吳根福, 吳科杰， 高海春

(1.浙江大學 生命科學學院，浙江 杭州 310058;2.北京師范大學 教育學部，北京 100875)

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優(yōu)化設計 整合資源 提高實驗教學質量

吳根福1, 吳科杰2， 高海春1

(1.浙江大學 生命科學學院，浙江 杭州 310058;2.北京師范大學 教育學部，北京 100875)

實驗教學是高等教學體系的重要組成部分，不僅有利于理論知識的鞏固，而且有助于動手能力的鍛煉和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力的培養(yǎng)。在信息化時代背景下，實驗教學應當在傳承傳統(tǒng)模式的基礎上有所創(chuàng)新。通過深化實驗內(nèi)容，將驗證性實驗教學模式與探究性實驗教學模式有機融合；利用網(wǎng)絡視頻，對實驗中的基本操作技能加以規(guī)范；通過創(chuàng)新教學設計，將實驗設置成必做、選做和示范三個模塊，對不同基礎的學生實施因材施教。通過改革，學生的學習興趣和創(chuàng)造力得到了培養(yǎng)，教學效果得以提升。

實驗教學; 微生物學; 基本技能; 網(wǎng)絡視頻; 教學設計

0 引 言

實驗教學和理論教學是高等院校自然科學人才培養(yǎng)的兩個重要方面。自然科學大都是一些實驗性很強的學科，其成果必須通過大量實驗而獲得[1]。因此，大力提倡實驗教育，強調“從做中學”，提高課程的靈活性、情景性、生活性和個性化水平，真正體現(xiàn)出教育的人本主義思想[2]，不僅是拓展學生整體素質的要求，也是創(chuàng)建高水平創(chuàng)新型大學的必由之路[3]。在21世紀信息化時代背景下，在設計型、探究型、開放型實驗樣式逐漸走向流行的今天，高等實驗教學到底該怎么開，該設置哪些實驗內(nèi)容，采用哪種教學方式，選用哪些教學方法，各院校也仁者見仁，智者見智[4]。本文以基礎微生物學實驗為例，總結了浙江大學在微生物學實驗教學改革中的一些做法。作為一門理工農(nóng)醫(yī)類院系生物學相關專業(yè)的專業(yè)基礎課，微生物實驗教學應當注重傳統(tǒng)模式的傳承，并在傳承的基礎上有所創(chuàng)新，因此，課程設計除了應遵循豐富性、回歸性、關聯(lián)性和嚴密性原則[5]外，還應特別注重課程的趣味性和探究性。

1 優(yōu)化課程體系，理順學科脈絡

微生物學課程主要包括微生物的形態(tài)與分類，營養(yǎng)與代謝，生長與遺傳，生態(tài)與免疫等內(nèi)容[6]。傳統(tǒng)上，微生物學實驗多以形態(tài)與分類學內(nèi)容為主，即使一些生理生化實驗牽涉到代謝方面的知識，其實驗目的主要也是為了鑒定菌株[7]。隨著生命科學的發(fā)展，微生物學逐漸與遺傳學、生態(tài)學，特別是與分子生物學相結合，發(fā)展出一系列新的實驗技術，創(chuàng)建出一大批新的實驗手段。即便是菌株鑒定這樣的老實驗，也發(fā)展出了以16S rDNA (真核生物為18S rDNA)序列為表征的分子鑒定手段[6-7]。因此，微生物學實驗內(nèi)容也應與時俱進，進行必要的更新和補充。但是，對綜合性大學來說，這些交叉學科的實驗究竟放在哪個實驗室中進行就成了管理者頭疼的問題。從實驗室的設備配置來看，分子鑒定實驗應歸到分子生物學實驗室中進行，但從實驗的內(nèi)容和性質來看，應在微生物學實驗室中進行。所以，相關課程負責人應協(xié)商一致，通過優(yōu)化課程體系，理順學科脈絡，明確各課程的授業(yè)范圍，使課程既反映時代特點，突出交叉融合之勢，又避免內(nèi)容的重復和設備的浪費。

為此，我們將實驗課程設計成基礎性實驗和綜合創(chuàng)新性實驗兩大類型?；A性實驗是相關專業(yè)的必修內(nèi)容，要求用較少的學時完成最基本的學科技能訓練任務，每一實驗室按40人規(guī)模配備相關設備。如我們把基礎微生物學實驗課程設定為32個學時，要求學生通過11周的訓練掌握微生物的形態(tài)與測量、分離與接種、培養(yǎng)與保藏、分類與鑒定、消毒與滅菌等常規(guī)實驗技能，而把感受態(tài)誘導與制備、質粒提取與轉化、DNA擴增與純化、序列測定及分析等與微生物分子鑒定相關的實驗技能安排在分子生物學基礎實驗中。綜合創(chuàng)新性實驗是專業(yè)課，供微生物專業(yè)(專門化)的同學選修，讓他們在學習了基礎微生物實驗和分子生物學實驗后，進行相關交叉學科的探究，如進行微生物的分子鑒定、不依賴培養(yǎng)的微生物區(qū)系結構分析、致突變物及內(nèi)毒素的檢測等實驗。綜合創(chuàng)新實驗室的設備較齊全，但設備數(shù)量只按小班(10人)規(guī)模配置。

2 深化課程內(nèi)容，融合實驗模式

課程內(nèi)容是根據(jù)課程目標，將選擇的一系列直接經(jīng)驗和間接經(jīng)驗，按照一定的邏輯序列組織編排而成的知識體系[8]。在微生物實驗的課程內(nèi)容選取上，我們在重視傳統(tǒng)驗證性實驗的基礎上，在配合課堂理論教學，循序漸進的前提下，進行了教學內(nèi)容的深化，增加了探究性、綜合性實驗內(nèi)容，并將驗證性實驗作為探究性實驗的對照，從而使驗證性實驗模式與探究性實驗模式得到完美融合。這種模式不僅激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了動手能力，而且養(yǎng)成了學生良好的科研習慣，激發(fā)了創(chuàng)新意識。

細菌的染色和形態(tài)觀察是微生物學實驗中的基礎內(nèi)容，傳統(tǒng)的實驗模式是由教師提供細菌標準菌株，讓同學們?nèi)旧筮M行形態(tài)觀察，是一種典型的驗證性實驗模式[9]；我們對實驗進行了改革，引入了探究性實驗內(nèi)容，要求學生在認識標準菌株形態(tài)的基礎上，自己尋找實驗材料，觀察牙垢、指甲垢或頭皮泥等環(huán)境樣品中的細菌形態(tài)。由于樣品中既含有各種細菌，也含有纖維、塵埃等雜質，用環(huán)境樣品來觀察，不但可鞏固球菌、桿菌和螺旋菌等細菌形態(tài)學知識，還可讓同學們學會區(qū)分微生物與顆粒性雜質的方法，即具有一定形態(tài)并被染上顏色的是細菌，無定型的或染不上顏色的是雜質。同樣，在霉菌形態(tài)觀察時，除了提供青霉和曲霉等標準菌株外，我們還提供一些發(fā)霉的桔子或饅頭作為實驗材料，讓同學們觀察這些自然環(huán)境中生長的霉菌，判別這些污染微生物的大致種類，不但增加了對霉菌形態(tài)的感性認識，而且體會到生活中食品防霉的必要性和微生物接種時無菌操作的重要性。另外，在細菌運動性觀察時，除了要求學生觀察經(jīng)典的枯草桿菌運動外，我們還引導同學們進行酸奶制品中乳酸桿菌和乳酸鏈球菌的運動性觀察，讓他們初步熟悉微生態(tài)制劑這一概念。

培養(yǎng)基的配制、微生物的分離純化、菌種保藏和細菌生理生化實驗是基礎微生物學中必須學習的內(nèi)容[9]。將這些實驗整合在一起，開設了為期5周的大實驗，目的就是探究環(huán)境樣品中細菌、霉菌和放線菌的數(shù)量(活菌計數(shù))，并選取其中的一個細菌分離株進行初步鑒定。在實驗(鑒定)過程中，以大組(10人)為單位，利用標準菌株的驗證性實驗作為陽性或陰性對照，要求同學們根據(jù)形態(tài)和生理生化實驗結果，盡可能將分離株歸類到較小的分類單元。這樣，既對經(jīng)典的驗證性實驗進行了傳承，又對未知菌的形態(tài)和生理生化特性進行了探究。由于實驗材料是學生自己采集的，細菌分離株是自己純化的，不但減少了實驗準備人員的工作量，也增加了學生對實驗的興趣。因為前一次實驗結果會影響到后一次實驗的順利進行，同學們都格外認真細心。

3 改進教學方法，拓展教學手段

現(xiàn)代教育不再是以教師為中心的知識灌輸，而是圍繞學生需要，對學生的思維能力、實驗能力、自學能力和團隊合作能力進行綜合培養(yǎng)[5,10]。所以在實驗教學中應突出學生為主，鼓勵學生質疑“經(jīng)典”，允許他們“設計”實驗，發(fā)展他們的創(chuàng)新心理。但對根據(jù)前人實踐經(jīng)驗總結出來的基本操作規(guī)范，如無菌操作規(guī)范、滅菌規(guī)范等，仍必須嚴格遵守，并反復練習。

行是知之始，知是行之成。實驗的基本技能和技巧，不可能簡單地從教材中的幾幅圖片得以理解和掌握，只能通過不斷的實踐來提高，在這一過程中做到知行結合尤為重要。傳統(tǒng)上，這些技能主要靠教師的示范操作來傳授，由于示范的時間和次數(shù)有限，學生的數(shù)量又比較多，教師不太可能一對一，手把手地對全部學生進行糾錯，教學效果受到一定影響。隨著信息和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，通過規(guī)范的視頻來實現(xiàn)網(wǎng)絡教學已成為可能，同學們不但可通過視頻進行預習，盡早熟悉基本技能操作，提升課堂教學質量，而且可及時改正操作錯誤，規(guī)范操作步驟，提高實驗能力。

對于網(wǎng)絡視頻，我們并不倡導課程的全程錄像，因為觀看全程視頻不僅花費時間，學生也會覺得乏味，不能自始至終集中注意力；我們也不推崇從頭至尾錄制整個實驗過程，雖然這樣確實能大幅提高實驗效率，但也容易使學生過分倚重于視頻，機械地重復操作過程，成為視頻的奴隸，失去許多動腦的機會。我們主張把最基本的實驗技能和技巧做成微視頻，這樣既可使教師根據(jù)臨場狀況合理發(fā)揮，又能使學生對相關操作活學活用。根據(jù)多年的微生物學教學和科研實踐，我們認為微生物學中比較重要的基礎技能主要包括以下10項(見表1)，一些大型實驗實際上就是這些基本實驗技能的綜合和拓展。

4 創(chuàng)新教學設計，提高教學效率

教育不是注滿一桶水，而是點燃一把火，我們要點燃的，正是學生心中對知識的渴求。教學設計是對一門課程的組織形式和組織結構進行擬定，其中心問題是確立課程的范圍、順序[11-12]。因此，在進行教學設計時，以提高學生的學習興趣為出發(fā)點，以提高課堂教學效率為目標，以實施因材施教為努力方向。除了前面已經(jīng)介紹的自主選擇實驗材料，融合驗證性實驗和探究性實驗等設計外，還拓展了課程范圍，選擇許多貼近生活的實驗作為課程內(nèi)容，如牙垢細菌的形態(tài)觀察，活性乳中細菌的運動性觀察，常用消毒劑對微生物生長的抑制作用，甜酒釀發(fā)酵，泡菜制作等。這些實驗的開設，不但增加了學生對該課程的興趣，而且通過“發(fā)現(xiàn)性”學習，讓學生將觀察到的現(xiàn)象重新組織，從而獲得新的領悟[13]。

此外，根據(jù)學生實驗能力有差異這一特點，把實驗內(nèi)容分成必做、選做和示范三塊。對那些基礎好，能力強、速度快的同學，除了必做內(nèi)容外，還要求他們完成選做內(nèi)容；而對實驗技能一般的同學，選做內(nèi)容只要求觀察一下結果就可以(相當于示范)。為此，在實驗內(nèi)容安排上進行了改革，將相關性較高的實驗安排在一起，盡量減少等候時間，充分利用課內(nèi)學時，使學到的知識最大化。如對細菌的染色實驗，我們把單染色、革蘭氏染色、芽孢染色、莢膜染色和鞭毛染色等整合在一起，將單染色和革蘭氏染色設置成必做實驗，將芽孢染色和莢膜染色設置成選做實驗，將鞭毛染色設置成示范實驗，這樣，可以在最短的單位課時內(nèi)獲得最好的教學效果。

表1 微生物學實驗中一些重要的基礎技能

基礎微生物實驗教學的主要目的是使學生掌握實驗的基本技能。因此，實驗教學的內(nèi)容選擇應以操作技能的訓練為出發(fā)點。如微生物的生理生化實驗種類繁多，但作為實驗技能，無非是配培養(yǎng)基、滅菌、接種和觀察[9]，所以在選擇生理生化實驗內(nèi)容時以各種接種技能(如劃線、穿刺等)的練習為導向，同時考慮培養(yǎng)基類別(如斜面、平板、液體試管等)，選擇了淀粉水解試驗(斜面—平板點種)，硫化氫產(chǎn)生實驗(斜面—液體試管接種，加醋酸鉛濾紙條)，石蕊牛奶實驗(斜面—液體試管接種)，明膠液化試驗(斜面—半固體穿刺接種)和檸檬酸鹽利用試驗(斜面—斜面劃線接種)5個實驗內(nèi)容。另外，考慮到目前新建的校園普遍較大，同學們所選課程不一，統(tǒng)一來實驗室觀察結果既不方便，又花費趕路的時間，我們在微生物培養(yǎng)時采用較低溫度，較長時間的培養(yǎng)方式，統(tǒng)一安排在第二周的固定課程時間內(nèi)觀察，必要時培養(yǎng)后由實驗員統(tǒng)一冷藏保存。

5 精編課程教材，豐富教學資源

教材除了紙質課本外，還應包括課程的政策性文件和其他輔助性教學資料，教材應具有靈活性和變通性，以便各校根據(jù)學習情境自行選擇[14]。鑒于目前“寬口徑”培養(yǎng)條件下各課程課時有限這一特征，實驗教材應內(nèi)容精煉，安排合理而緊湊，可將相關性較強的操作安排在同一單位時間內(nèi)進行。這樣，既有利于拓展知識結構，又可使不同基礎的同學在單位課時內(nèi)最大限度地獲得相關知識。教材還應具備較強的可操作性，對實驗的準備和分組安排等給出合理化建議，以便于實驗教師和教輔人員參考[15]。為了提高教學效率，教材還應包括豐富的輔助教學資料，如把實驗中的基本操作技巧和技能拍成視頻，把實驗過程以ppt等形式給以展示，作為電子教材掛于配套的相關網(wǎng)站上，以有利于預習和復習，使同學們在實驗時做到心中有數(shù)，從而最大限度地利用課內(nèi)時間。

6 結 語

實踐證明，這些改革措施對學生學習興趣的提高和實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)很有幫助。通過5年實施，近2 000學生在改革中受益，同學們普遍反映改革使課程安排更緊湊，效率提高，同時也提升了他們的自學和動手操作能力。特別是掛于高等教育出版社網(wǎng)站上的28個實驗技能微視頻，為他們提供了不受時間、地點約束的學習機會，有利于預習和復習，從而使實驗技能得到鞏固和提高。鑒于微生物學是農(nóng)林醫(yī)藥院校和綜合性大學生物相關專業(yè)的必修課程，相信這樣的教學改革經(jīng)驗對兄弟院校也有一定的借鑒作用。

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Improving Experimental Education Quality by Optimizing Experimental Design and Integration of Resources

WUGen-fu1,WUKe-jie2,GAOHai-chun1

(1. College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2. Faculty of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Experimental education is an important part in the higher education system. It is beneficial to consolidate the theoretical knowledge, and aids to train manipulative abilities and cultivate problem-finding and problem-solving abilities. At the information age of nowadays, experimental education should be renovated on the basis of traditional modes. Three innovations are recommended here, those include mixing verification experiment mode with inquiry experiment mode by deepening experiment contents; standardizing the basic experimental skills by viewing web video, and carrying out individualized teaching by modifying education design and setting the experiments into major, selective and demonstration modules. These steps facilitate to cultivate interests of students and develop their creative talents, and therefore would improve the education efficiency.

experimental teaching; microbiology; basic experimental skill; web video; teaching design

2015-09-17

浙江大學國家級微生物學精品課程建設項目(20150602)；浙江大學實驗教學中心探究性實驗項目(2014-02)

吳根福(1965-)，男，浙江余姚人,博士，副教授，主要從事微生物學的教學和研究工作。

Tel.:13282815158;E-mail:wugenfu@zju.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2016)08-0203-04