法，學(xué)生自主查找具體操作。在此過程中，還是以教師為教學(xué)活動的主角，學(xué)生參與度較低，自主思考較少，無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，對其后續(xù)自主開展科學(xué)研究活動沒有起到較好的訓(xùn)練作用。

1.3 考核方式單一，評價方式不科學(xué)

對研究生的實(shí)驗(yàn)課程來說，獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者掌握某一個實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)技術(shù)并不是課程最主要的目的，最重要的應(yīng)是學(xué)生在開展實(shí)驗(yàn)過程中形成研究思路、選擇研究方法、設(shè)計實(shí)驗(yàn)及分析出現(xiàn)的問題，這對學(xué)生后續(xù)開展研究工作至關(guān)重要，但目前在課程考核方式上，還是以實(shí)驗(yàn)報告和課堂表現(xiàn)為主，過于注重結(jié)果，對學(xué)生在課程中的思考過程、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力沒有進(jìn)行考察。

2 POPBL教學(xué)模式

POPBL是由丹麥奧爾堡大學(xué)提出的以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式，主要特征就是以“problem”為導(dǎo)向，以“project”組織學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)科交叉和跨學(xué)科實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)多人合作實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程[3-5]。POPBL教學(xué)模式根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、要求以及學(xué)生知識能力水平提出具有實(shí)際意義的、難度適中的問題，讓學(xué)生根據(jù)問題去挖掘、總結(jié)背后的科學(xué)問題和疑問，然后通過自主思考、查閱文獻(xiàn)等方式尋找解決辦法，并將方法形成完整、可行的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)而動手操作、驗(yàn)證方案，從方案結(jié)果中得出結(jié)論，最終解決問題。在該過程中可以較好地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、表達(dá)能力和獨(dú)立思考能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉，綜合運(yùn)用與問題相關(guān)的多學(xué)科理論知識，增加學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性和挑戰(zhàn)性，同時該教學(xué)模式以小組形式開展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力和溝通協(xié)調(diào)能力。該教學(xué)模式中包含了探討性教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式和思想，注重過程考察，已有的教研成果表明其在培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)和實(shí)踐水平方面具有良好的效果[6-8]，因此該模式對研究生階段的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

3 POPBL教學(xué)模式在研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的實(shí)踐

3.1 課程基本情況及學(xué)情

我校研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為32學(xué)時，目前已完成3個年級的授課活動，班級人數(shù)維持在10～15人，在教學(xué)活動開始之前，通過問卷調(diào)查對學(xué)生情況進(jìn)行了解。如表1所示，在課程背景方面，大部分學(xué)生在本科階段選修過微生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，但幾乎沒有采用過POPBL教學(xué)方法，還是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式為主；在科研經(jīng)歷方面，只有少數(shù)學(xué)生參加過科技競賽或曾經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室工作，并且這兩部分學(xué)生存在重合，除畢業(yè)論文外，沒有學(xué)生在本科階段撰寫過科技論文；在開展研究可能存在的問題和難點(diǎn)方面，學(xué)生認(rèn)為方案整理、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果總結(jié)歸納及問題分析難度較高。整體而言，我校研究生呈現(xiàn)課程背景較好，但缺少科研經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)及科技論文撰寫訓(xùn)練的特點(diǎn)。

表1 學(xué)生基本情況問卷調(diào)查

3.2 采用問題導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)

根據(jù)我校研究生知識能力特點(diǎn)，將POPBL教學(xué)模式引入微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，使課程內(nèi)容凝練為一個研究問題，即“產(chǎn)α-淀粉酶菌株的分離篩選、菌株突變、發(fā)酵條件優(yōu)化及產(chǎn)物純化”。α-淀粉酶是一類重要的工業(yè)用酶，在食品、飼料、醫(yī)藥、造紙等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[9-10]，本課程中選擇該物質(zhì)為研究對象，具有較好的典型性和代表性。

將上述研究問題細(xì)化為4部分內(nèi)容：(1)產(chǎn)α-淀粉酶菌株的分離篩選與鑒定；(2)產(chǎn)α-淀粉酶菌株的突變；(3)產(chǎn)α-淀粉酶菌株的發(fā)酵條件優(yōu)化；(4)α-淀粉酶的分離純化。該研究問題為經(jīng)典的微生物資源發(fā)掘、優(yōu)化和應(yīng)用案例，涉及微生物學(xué)大部分的理論內(nèi)容和知識點(diǎn)。在本案例中主要從以下幾個方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和方案設(shè)計：(1)所要篩選的菌株性能是什么？在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中有何特點(diǎn)？根據(jù)篩選目的怎樣選擇或創(chuàng)造合適的地點(diǎn)和環(huán)境進(jìn)行采樣？例如，當(dāng)采樣條件不便利時，是否可以通過將淀粉含量高的食品暴露在溫度濕度合適的環(huán)境中來創(chuàng)造采樣樣品？怎樣建立一個快速、高通量的分離篩選方法？獲得菌株后應(yīng)該利用何種手段對其進(jìn)行鑒定？引導(dǎo)學(xué)生思考目的菌株的營養(yǎng)特點(diǎn)及生產(chǎn)要求，根據(jù)菌株形態(tài)結(jié)構(gòu)選擇合適的鑒定方法，運(yùn)用分類和系統(tǒng)學(xué)進(jìn)行命名歸屬。(2)實(shí)際生產(chǎn)研究中常用的菌株突變方式有哪些？在本研究問題中根據(jù)實(shí)際條件選擇哪種突變較為合適？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)菌株種類、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件選擇合適的突變方法。(3)為提高菌株α-淀粉酶產(chǎn)量，在發(fā)酵條件優(yōu)化方面可以從哪些角度入手？選擇什么參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化？優(yōu)化方式有哪些？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)菌株的生長繁殖及代謝特點(diǎn)選擇合適參數(shù)和方式進(jìn)行優(yōu)化。(4)從微生物的代謝產(chǎn)物中進(jìn)行蛋白質(zhì)的分離純化通常有哪些方法？α-淀粉酶具有什么特點(diǎn)？根據(jù)這些特點(diǎn)選擇什么方式純化較為合適？純化過程中如何檢測分析？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)微生物的種類、發(fā)酵特點(diǎn)、酶特點(diǎn)選擇合適的方式進(jìn)行分離純化。

3.3 跨學(xué)科、跨課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

從上述研究內(nèi)容設(shè)置可以看出，選擇的研究問題為經(jīng)典的微生物資源發(fā)掘、研究和應(yīng)用案例，研究中涉及的理論內(nèi)容和知識點(diǎn)包括微生物的結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)、代謝、生長繁殖及控制、遺傳、系統(tǒng)發(fā)育和分類鑒定等，涵蓋了微生物學(xué)大部分的基礎(chǔ)理論知識，從學(xué)科本身的系統(tǒng)性和完整性出發(fā)，通過一個基本的研究問題，將各部分內(nèi)容有機(jī)銜接在一起，較為系統(tǒng)全面。此外，在當(dāng)今的科學(xué)研究中，很多科學(xué)問題的研究都要涉及多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的理論和技術(shù)整合對科技發(fā)展具有巨大的推動作用，而具體到微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)這門課程上，選擇的研究問題也充分體現(xiàn)了學(xué)科交叉的特點(diǎn)，如菌株的分類鑒定和突變運(yùn)用了分子生物學(xué)和生物信息學(xué)知識，發(fā)酵條件優(yōu)化涉及發(fā)酵工程及統(tǒng)計學(xué)知識，酶的分離純化則運(yùn)用了酶工程、生物分離工程等相關(guān)知識和內(nèi)容(圖1)，通過知識融合、實(shí)踐滲透的方式，提高學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)理論知識的能力。

圖1 微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)POPBL教學(xué)方案實(shí)施過程

3.4 形式豐富的研討過程

傳統(tǒng)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)施過程中，多由教師提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案和操作步驟，或是提供實(shí)驗(yàn)方法名稱，由學(xué)生自行查找，在該過程中學(xué)生始終處于被動狀態(tài)，缺少獨(dú)立思考及方法選擇。而采用POPBL教學(xué)模式進(jìn)行微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在對學(xué)生提出問題并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一定思考之后，要求學(xué)生自行分組，然后將該問題作為一個項目。針對項目中要達(dá)成的目標(biāo)，通過查閱與問題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室具備的實(shí)驗(yàn)條件和儀器設(shè)備，以組為單位提出完整的解決方案，制作方案展示文檔，向同學(xué)和老師闡述本組的研究原理、方案和預(yù)期成果，對方案的科學(xué)性和可行性進(jìn)行充分討論，形成詳細(xì)的研究方案書面材料。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師對關(guān)鍵步驟的操作要點(diǎn)和注意事項進(jìn)行講解，利用“藍(lán)墨云班課”等線上教學(xué)助手，上傳實(shí)驗(yàn)操作及軟件使用相關(guān)的視頻及學(xué)習(xí)資料，引導(dǎo)學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)原理、操作、儀器及軟件的使用。此外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)、分析和討論，提出可能的改進(jìn)措施，形成實(shí)驗(yàn)報告。

3.5 構(gòu)建更加科學(xué)的課程綜合評價方法

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程評價一般以實(shí)驗(yàn)報告和課堂表現(xiàn)、課堂出勤為主。因此根據(jù)POPBL教學(xué)模式的核心思想和特點(diǎn)，將微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程評價分為3部分，即實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計部分從問題提煉能力、文獻(xiàn)調(diào)研能力、方法論證能力、表達(dá)能力、團(tuán)隊合作能力等指標(biāo)進(jìn)行評價；實(shí)驗(yàn)操作部分從原理掌握、動手能力、儀器使用、團(tuán)隊協(xié)作等指標(biāo)進(jìn)行評價；實(shí)驗(yàn)報告部分從結(jié)果展示規(guī)范程度、問題分析能力等指標(biāo)進(jìn)行評價。該考核方法從更加重視思考性和創(chuàng)造性的角度全面、科學(xué)地給予學(xué)生評價(表2)。

表2 微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的考核內(nèi)容及相應(yīng)權(quán)重

4 POPBL教學(xué)模式在研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用效果

為了解學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，在課程結(jié)束后對學(xué)生進(jìn)行了第二次問卷調(diào)查。結(jié)果表明(表3)：大部分學(xué)生認(rèn)為本課程內(nèi)容設(shè)置、難度及分組規(guī)模較為合理，在項目實(shí)施過程中62.5%的學(xué)生閱讀了10～20篇文獻(xiàn)，21.9%的學(xué)生閱讀了20篇以上文獻(xiàn)，文獻(xiàn)查找及閱讀能力有所提高；在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計方面，學(xué)生最開始提出的方案經(jīng)常沒有考慮研究目的和實(shí)驗(yàn)條件，方法較不合理，可行性不高，而通過本課程的訓(xùn)練，組織學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)、深入的課堂討論，學(xué)生逐漸學(xué)會根據(jù)實(shí)際情況從多種實(shí)驗(yàn)方法中選擇最佳方案，更加注意實(shí)驗(yàn)設(shè)計的科學(xué)性、周密性和可行性；在實(shí)驗(yàn)操作方面，學(xué)生認(rèn)為通過本課程動手能力、儀器使用及統(tǒng)籌安排能力有所提高；在結(jié)果分析討論方面學(xué)生可以針對結(jié)果進(jìn)行較為充分的討論，對存在的問題進(jìn)行一定深度的分析，并提出可能的解決方案，在數(shù)據(jù)處理、科學(xué)規(guī)范的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面能力有所提升。通過本課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生在參加科技競賽和撰寫科技論文方面的比例明顯提高。總體而言將POPBL模式運(yùn)用于微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，整個教學(xué)過程以學(xué)生為主體，通過問題導(dǎo)向，增加了課程的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動性，使學(xué)生得到一定的科學(xué)研究訓(xùn)練，科研素養(yǎng)有所提高。

表3 教學(xué)效果問卷調(diào)查

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分散，系統(tǒng)性不強(qiáng)，考核中實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分占比較高，不利于學(xué)生探索精神、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。通過對研究生微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容和方式進(jìn)行改革，引入以問題為導(dǎo)向的POPBL教學(xué)模式，設(shè)置經(jīng)典的、跨學(xué)科跨課程的微生物應(yīng)用問題，從該問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生挖掘問題本質(zhì)，歸納要點(diǎn)，設(shè)計討論實(shí)驗(yàn)方案，操作實(shí)踐并總結(jié)結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的探索精神，提高科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和趣味性，為學(xué)生后續(xù)在相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展提供一定助力。同時也應(yīng)注意到，POPBL教學(xué)模式以學(xué)生為主體，對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、思考能力、動手能力和自我約束能力有一定要求，因此教師在教學(xué)過程中要時刻注意觀察學(xué)生狀況，適當(dāng)時機(jī)給予幫助和督促。