植物生产类专业微生物实验教学的改革与实践

王中梅 (长江大学农学院,湖北荆州434025)

郭灵芳 (长江大学工程技术学院,湖北荆州434020)

周 燚,张长青,鲁红学,赵明敏,章松柏 (长江大学农学院,湖北荆州434025)

微生物学不仅是生命科学领域中一门重要的基础学科,而且与生产实际密切相关。如可以通过微生物发酵工程进行各种重要产品生产,例如抗生素、疫苗、维生素、氨基酸、酸奶、生物菌肥等等。环境的修复、资源的再生、发酵食品的生产也是通过微生物的作用进行的[1～3]。由此可见,微生物学在生命科学领域中的重要地位。只有具备微生物研究能力的高素质人才,才能适应未来微生物研究乃至生物研究工作[4]。对于植物生产类专业来说也是如此。微生物学是植物生产类专业的一门重要基础课,并为后续的植物病理学、土壤微生物学、土壤学、农业病理学、病虫害防治学等课程的学习奠定基础[5]。微生物学实验课是微生物学教学的重要组成部分,提高微生物学实验课教学质量对加深学生对微生物学理论知识的理解,培养学生的实验技能,提高学生独立操作能力及分析问题和解决问题的能力至关重要[6]。而传统的微生物学实验课多以验证型、演示性和示范性的实验内容为主,只注重教师的主导作用,忽视了学生的主体作用,不利于学生创新意识和创新能力的培养,不符合现代教育的目标[7]。因此,为提高学生的实践能力,笔者所在教学团队结合教学与科研实际,以连续三届植物保护、园艺、农学、农业资源与环境等4个植物生产类专业的学生为实施对象,进行了微生物实验教学的改革与实践,即将设计性实验的思路、方案引入实验过程中,将分散的几个实验整合和优化成一个综合性设计性的实验,构建科学的设计性实验教学体系。这些改革措施激发了学生兴趣,有效地培养了学生的实践能力与创新能力,训练了学生的科研思维。

1 微生物实验教学改革的必要性

培养高素质的微生物学人才,实践是关键环节。微生物学实验不仅要让学生掌握微生物实验技术和方法,更重要的是通过实验训练学生的动手能力,培养设计实验能力和科研意识,使学生具备初步的科研能力。在生命科学急速发展的今天更是如此。而传统的微生物学实验课多以验证型、演示性和示范性的实验内容为主,只注重教师的主导作用,忽视了学生的主体作用,虽然能够加深学生对基础理论的理解、培养学生的动手能力,但由于实验都是按照事先安排的内容与形式进行的,学生没有充分的思考时间,不懂得实验本身的思想内容,无法参与实验的创造性思维过程,盲目性较大,不利于学生创新意识和创新能力的培养,不符合新时代要求学生全面发展的教育目标与理念。如改革以前在传统实验中安排了显微镜油镜的使用和微生物细胞形态观察、细菌的革兰氏染色法、芽孢与荚膜染色法、鞭毛染色法与活菌体运动性的观察、微生物细胞大小和数量的测定、酵母菌形态观察及死活细胞的鉴别、培养基的配制与消毒灭菌、从自然界中分离和纯化微生物以及环境因素对微生物的影响等实验,在开设的这些实验中,它们之间关系较为松散、跨度较大,除了最后2个实验外其他几个实验都是验证性实验。由于实验结果是已知的,学生觉得做实验只是一种形式,很难激发他们的兴趣和热情,更不用说创造性了,也就难以培养学生的动手能力和科研意识。

此外,随着大类培养模式的推广,很多专业课程的学时都有一定程度的压缩,如微生物学实验课时由推广大类培养模式之前的20学时压缩至10学时。如果按照传统的实验体系来做,只能做几个基础实验,如2005级学生的微生物学实验项目 (表1,10学时)。由于这5个实验之间关系较为松散、跨度较大,学生普遍反映实验比较简单,不用思考,没有挑战性,不能充分发挥主动性,无法进行技能的培养。因此,微生物学实验教学改革势在必行。

表1 2005级微生物学课程实验项目

2 微生物实验教学的改革措施

2.1 重编实验指导

根据人才培养计划和教学科研实际,重新确定实验内容。具体要求是:(1)避免与其他课程实验项目重复。如删除了与 《植物学》中显微镜的使用和 《植物病理学》中真菌的分离和形态观察等相重复的实验,这样可以充分利用有限的实验课时;(2)选用科研团队中比较成熟的分离拮抗微生物的技术和思路来设计实验内容;(3)采用科研团队储存的大量拮抗微生物和病原微生物,以保证实验正常进行。然后根据实验内容,在参考通用实验教材的基础上编写实验指导书,把新实验体系中涉及的实验分解成各个独立的实验,然后详细具体的说明其目的、原理、操作步骤和注意事项等,以便学生在进行实验时参考具体的实验步骤,扎实地掌握微生物研究的一整套基础操作技术。在指导书中,详细和重点介绍实验设计的思路和基础,同时增加一些与实验、生产和生活相关的思考题或类似实验设计题,提高学生的兴趣,激发学生思考和探索心理,引导学生自觉自主地去查阅教材以外的一些相关资料,设计一些新的实验方案。

2.2 规范实验过程

在课程理论内容开始授课后就布置实验内容,每人发一本实验指导书和实验教学进度表,要求参照实验指导书和实验教学进度表进行预习,等到理论课教学进行到一定程度后开始实验。实验过程中将自己分离得到的菌株与对照菌株 (枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等)进行比较,描述菌株的特征特性,对其染色、观察形态,进行部分生理性状以及拮抗能力测定等,对实验中出现的问题引导学生通过查阅资料讨论解决。实验结束后,要求学生按照连续实验的方式撰写实验论文和按照实验报告的形式分析每个小实验的原理、操作过程和实验结果,这样既能有效掌握和总结每个知识点,又能感受科研的连续性和锻炼科技论文的撰写能力。对分离得到的优良菌种先进行保藏,随后可以通过开放性实验、大学生科技创新项目、研究性项目等方式对优良菌种进行功能性测定和开发。

2.3 加强实验考核

以往微生物实验课程的考核一般以学生平时的出勤率以及实验报告的完成情况来打分,但是有一些学生不认真完成实验,为了应付考核,有抄袭他人实验报告的情况。因此这样的考核方式并不能完全真实反映学生的实验课情况以及实验实际动手能力。而出勤率只能证明学生人在实验室,并不能反映其动手操作以及是否用心等情况。因此,改革后教师在实验课开始之前就向学生宣布课程的考核方式,把实验及相关内容列入课程考试重点。具体做法如下:(1)实验报告质量和实验过程表现占课程成绩的20%,实验报告质量着重考察学生的实验结果和分析结果的能力,实验过程表现着重考察学生实验过程的操作正确与否;(2)在课程考试试卷中新增实验综合题,即将整个设计性实验综合成一个实验综合题。在该实验综合题中,既考核学生对实验操作和实验思路的掌握程度,又考核学生对实验所涉及的基础知识的理解,也就是把理论和实践结合起来考核。考核方式改革的结果表明,教学方法和手段上实施改革不仅扭转了学生轻视实验课程的现象,而且使学生更好地掌握了微生物实验的操作技能,加深了对微生物知识的理解。

3 微生物实验教学改革的实践

综合性设计性实验的开设是如今高校实验改革的趋势,它有效克服了上述弊端,把自主权交给了学生,给学生充分的思维空间和实验设计的自主性,有效提高学生综合运用理论知识和实验技能分析和解决实际问题的能力,培养学生的创新意识、创新能力和科研思维方式[8,9]。基于此,教学团队结合教学和科研实际,从2006级开始,按微生物学研究工作的基本程序将各个实验项目进行了有机组合,使每一个实验项目前后衔接,使实验内容组成互相联系的综合体系 (表2,10学时),这个体系具有以下特点。

表2 改革后的微生物学实验项目

3.1 结合科学研究,引入设计性实验思维

《微生物学》课程的教学团队同时也是一个科研团队,科研团队研究的重点放在魔芋育种和病害生物防治上。经过几年的艰辛摸索,科研团队在魔芋病害生物防治方面取得了突出的成绩,找到了打破种植魔芋 “瓶颈”的突破口,得到湖北省重点攻关招标课题、省自然科学基金、省教育厅重大项目、长江大学重点项目和校级基金项目等多个基金项目支撑与基金资助,已经有多种生防菌剂投入应用,取得了良好的市场效应。教学团队在理论课讲授时,也向学生详细介绍了团队的科研项目和研究重点。学生对这个科研团队既熟悉又陌生,熟悉的是该团队的科研成绩,陌生的是 “具体在做什么”,后者是学生特别感兴趣的。因此,在遵循实验教学大纲的要求下,实验的具体内容参照了魔芋研究过程中的一部分基础内容,重点放在筛选能够在魔芋体内生存的拮抗微生物方面,引入设计性实验思维,将5个实验设计成一个大的综合性实验,前后实验连贯,即前一个实验的结果直接关系到后一个实验能否进行。这样既具有挑战性,又让学生在提高微生物学实验基本操作技能的基础上理解了科学实验的设计性思维。

3.2 结合教学实际,有机组合实验内容

《微生物学》是农学种植类专业本科生的专业基础课,主要内容包括:微生物形态结构及其生命活动;微生物的营养、代谢及其生长繁殖;微生物的多样性及其在自然界物质转化过程中的作用;微生物与农业生产的关系;微生物与高等植物的相互关系和微生物与农业生态的基本原理及其研究的基本方法。实验教学是 《微生物学》教学的关键环节,通过实验教学,使学生掌握研究与应用微生物的主要方法与技术,将书本知识用于实践,在实践中更深地理解书本知识,培养学生在实践中综合应用所学知识去发现问题、分析问题和解决问题的能力,增强创新意识,提高创新能力。这是一个较高的要求,在20学时的条件下,按照通用实验教材中的实验项目进行可以达到实验要求,但在课时压缩至10学时的情况下,按通用实验教材则无法达到要求,如2005级学生种植类专业 《微生物学》课程学时压缩后,选择通用实验教材的几个实验项目进行,实验跨度较大,缺乏联系,没有挑战性,不能激发学生兴趣,同时也没能达到实验教学大纲的要求。针对这种情况,从2006级开始,根据教学和科研实际,在有限的课时下,引入设计性思维,将所有实验连贯成一个有机的大实验,实验先从 “魔芋精粉培养基的制备及培养基和器皿的灭菌”开始,接着利用已配制的培养基进行 “魔芋精粉中微生物的分离和菌落形态观察”,对分离到的目标微生物进行 “微生物的接种技术”、“大分子物质 (葡甘聚糖)的微生物降解实验和细菌的革兰氏染色”、以及 “微生物 (细菌与细菌)之间的拮抗实验”、“微生物 (细菌与真菌)之间的拮抗实验”、“拮抗微生物的发酵实验”、“拮抗微生物的植物病害防治实验”等,8个实验项目包括了微生物的形态结构、微生物代谢、微生物的营养与生长、微生物的分类鉴定、微生物之间的关系、微生物的发酵培养、微生物的应用等相关内容,与微生物理论教学相辅相成,形成了一个进行微生物学科学研究工作基本体系。经过2年的实践,学生普遍反应较好。这样不仅锻炼了学生的微生物实验技能,而且还训练了其设计性实验思维。

3.3 结合专业实际,实验内容侧重农业

针对授课对象是种植类专业,教学团队在理论课和实验课教学内容上进行了调整,都侧重于介绍农业微生物方面内容。理论课教材选用华中农业大学相关专家主编的教材,该教材很多方面以农业微生物为重点。在实验内容选择上,为了让学生了解微生物与农业的关系 (有害和有益),实验材料选用魔芋软腐病菌、茄子枯萎病菌、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌,设计实验以拮抗微生物枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌作为对照,让学生寻找拮抗魔芋软腐病菌或茄子枯萎病菌的拮抗微生物。这样通过实验,不仅让学生掌握了微生物之间的关系 (拮抗作用),而且理解了生物防治的原理。

3.4 建立开放实验室,实行开放式实验教学

为适应大类培养教学模式的要求,后续课程必须适当压缩学时和提高教学效率,但这势必影响学生在有限的课堂时间内进行更深入的专业知识的学习。为此,教学团队申请了一定的经费,根据需要安排一段比较集中的时间 (周末或平时空闲时间)将实验室予以开放,实行开放式实验教学,为系列实验的开展提供了保证。学生即使课堂实验失败了,也可以课后再补做;对 《微生物学》非常感兴趣的同学在做完必修实验后,可以申请表2中的选修实验项目,利用周末或平时空闲时间进行。这样,学生在规定时间内不能完成或者需要重新再验证的实验可以在周末或平时空闲时间去完成,因此有足够的时间理解实验方案、研究实验现象、分析实验结果,让他们感受科研实验有得有失,有苦有甜的体验。开放式实验教学改革弥补了微生物课时压缩的一些不足,还极大地激发了学生的学习积极性和求知欲望,真正让实验室成为科研型人才的培养基地。

4 结束语

在生命科学研究中,微生物是重要的研究对象和研究工具。微生物学实验作为一门实验技术在微生物学学科发展中更具有举足轻重的作用[7]。作为高校教育工作者,只有顺应时代要求,不断改革创新,才能造就适应21世纪需要的新型人才。因此,教学团队在 《微生物学》实验课时被压缩的情况下,结合科研与教学实际,对微生物实验进行改革,通过调整实验内容和设计思路、编写配套实验教材、规范实验过程等,将多个实验设计成一个综合性、设计性实验,从而激发了学生浓厚的学习兴趣,启迪学生融会贯通地应用微生物学知识去分析解决一些实际问题,并能使学生通过查阅资料解决某一微生物学具体课题的相关问题,从而逐渐培养其勇于探索的创新精神和认真严谨的科学作风。

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