建設(shè)研究教學(xué)型學(xué)院背景下微生物學(xué)實驗課程改革

嚴(yán)金平，劉 麗，夏雪山，年洪娟，羅義勇，季秀玲，李 濤，陳 媛

(昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，昆明 650500)

微生物學(xué)實驗以一切肉眼看不見或看不清的微小生物為研究對象，有獨特的實驗方法和技術(shù)，掌握微生物學(xué)基本方法和基本技能，可以加強學(xué)生對微觀世界的認(rèn)識，也可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及解決復(fù)雜工程問題的能力。因此，高等院校廣泛將微生物學(xué)實驗作為生物相關(guān)理學(xué)、工學(xué)專業(yè)的必修核心課程。2012 年起，昆明理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(以下簡稱“我院”)旨在建設(shè)研究教學(xué)型學(xué)院，嘗試建立課題組和課程組的雙軌制管理模式以促進(jìn)科研研究和本科教學(xué)跨越式發(fā)展。以此為契機，我院微生物學(xué)課程組立足微生物學(xué)實驗課程面臨的挑戰(zhàn)和存在的問題，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神、提高學(xué)生動手和獨立思考的能力為目的，以復(fù)合型人才應(yīng)具備的綜合能力為依據(jù)優(yōu)化實驗內(nèi)容，進(jìn)行了微生物學(xué)綜合實驗改革。

一、微生物學(xué)實驗的課程定位

自2004 年建院以來，我院一直將微生物學(xué)和微生物學(xué)實驗作為生物工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。該課程以生物化學(xué)、生物化學(xué)實驗和生物工程概論等3 門課程為先選課程，是生物工程專業(yè)學(xué)生的第四門專業(yè)核心基礎(chǔ)課程(圖1)。該課程注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法，提高觀察分析、動手操作、實驗技能和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生實事求是、追求卓越的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)，是生物工程專業(yè)理學(xué)類、工程類和畢業(yè)實踐課程的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)微生物相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、教學(xué)或應(yīng)用和管理等工作的生命科學(xué)、生物工程高素質(zhì)人才中占有舉足輕重的地位。

圖1 微生物學(xué)和微生物學(xué)實驗的課程定位

二、微生物實驗課程教學(xué)中存在的問題

課程開設(shè)之初，我院將微生物學(xué)必須掌握的無菌操作技術(shù)、顯微觀察技術(shù)、純種分離技術(shù)和純培養(yǎng)技術(shù)等實驗技術(shù)分解成8 個相對獨立的實驗開展，分別是：①土壤微生物的分離純化及菌落形態(tài)觀察；②油鏡的使用及細(xì)菌革蘭氏染色、形態(tài)觀察；③顯微鏡直接計數(shù)法測定酵母菌數(shù)量；④霉菌形態(tài)觀察；⑤紙片擴散法(Kirby-Bauer)藥物敏感試驗；⑥培養(yǎng)基的制備、實驗相關(guān)器皿的包扎及其滅菌；⑦微生物生化特性；⑧菌落總數(shù)的測定。通過以上實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟記相關(guān)實驗基本原理，掌握基本操作和熟練使用的相關(guān)儀器設(shè)備，但存在以下方面的不足：①重實驗過程環(huán)節(jié)，輕實驗準(zhǔn)備和實驗后環(huán)節(jié)，為確保能在有限的學(xué)時完成實驗，學(xué)生實驗需要用到的培養(yǎng)基、染液和試劑配制，實驗儀器的調(diào)試等實驗前的準(zhǔn)備工作都是專職實驗老師提前做好，不需要進(jìn)行實驗結(jié)果的分析或者僅需要簡單分析；②重驗證性實驗，輕探究性實驗，學(xué)生進(jìn)到實驗室只需要按照實驗操作手冊按部就班地完成，就多數(shù)能得到預(yù)期的結(jié)果，實驗結(jié)果答案相對固定；③重實驗技能的培養(yǎng)，輕綜合能力培養(yǎng)，授課重點在于實驗基本原理、基本操作和相關(guān)儀器設(shè)備的使用規(guī)范，實驗項目之間缺少關(guān)聯(lián)，一個實驗項目驗證一條理論知識或是強化一種實驗技能，而忽略運用這些技術(shù)解決實際問題的能力培養(yǎng)。以上不足，也是微生物學(xué)實驗課程教學(xué)存在的共性問題。

三、微生物綜合實驗教學(xué)模式的構(gòu)建

(一)加強教師隊伍建設(shè)

以往我院微生物實驗課授課都是由專職實驗老師完成，而實驗老師不參與微生物理論課的教學(xué)，更偏重于實驗技能的訓(xùn)練。我院微生物學(xué)課程組由4 名教授、3 名副教授和1 名高級實驗師組成，課程組建成后，微生物學(xué)課程組全體教師參與實驗課程的教學(xué)，且分工明確，相互配合。實驗老師負(fù)責(zé)實驗室試劑采購和設(shè)備管理，協(xié)助教學(xué)，專業(yè)老師則負(fù)責(zé)實驗過程中實驗具體指導(dǎo)。理論課程是實驗課程的根基，實驗課堂教學(xué)是理論教學(xué)的延伸和深化。理論課上，我們圍繞要開展的實驗內(nèi)容，以綜合實驗設(shè)計題的方式，推動學(xué)生結(jié)合課堂理論知識，查找文獻(xiàn)資料，并設(shè)計綜合性大實驗的技術(shù)路線。這一措施，既讓學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固了理論知識，也達(dá)到了有效預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容的目的，避免了學(xué)生預(yù)習(xí)不足就進(jìn)實驗室的現(xiàn)象，也有助于學(xué)生將學(xué)到的基本實驗技能、教師傳授的知識融會貫通，為提升實踐能力和自主設(shè)計實驗奠定堅實的基礎(chǔ)。此外，理論課老師都在從事微生物學(xué)相關(guān)科學(xué)研究，能將自己的科研成果和科研經(jīng)驗運用于實驗教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對微生物學(xué)前沿知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生對微生物學(xué)學(xué)習(xí)和研究的興趣。

(二)夯實課前準(zhǔn)備——發(fā)揮科研實驗室對微生物本科教學(xué)的輔助功能

我院直接從事微生物科學(xué)研究的平臺有10 個以上，如嗜極微生物學(xué)課題組、生物煉制課題組、食品微生物學(xué)課題組、生物轉(zhuǎn)化課題組和分子病毒課題組等。另外，基于微生物在生命科學(xué)研究中的基礎(chǔ)地位，幾乎生物學(xué)、醫(yī)學(xué)相關(guān)實驗室均具備從事微生物相關(guān)科研訓(xùn)練的實驗條件。因此，我院具備給所有本科生提供科研訓(xùn)練崗位的能力。我院本科生一直也有參與科研實驗的風(fēng)氣和傳統(tǒng)，且微生物學(xué)和微生物學(xué)實驗開設(shè)在大三上學(xué)期，學(xué)生課余時間相對較多，也為本科生進(jìn)入實驗室提供了可能。

結(jié)合學(xué)院“專業(yè)興趣培養(yǎng)提升計劃”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升計劃”“實踐創(chuàng)新能力提升計劃”，利用微生物學(xué)實驗開設(shè)的這一學(xué)期1～8 周學(xué)生的空余時間，我們有意識地組織學(xué)生帶著問題進(jìn)入科研實驗。在此期間，學(xué)生要完成微生物基本理論和基本實驗相關(guān)規(guī)定動作，做到微生物理論知識到實驗中去體會和檢驗，如初步建立無菌、純培養(yǎng)等基本概念和了解培養(yǎng)基的配制、無菌操作、顯微鏡的使用、移液器的使用和PCR 操作等基本技術(shù)，并在進(jìn)入微生物學(xué)實驗課堂之前提交科研實驗室鍛煉總結(jié)材料?？蒲袑嶒炇移陂g學(xué)習(xí)能力和實驗成果作為實驗預(yù)習(xí)評價材料之一。

(三)過程控制——發(fā)揮微生物學(xué)綜合大實驗對學(xué)生能力的整體提升作用

經(jīng)過8 周的微生物學(xué)理論學(xué)習(xí)和8 周科研實驗室的基本實驗與技能的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對微生物學(xué)有相應(yīng)的了解，并能獨立完成一些微生物學(xué)的基本實驗操作能力，也對綜合大實驗有自己的實驗技術(shù)路線和思考。在此基礎(chǔ)上，我們將以往實驗教學(xué)中相對獨立的8 個大實驗有機的組織起來，主要以單細(xì)胞微生物——細(xì)菌為對象，以“蛋白酶/脂肪酶/淀粉酶微生物的分離純化及產(chǎn)酶微生物的初步鑒定”為題，將土壤、水樣等環(huán)境樣品中微生物的分離、純化、培養(yǎng)、功能微生物的篩選、微生物的形態(tài)和分子鑒定、微生物的保存等涉及的實驗理論基礎(chǔ)和實驗基礎(chǔ)有序地組織起來(圖2)，集中4～6 周時間指導(dǎo)老師協(xié)助學(xué)生完成綜合大實驗。同時，為完全覆蓋微生物學(xué)實驗教學(xué)大綱的教學(xué)要求，我們將單細(xì)胞真核生物酵母菌的直接計數(shù)等穿插在細(xì)菌菌落計數(shù)的環(huán)節(jié)，將酵母菌和典型絲狀真菌的形態(tài)觀察穿插在革蘭氏染色實驗之后。不同的計數(shù)方法、不同的微生物物種顯微形態(tài)的比較教學(xué)能加深學(xué)生對微生物顯微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和研究方法的理解。

圖2 微生物學(xué)綜合大實驗的實驗設(shè)計

1.學(xué)生是實驗課堂的主體

學(xué)生帶著自己的出發(fā)樣品，帶著自己的實驗設(shè)計進(jìn)入實驗室，學(xué)生需要梳理實驗所需試劑及實驗設(shè)備，準(zhǔn)備玻璃器材和試劑，配制試劑，調(diào)試教實驗設(shè)備，統(tǒng)籌安排資源。從根本上將實驗課上所學(xué)的知識和技能應(yīng)用到科研工作中。從基礎(chǔ)技能練習(xí)開始到有主題性的研究實驗，再到探索性研究實驗等一系列專業(yè)實踐教學(xué)加入學(xué)生理論和實踐學(xué)習(xí)階段效果的大檢驗，也是整體提升學(xué)生各方面能力的系統(tǒng)科研訓(xùn)練。同時，學(xué)生作為實驗活動的主體，能體驗實驗成功時的興奮與快樂，實驗失敗時的沮喪與難過，了解科學(xué)研究的真諦。

2.發(fā)揮老師的糾錯和解惑作用

進(jìn)入實驗室前，老師應(yīng)對學(xué)生提交的實驗方案進(jìn)行認(rèn)真審閱，經(jīng)過與學(xué)生討論后，制定出更加切實可行的實驗方案。在學(xué)生動手做實驗過程中，與學(xué)生互動，進(jìn)行個別指導(dǎo)、糾錯及引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。注重學(xué)生對實驗過程、實驗結(jié)果的分析和記錄，以及學(xué)生在出現(xiàn)問題時能協(xié)助學(xué)生找到有效的解決辦法。

(四)嚴(yán)把出口關(guān)——實驗報告及考核的規(guī)范化要求

增加“單人考核”和“場景出題”的實驗考核環(huán)節(jié)。主要圍繞教學(xué)大綱要求掌握的基本實驗操作方法和教學(xué)過程中學(xué)生容易犯錯的知識點，比如顯微鏡的規(guī)范操作、細(xì)菌的革蘭氏染色法、平板劃線、平板涂布和試管接種等無菌操作方法、微生物顯微計數(shù)方法、不同類型微生物菌落形態(tài)識別、PCR 操作步驟、微生物保存和微生物分類鑒定的方法等，微生物學(xué)課程組老師集體命題并建立實驗知識口試題庫?？荚嚞F(xiàn)場，以學(xué)生抽簽或老師隨機抽題的方式選擇題目，要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)作答，時間一般為3～5 min。教師可根據(jù)學(xué)生答題情況，有針對性地進(jìn)行1～2 個問題的提問?！皢稳丝己恕焙汀皥鼍俺鲱}”的考核形式，營造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，表現(xiàn)在上課能夠認(rèn)真聽講，實驗中反復(fù)練習(xí)，熟練掌握所有實驗理論和操作技術(shù)。這種方式的考試還可以積極思考，解決實踐問題的能力，并能鍛煉學(xué)生的語言組織和表達(dá)能力，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提高。

開展微生物學(xué)綜合大實驗之后，實驗考核和實驗報告不再是一個個獨立實驗的簡單實驗原理、實驗步驟和結(jié)果分析，而是一個系統(tǒng)工程。據(jù)此，我們參照科研論文的寫作規(guī)范，對實驗報告的撰寫提出規(guī)范性要求，包括標(biāo)題、綜合實驗原理、具體實驗原理與方法(詳細(xì)的操作步驟)、實驗結(jié)果和討論與總結(jié)等。實驗報告展示如圖3 所示。

圖3 微生物學(xué)綜合大實驗學(xué)生實驗報告展示

四、建設(shè)效果

課程教學(xué)實踐效果體現(xiàn)在如下方面：①學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)風(fēng)氣轉(zhuǎn)變，求知欲和主動學(xué)習(xí)的興趣增強，學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)，從忽略平時學(xué)習(xí)、期末突擊應(yīng)考的狀態(tài)調(diào)整為全程專注；②學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的整體提升，學(xué)生微生物基礎(chǔ)知識、實驗操作、學(xué)科前沿知識的捕獲能力和閱讀科技論文的能力進(jìn)步明顯，獲得后續(xù)課程任課老師和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)老師的好評；③學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的提高，通過努力教學(xué)團隊取得了一系列榮譽，多次榮獲學(xué)校教學(xué)成果獎，學(xué)生取得多項微生物相關(guān)國家級、省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)獎項；④教學(xué)團隊的持續(xù)改進(jìn)和提高學(xué)生對學(xué)科的認(rèn)可、熱愛，對更多、更新專業(yè)知識的需求會形成一種力量，倒逼任課教師加強專業(yè)知識、前沿知識和授課技巧等方面的全面提高，從而形成一種良性循環(huán)的局面。

五、結(jié)束語

我院自2016 年起，已連續(xù)三年在生物工程專業(yè)微生物學(xué)實驗課程中推行綜合大實驗改革，理論課程中注重對學(xué)生基本實驗原理和實驗設(shè)計思路的培養(yǎng)，實驗課程則要求學(xué)生從實驗設(shè)計、實驗材料準(zhǔn)備、實驗結(jié)果的分析和科研報告的寫作等方面全面提高動手能力和科研素養(yǎng)，實現(xiàn)在教學(xué)全過程中激發(fā)和鼓勵學(xué)生的批判性思維及創(chuàng)新能力、促進(jìn)個性發(fā)展及提升教學(xué)質(zhì)量的內(nèi)涵式發(fā)展目標(biāo)。目前，微生物學(xué)課程組在教學(xué)團隊建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容持續(xù)改進(jìn)、實驗教學(xué)考核環(huán)節(jié)探索等方面進(jìn)行了探索，取得了一定的經(jīng)驗，以上舉措的有力實施，具有一定的推廣價值。通過這樣的實驗改革，使學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得以提高，但實驗項目內(nèi)容還需要進(jìn)一步提升優(yōu)化，考核方式尚待完善。