“從頭到尾”的主動參與式核心實驗課程教學改革

康海仙,陳偉杰,陳維春△

(1廣東醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生物技術(shù)系, 東莞 523808; 2廣東醫(yī)科大學檢驗學院臨床生化教研室; △通訊作者)

廣東醫(yī)科大學的生物技術(shù)專業(yè)兼具醫(yī)學背景,在培養(yǎng)學生的科研思維和實驗技能方面偏向基礎醫(yī)學。目前,我校生物技術(shù)專業(yè)核心實驗課程主要包括基因工程和生物技術(shù)綜合實驗,二者均具有全面性、系統(tǒng)性和連貫性的特點,整體以解決醫(yī)學問題為導向,目的是提高學生的實驗技能和創(chuàng)新能力,為學生繼續(xù)升學深造或從事相關(guān)專業(yè)工作打下堅實基礎。教師通過對六屆生物技術(shù)專業(yè)學生的實驗教學效果分析發(fā)現(xiàn),目前以教師為中心的標準實驗流程式教學模式存在諸多不足,主要表現(xiàn)在學生的自主能動性不足,不能充分訓練學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力,學生對整個實驗原理及實驗過程理解不深刻,整體教學效果仍有很大的提高空間。本文對目前核心實驗課的教學內(nèi)容、教學中存在的不足之處進行全面分析,在項目式學習教學方法的基礎上[1-3],提出主動參與式教學模式改革。

1 實驗教學現(xiàn)狀分析

1.1 核心實驗課開設情況

基因工程和生物技術(shù)綜合實驗為本校生物技術(shù)專業(yè)的兩門核心實驗課程,其開設旨在培養(yǎng)學生將所學專業(yè)知識通過實驗操作加以鞏固和深入理解,還能夠運用所學知識靈活解決科研問題?；蚬こ虒嶒炚n內(nèi)容包括PCR獲取目的基因、載體及目的基因的酶切、T4 DNA酶連接、連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至大腸桿菌、單克隆的挑取及陽性克隆鑒定、目的基因的表達檢測等。從實驗內(nèi)容設置上,該課程旨在使學生能獨立完成一項原核表達目的蛋白的小型課題,通過整套的實驗訓練獲得自主科研的能力。生物技術(shù)綜合實驗則重點訓練學生將表達的目的蛋白進行濃縮、純化及活性測定的下游技術(shù),是將生物技術(shù)專業(yè)核心課程分子生物學、生物化學、基因工程等理論專業(yè)知識綜合應用于實踐的一門核心實驗課,使學生熟練掌握酵母真核表達系統(tǒng),蛋白誘導、蛋白質(zhì)純化方案的設計和操作,理解蛋白質(zhì)純化的基本理論和操作,并體會蛋白質(zhì)純化技術(shù)的進展,鞏固離心、層析和電泳等生物化學核心技術(shù),它對于培養(yǎng)學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力、創(chuàng)新能力以及綜合分析能力都具有十分重要的作用[4-6]。兩門核心實驗課程的開設將使學生全面掌握生物技術(shù)專業(yè)的核心技術(shù)[7-9]。

1.2 核心實驗課在生物技術(shù)專業(yè)中的作用

作為一個實踐性很強的專業(yè),培養(yǎng)學生良好的實驗技能和過硬的專業(yè)知識無疑是本專業(yè)教學的主要目標,也是學生考研升學及就業(yè)的主要科目。我校生物技術(shù)專業(yè)自2016年招生以來,每屆約60名學生,每年考研率約30%-40%,比起其他兄弟院校60%以上的考研升學率,我?？佳猩龑W率亟待提高。核心實驗課程的內(nèi)容設置雖然全面合理,但總體實驗教學效果欠佳,實驗技能掌握不足。我校每年舉辦的卓越人才培育計劃使少部分學生在課程之外進行了良好的科研訓練,一定程度上彌補了核心實驗課教學的不足,但每年仍有較多學生(約40人)沒有機會進行提升。生物技術(shù)專業(yè)核心實驗課程的教學效果嚴重影響著我校的考研升學率及就業(yè)率。

1.3 核心實驗課的教學現(xiàn)狀

我校生物技術(shù)專業(yè)核心實驗課的教學效果欠佳,主要表現(xiàn)在學生的自主能動性不足,學生解決實際問題和自主科研的能力低下。目前以教師為中心的標準實驗流程的被動教學模式不能充分訓練學生的動手能力和創(chuàng)新能力,導致學生對整個實驗原理及實驗過程理解不深刻,整體教學效果仍有很大的提高空間。

2 教學實踐中存在的問題

2.1 學生只知實驗步驟不明實驗原理

實驗教學中發(fā)現(xiàn),多數(shù)學生可按照教師給出的標準實驗流程完成實驗,但不少學生不能充分理解實驗原理,只是簡單地按照教師給出的步驟進行操作,實驗過程存在操作時間長、看錯步驟、漏加試劑等現(xiàn)象;實驗結(jié)束后很快忘記實驗內(nèi)容,不能準確說出實驗目的,沒有達到鞏固和深入理解相關(guān)知識的目的。以教師為中心的標準實驗流程式教學模式中,教師完成了所有的實驗準備工作,直接給出了具體的操作流程,學生只需用現(xiàn)成的試劑完成給定的操作即可。這種機械式的教學方式,使學生習慣了被動接受給定的流程,不會主動思考實驗的設計和原理,也不會根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化實驗流程?？茖W實驗是一個繁瑣、細致的過程,每一步都至關(guān)重要。學生若不能親自參與實驗設計,沒有經(jīng)歷主動的探索過程,則不能激發(fā)其進行深入思考,完全處于一種被動接受的狀態(tài),教學效率不高。認知學習理論的觀點認為人的認識不是外界刺激直接給予的,而是外界刺激與人的內(nèi)部心理過程相互作用產(chǎn)生的,學生必須發(fā)揮主動性、積極性,才能獲得有效的認知[7-11]。

2.2 不能完全獨立地完成實驗

由于實驗內(nèi)容的完整性,每次教學只能完成其中一部分,且相互之間環(huán)環(huán)相扣,每次教學效果都會影響到最終的實驗結(jié)果。教學中發(fā)現(xiàn),只有三分之一的學生能夠獨立地得到成功的實驗結(jié)果,剩余三分之二的學生需要教師提供至少一個環(huán)節(jié)的實驗樣品(如純化片段、陽性單克隆、誘導成功的目的蛋白等)才能繼續(xù)完成實驗。教師經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn),成功完成實驗的學生平時都積極主動參與實驗操作訓練,且多數(shù)學生已在卓越人才培育計劃中進行過日常的科研訓練。而只在課堂教學中進行訓練的學生,實驗過程總會出現(xiàn)各種失誤,導致實驗結(jié)果不穩(wěn)定。因此,目前的課堂實驗教學訓練仍顯不足,應加強實驗操作訓練的時間和強度。

2.3 不會分析實驗結(jié)果

許多學生不能對自己的實驗結(jié)果做出正確且充分的分析,既不能對影響實驗結(jié)果的關(guān)鍵因素進行深入剖析,亦不能找出導致實驗失敗的具體原因。他們在書寫實驗報告時很容易出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象,常表現(xiàn)在直接抄寫實驗指導中的實驗目的、實驗原理、實驗材料(儀器設備、實驗試劑)等,不重視實驗結(jié)果的分析,實驗結(jié)果的呈現(xiàn)及描述常是極其簡單的一兩句話。實驗報告的撰寫無法激發(fā)學生的積極性。實驗結(jié)果的分析本是學生對專業(yè)知識再次深入認識的過程。對實驗結(jié)果進行深入分析,找到原因所在,提出下一步的實驗計劃,恰恰是提升實驗技能的關(guān)鍵。但事實上,當實驗結(jié)果與預期實驗結(jié)果不一致時,多數(shù)學生會將其解釋為加樣不準確等籠統(tǒng)性的原因,難以找出導致實驗失敗的真正原因,進而忽略實驗結(jié)果分析與討論的重要性,不能提高獨立分析問題、解決問題的能力。作為一個比較成熟的實驗流程及技術(shù),學生應當具有更深入的理解和掌握。

2.4 存在不能規(guī)范使用實驗儀器的現(xiàn)象

在分子生物學實驗中,核酸測定儀、移液器和離心機是最常用的實驗儀器,正確使用和維護對于實驗結(jié)果的準確性及實驗安全至關(guān)重要。然而,在教學實踐中,盡管教師多次強調(diào),還是會有不少學生出現(xiàn)超量程調(diào)節(jié)移液器的旋鈕、吸液不正確、離心機不配平等錯誤操作。這些錯誤操作不僅直接導致實驗結(jié)果差,如DNA擴增效率低、質(zhì)粒濃度或純度不高、T4 DNA酶連接效率低等,更為嚴重的是損壞儀器,影響到其他學生的正常教學。究其原因,是由于這些學生的教學參與度不高,在小組實驗,甚至單人實驗中請同組其他成員代勞,對儀器使用和實驗流程不熟悉。這些教學現(xiàn)象提示,教師在教學中應督促每一位學生都能積極參與操作訓練,努力提高每一位學生的動手能力。因此,讓學生重視基本的實驗操作也是提高教學效果重要的一環(huán),有必要增加實驗操作的考核,重視良好實驗習慣的培養(yǎng)。

3 教學改進措施

3.1 優(yōu)化教學模式

目前教學實驗中所用的目的基因、引物等均由教師選定后設計好序列,并直接給出具體的實驗步驟,學生只需根據(jù)給定的實驗流程操作即可。這種教學模式下,學生沒有主動思考的必要,不會親身經(jīng)歷實驗探索和解決問題的過程,不能體會到將所學理論知識應用于實踐的過程,實驗過程不深刻。這也是各高?；蚬こ毯蜕锛夹g(shù)綜合實驗課中普遍存在的問題[12-14]。顯然,從頭到尾的主動參與式實驗教學模式能更有效地培養(yǎng)學生的科研能力[15,16],引導學生運用所學知識,經(jīng)過獨立思考,以解決實際問題為目的,將知識+獨立思考+主動參與貫穿整個實驗教學過程中。具體改進方法:我們將學生分為每2人一組,引導學生自主查閱文獻,選擇目的基因并設計引物,完成從獲取目的基因、酶切連接至表達載體、目的蛋白誘導表達、目的蛋白鑒定等整個實驗過程。這樣,每組學生擁有個性化的目的基因,大小不同的連接片段,不同的酶切位點及不同的連接效率,更容易激發(fā)自身自主思考、解決實際問題的能力。學生在規(guī)定的時間段內(nèi),靈活安排自己的實驗。教師可留守實驗室進行及時指導。鑒于基因工程實驗是一個完整連貫的實驗項目,學生應盡量連續(xù)完成,最終通過實驗報告將每次實驗結(jié)果呈現(xiàn)出來。

3.2 開設操作培訓班,并增加實驗操作的考核

在教學實踐中,盡管教師反復強調(diào)和演示各種儀器設備的使用規(guī)范,結(jié)果卻不盡如人意。究其原因,除了授課時這部分學生注意力不集中,也反映出我們的實驗操作訓練未能落實到每個學生。盡管啟動了卓越人才培育計劃,但最終只有不到半數(shù)的學生進入課題組進行日?？蒲杏柧?未能進入課題組的學生得不到充分的鍛煉。這部分學生在日常實驗教學中也表現(xiàn)不積極,經(jīng)常出現(xiàn)“不聽”“不動”或者“亂動”的現(xiàn)象。在實驗課前1-2周,教師為部分未進入培育計劃的學生單獨開設操作培訓班,對離心機、酶標儀、核酸測定儀,化學發(fā)光/紫外成像儀、移液器等重要儀器的使用進行系統(tǒng)培訓,落實到每一位學生。特別是微量移液器的正確使用,對于實驗結(jié)果的準確性至關(guān)重要,如此可極大提升實驗教學效率。

教師增加實驗操作的考核。以往的實驗教學中主要以實驗報告作為本課程的成績依據(jù),教學改革后增加實驗操作的考核,包括單克隆接種、擴大培養(yǎng)、質(zhì)粒的提取、PCR體系的配制、瓊脂糖凝膠電泳、PAGE電泳、WB檢測、移液器的使用、離心機的使用、親和層析純化操作等。實驗操作的考核是為了在實驗教學中加強對學生的綜合能力培養(yǎng),使他們逐步養(yǎng)成良好的實驗習慣和掌握微生物學實驗操作扎實的基本功。課堂上,教師詳細講解實驗操作過程及注意事項并進行示范操作,然后學生按照教師的示范獨立完成實驗任務,教師則不斷地巡回指導,解答學生操作中遇到的各種問題,并根據(jù)學生的實驗習慣和操作熟練程度給出打分[4]。

3.3 重視實驗記錄

教師在實驗教學中鼓勵學生重視實驗記錄。實驗記錄是對具有科研性質(zhì)的實驗操作和原始實驗數(shù)據(jù)進行真實描述和記載,越詳細越好。實驗記錄不是對實驗流程的簡單抄寫,而是將實際操作過程中每種試劑的實際加樣量、實驗樣品的濃度及純度、工程菌的擴增時間、原始實驗數(shù)據(jù)以及實驗現(xiàn)象的描述等全部加以記錄和描述。

詳細記錄實驗操作的過程可加深對課程內(nèi)容的理解,這也是科研工作者的重要工作之一。詳細準確的實驗記錄可為科研活動提供正確的思考方向,是正確分析實驗結(jié)果的依據(jù),也是進一步提出改進措施的依據(jù)。對于本科生來講,規(guī)范的實驗記錄可提高其科研素養(yǎng),在教學科研活動中少走彎路。教師也可通過查看學生的實驗記錄給出正確的意見和指導。因此,在實驗教學改革中,將學生的實驗記錄作為實驗課考核的內(nèi)容之一,對于加強學生對實驗結(jié)果的分析能力,訓練學生的邏輯思維和培養(yǎng)良好的科研習慣十分重要。

3.4 實驗報告中提高結(jié)果分析的分值占比

撰寫實驗報告時,教師需強調(diào)對實驗結(jié)果進行深入分析的重要性,讓學生意識到結(jié)果分析甚至比漂亮的實驗結(jié)果更為重要。學生應在充分理解實驗原理的基礎上將影響實驗的因素盡量列出,再根據(jù)自己的實驗記錄對實驗結(jié)果進行科學合理的分析,通過小組討論,或者在教師的指導下對結(jié)果進行深入思考和分析。結(jié)果分析可幫助學生鞏固和加深對課程內(nèi)容的理解。學生需在報告中指出自己在實驗中操作中存在的問題和不足之處、下次實驗時的改進措施,并提出進一步的實驗計劃,只有經(jīng)過充分的思考及分析,才能對所學知識及實驗技能進行進一步的梳理和提升。實驗課成績由實驗操作、實驗記錄、實驗結(jié)果、結(jié)果分析與討論作為本門實驗課程的主要評價指標,分值占比分別為20%、20%、30%、30%。

3.5 鼓勵學生參與教學實驗的準備工作

通常情況下,教學實驗所用的試劑、培養(yǎng)基、菌種、高壓物品等均在課前由實驗教師準備好,學生在課堂實驗中直接使用即可。這種模式的教學盡管加快了教學進度,但學生對于試劑的來源和配制過程不清楚,影響了對整個實驗流程的理解和把控;部分主動參與了實驗準備的學生,可更深刻地理解實驗內(nèi)容,這部分學生甚至可以幫助教師指導其他學生進行實驗。因此,學生全程參與實驗課程的所有環(huán)節(jié),包括目的基因選擇、引物設計、實驗材料的準備和試劑的配制等過程,可極大地提升實驗技能和科研思維。本次教學改革鼓勵甚至要求學生主動參與實驗課前準備,使主動參與式教學模式貫穿整個實驗教學過程。

教學改革必須以學生為中心,以提高學生實驗技能為目的。教師通過教學實踐不斷總結(jié)經(jīng)驗,建立持續(xù)改進的質(zhì)量保障體系。目前為止,生物技術(shù)專業(yè)的基因工程、生物技術(shù)綜合實驗課程已開展了6屆。學生經(jīng)過這兩門專業(yè)課程的訓練,掌握了利用原核和真核兩套表達系統(tǒng)表達、鑒定、純化及檢測目的蛋白活性的技術(shù)。生物技術(shù)專業(yè)的主要核心技術(shù),如:PCR獲取目的基因、大腸桿菌的擴增及保種、質(zhì)粒提取、目的蛋白的誘導、核酸提取、瓊脂糖凝膠電泳、免疫印記雜交、濃縮及純化蛋白、抑菌實驗等均進行了系統(tǒng)的實驗訓練。學生在大三的理論課學習完成之后,及時通過這兩門核心實驗課程的實踐,對所學的理論知識進行鞏固。

我們對教學中存在的問題進行了全面總結(jié),發(fā)現(xiàn)學生對實驗原理的理解不透徹、不能完全獨立地成功完成實驗、不能正確分析實驗結(jié)果、實驗操作不規(guī)范、主動性不足等是目前存在的主要問題。針對這些問題,我們對專業(yè)建立之初建立的被動教學模式提出了改進措施,引導學生自主選擇目的基因、設計引物、主動參與實驗準備、獨立完成整個實驗教學內(nèi)容的教學方式,希望通過不斷改進,培養(yǎng)出更多、更為優(yōu)秀的本科生。