謝 暉， 應瓊瓊， 陳 丹， 曾 琦， 王 旋， 馬玉潔， 梁繼民*

(1.西安電子科技大學 生命科學技術實驗教學示范中心，陜西 西安 710126；2.西安電子科技大學 生命科學技術學院, 陜西 西安 710126；3.西安交通大學 附屬中學，陜西 西安 710043)

多學科交叉下工科院校微生物學實驗教學改革初探

謝 暉1，2， 應瓊瓊3， 陳 丹2， 曾 琦2， 王 旋2， 馬玉潔2， 梁繼民2*

(1.西安電子科技大學 生命科學技術實驗教學示范中心，陜西 西安 710126；2.西安電子科技大學 生命科學技術學院, 陜西 西安 710126；3.西安交通大學 附屬中學，陜西 西安 710043)

微生物學是生物類專業(yè)舉足輕重的基礎學科,而微生物學的實驗方法和技術手段更是微生物學建立和發(fā)展的基礎。生命科學的不斷發(fā)展也離不開微生物學。工科院校微生物學科旨在培養(yǎng)應用型研發(fā)人才,因此必須提高教師自身的實驗素養(yǎng),不斷優(yōu)化實驗內(nèi)容,基于學科交叉將科研課題融入實驗教學中,培養(yǎng)學生的科研思維,為社會打造學科交叉創(chuàng)新型實驗人才。

微生物學實驗；學科交叉；人才培養(yǎng)；科研創(chuàng)新

微生物學作為生命科學領域的重要課程,現(xiàn)已廣泛面向生物專業(yè)本科生開設。21世紀微生物學的發(fā)展進入了一個嶄新的時期,其重要標志之一是隨著人類基因組測序計劃的提前完成,微生物基因組測序、注釋及相應的研究蓬勃發(fā)展,方興未艾[1]。微生物學是一門需要動手操作的實驗性學科,同時承接分子生物學、細胞生物學、基因工程、細胞工程和發(fā)酵工程多門重要課程[2]。如何處理好學科的基礎性、系統(tǒng)性以及先進性的關系并引導學生動手實驗,將會成為工科院校微生物學實驗授課的關鍵因素,也是重點培養(yǎng)工科院校學生理工交叉科研創(chuàng)新思維探究的核心要點。

1 實驗教師整體素質(zhì)的培養(yǎng)

1.1創(chuàng)新型教學團隊的打造

實驗學科的教師自身就是實驗教學最重要的部分之一，不同的老師教授相同的課程效果卻存在很大差異?？梢哉f,實驗教師的素質(zhì)和教學水平直接關系到實驗教學的質(zhì)量。實驗學科不同于一般的授課類學科,它需要充分調(diào)動學生的積極性,讓學生發(fā)揮自我能動性,勤于思考而不只是全盤接受。擯棄“滿堂灌”的教學風格,在實驗步驟和實驗原理方面更應鼓勵學生提出自己的想法和見解。據(jù)此,工科院校微生物學實驗教師更應該引導學生思考。例如,針對無菌操作的要求,怎樣操作才能做到科研級別無菌？聯(lián)系自身激發(fā)學生的思考性。通過舉辦專題講座、專業(yè)組討論、微生物學實驗教學沙龍等形式對實驗課程教師進行培訓、探討和交流,旨在打造一支科研素質(zhì)過硬、實驗操作嫻熟的教師團隊[3]。

1.2課堂內(nèi)容靈活多變

目前，在多學科交叉發(fā)展下，國內(nèi)工科院校已陸續(xù)開設微生物課程，微生物學實驗也同時面向廣大本科生開設。因此,對本科生科研思維的培養(yǎng)也顯得尤為重要。在授課過程中,對實驗原理、實驗步驟的深度解讀和理解是打造科學性思維模式的捷徑[4]。讓學生對分步步驟“知其所以然”,真正理解實驗的本質(zhì)和內(nèi)在要求,學會靈活處理實驗中可能遇到的問題。例如，在微生物培養(yǎng)系列實驗課程教學中，將微生物的結構功能、無菌操作要點、培養(yǎng)原理、技術要點全面整合進行整體性教授，不但極大提升了實驗課容量，同時使學生形成一套邏輯順序完備的微生物培養(yǎng)實驗框架，在實驗過程中明確了每一個環(huán)節(jié)的關系和重要作用。

1.3小組單人實驗模式初探

微生物學實驗保證充分的獨立性也是提高教學質(zhì)量的保證。通過分小組并獨立進行相似或不同的實驗,鼓勵學生自主思考,小型分組模式(3人)能夠保證團隊間的有力協(xié)作,單人實驗保證每位學生都有操作及獲得結果的機會。不同的學生有不同的操作習慣和思考方式[5]。在小組討論交流中,學生之間進行討論,加之老師的指導與講解,能夠將整個實驗體系框架成功在學生腦海里搭建起來。本文作者通過本年度(2016年)試點小組討論單人實驗模式相比較傳統(tǒng)(2015年)微生物實驗教學進行了統(tǒng)計學比較分析(圖 1),發(fā)現(xiàn)比較傳統(tǒng)分組的組內(nèi)結果模式綜合效果尤其是報告優(yōu)秀率全面提升,不合格率為0%,效果明顯；同時通過兩級學生調(diào)查問卷顯示，改革后微生物實驗學生積極性顯著提升。

圖1 微生物學實驗小組模式及傳統(tǒng)實驗模式報告成績對比Fig.1 Comparison of the results of the experimental group and the traditional experimental model

2 實驗課程內(nèi)容的科學取舍

2.1理論聯(lián)系實際,應用不再空談

隨著生物科學的不斷發(fā)展,微生物學科在其原理和方法也有很多新的進展和發(fā)現(xiàn)。因此,將“微生物學實驗”作為一門獨立的課程為本科生開設,并開展了實驗訓練是與生命科學發(fā)展相適應、相接軌的。首先,在實驗內(nèi)容方面,應著重對學生進行微生物學最基本最核心的技能訓練,如無菌操作技術、顯微鏡技術[6-7]。其次,應注意學科的交叉性,在實驗中滲透分子微生物學方面的原理和技巧。如細菌總DNA的提取和鑒定，在注重學科的基礎性、可操作性的前提下突顯其先進性；對一些陳舊且用得較少的實驗予以剔除,如:細胞壁和質(zhì)膜的觀察、細菌菌落制片、暗視野顯微觀察等。與此同時，增加了許多分子水平的實驗技能,如細菌質(zhì)粒DNA的制備、環(huán)境微生物基因組提取分離、食品微生物分子鑒定等[8]。實驗內(nèi)容不斷推陳出新是學習積極性的保障,更是適應學科迅速發(fā)展和教學改革的必然要求。對于不同生命科學技術學院的教學側重點,尤其是針對工科生物專業(yè)學生,微生物實驗教學應涵蓋和傾向于實踐應用方面,包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境以及醫(yī)學等方面的應用,該部分可以綜合性實驗在基礎實驗完成后選擇性開設。

2.2改革基礎教學,體現(xiàn)整體連續(xù)性

微生物實驗教學在注重多方面應用的同時更應偏重于為學生打好基礎及科研思維的綜合訓練。例如:無菌操作技術即是重中之重[9-10]。通過動手操作對實際碰到的問題有了更深刻的認識和理解。此外,結合現(xiàn)階段研究的熱點問題,結合環(huán)境微生物、食品微生物的實際應用使整個實驗連貫有序,也能夠讓學生理解到微生物學實驗的重要性。培養(yǎng)基的制備過程為實驗用品的準備和高壓蒸汽滅菌,分為倒平板和斜面分裝兩種形式。通過無菌技術的示范教學分組操作,對平板劃線和斜面劃線都有了更深刻的認識。培養(yǎng)一段時間后,不同小組菌體的生長情況不同,也為學生自我總結和思考做了鋪墊。最后,通過一些生物培養(yǎng)鑒定實驗為后續(xù)的綜合應用型微生物實驗做準備。

3 工科學生科研探索精神培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實驗課對學生來說,只是“重在參與”,不能充分發(fā)揮主觀能動性。為了保證實驗的成功率,節(jié)約成本和開支,以往很多高校的微生物學實驗從實驗前準備、預實驗甚至到操作都由教師完成,學生只是進行一些非?；A簡單的操作,無法領悟到實驗的關鍵所在。更有學生上完實驗課后,甚至不知道自己剛剛做的是什么實驗,只記得配制了溶液，布置了作業(yè)[11-12]。

在微生物實驗過程中,在特定情況下，一些看似不符合微生物生長繁殖規(guī)律的現(xiàn)象也許是一個潛在的微生物研究創(chuàng)新點，為避免學生沒有做出預期結果卻單純?yōu)榱藢嶒瀳蟾娑瞻釋嶒灲Y論的情況，應鼓勵學生記錄與理論不同的現(xiàn)象或結果,激發(fā)他們的思考熱情。敢于推翻固有的理論和現(xiàn)有的結果,是一位優(yōu)秀科學家所必備的魄力和膽量。

據(jù)調(diào)查,目前我國工科大學生創(chuàng)業(yè)的平均比例是0.3%,這一數(shù)據(jù)在以美國為代表的西方發(fā)達國家約為20%[2,13]。在高等教育日益成熟的今天,通過老師適當?shù)囊龑Ш蛦l(fā),能夠激發(fā)學生的創(chuàng)造力和探索欲。既異想天開,又實事求是,這是科學工作者特有的風格。經(jīng)過實踐性學科的學習,也能讓學生對科學研究有更深的認識,提早培養(yǎng)他們的科研思維以及實際解決問題的能力。此外,還開設了學生自主設計主導的微生物學設計性實驗，以及教師主導的微生物學綜合創(chuàng)新實驗。在學生已經(jīng)具備了一定的基礎性實驗技術和綜合性實驗能力的基礎上,基本可以獨立操作,按照科研工作的思路,由學生設計實驗方案并進行實驗的驗證。大到部分實驗原理小到具體的實驗步驟,全部交由學生自行設計,在此過程中,教師只進行必要的指導和協(xié)助,對關鍵性的問題予以解答。如此,不僅能夠激發(fā)學生的科研興趣,還深刻地教導了他們?nèi)绾魏侠淼卦O計實驗。

4 科研課題融入微生物實驗教學

自2006年起,國家工科大學生創(chuàng)新實驗計劃快速開展,國家大力鼓勵和倡導以本科學生為主體的創(chuàng)新性實驗改革,以調(diào)動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性,并激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識[14-15]。因此,將科研項目融入實驗教學中,能夠使廣大本科生逐漸掌握思考問題、解決問題的方法,提高創(chuàng)新實踐能力。尤其是把實驗同生活中的實際問題相結合的課題,鼓勵學生參與老師的科學研究,提出自己的想法和建議。同時,學生針對興趣選擇課題,鼓勵學生之間相互交流實驗情況,相互學習操作技術。如此,短時間內(nèi)就能擴大工科大學生的知識面,增強學生對微生物學實驗內(nèi)容的感性認識。

我國在微生物學領域還亟待提高,需要源源不斷的優(yōu)秀的生物學子為我國生命科學做出貢獻。因此,作為教育者,更應該成為學子的引路者和奠基者。在本科階段,鼓勵學生參與老師的微生物學相關科研課題研究無疑為以后的深造打下了堅實基礎。如此,不僅能夠發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造性,在科研實踐中也會收獲頗豐。本文作者結合學校生物技術專業(yè)電子信息技術培養(yǎng)方向,結合科研項目在本科生中開展綜合性微生物基因組生物信息學分析實驗,取得了良好的效果(圖2)。

5 改革考核指標的反思與成長

以往的實驗報告千篇一律,甚至沒有做出書中的理論結果依然可以將理論值擺在實驗報告中,沒有及時地對實驗中的問題做出思考與探索。將實驗報告改為以傳統(tǒng)實驗報告與論文的形式共同書寫是微生物實驗課程改革的一個重點[16]。例如，將學生分組,確保每組有結論一致的實驗報告,因并未像傳統(tǒng)實驗教學一樣照書而來,實驗的理論結果學生并不知曉。在這樣的情況下,可以確保實驗結果的真實性,學生可以通過對數(shù)據(jù)的分析和實驗原理的理論認知,來推算應有的結果,既解決了學生互相抄襲的問題,又可以增強他們對實驗原理的深層次認識和感受。以研究論文的格式書寫連貫實驗或設計性實驗的大報告可以培養(yǎng)和提高學生多方面的素質(zhì)。讓本科生提前學習論文的撰寫,學習應有的步驟和格式,能夠為將來的科研之路打好基礎。從分步的實驗原理,到最后的實驗結果與討論反思,每一步都由學生自主完成,整個過程也加深了對實驗的宏觀認識與感悟[17]。

在微生物學教育者不斷改革創(chuàng)新以及學生自身的不斷提升下,應該不斷提高教學質(zhì)量,培養(yǎng)學生綜合能力,以適應農(nóng)業(yè)發(fā)展和社會發(fā)展對人才的需求,讓工科院校學科交叉型微生物學人才在我國生命科學領域做出更多貢獻。

圖2 環(huán)境微生物基因組生物信息學分析實驗節(jié)選Fig.2 Environment analysis experiment with microbial genome bioinformatics

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StudiesinMicrobiologicalExperimentPedagogicalReformunderOverlappingofMultipleBranchesofLearninginCollegesandUniversities

XIE Hui1, 2, YING Qiong-qiong3, CHEN Dan2, ZENG Qi2, WANG Xuan2, MA Yu-jie2, LIANG Ji-min2

(1.Demonst′n.Ctr.ofExperim′t.TeachingforLifeSci.andTech., 2.Coll.ofLifeSci. &Tech.,Xi′anElectronicSci. &Tech.Uni.,Xi′an710126; 3.Affil.HighSchl.,Xi′anJiaotongUni.Xi′an710043)

Microbiology is a basic subject which is of crucial importance in biological specialties. Experimental methods and techniques of microbiology are the elements of the establishment and development of microbiology. The continuous development of life science is inseparable from the progress and important contribution made by microbiology. The colleges and universities of engineering aim to foster research and development personnel′s for application. Therefore, through the improvement of teachers′ experimental qualities, the continuous optimization of the experiment contents and research topics integrated into experimental teaching, to develop students′ scientific thinking in order to build innovative experimental talents for the society.

microbiology experiment; branches overlapping; talent fosterage; science innovation

國家自然科學基金項目(31300268)；西安電子科技大學新實驗教改重點項目(SY1564)

謝暉 男，講師，博士。主要從事分子微生物學及分子影像研究。Tel: 029-81891060，E-mail:hxie@xidian.edu.cn

* 通訊作者。男，教授，博士，博士生導師。主要從事分子影像學研究。Tel: 029-81891060，E-mail: jimleung@mail.xidian.edu.cn

2016-12-12；

2017-02-24

Q93-33

B

1005-7021(2017)04-0133-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.04.020