生物技术专业综合性和设计性实验教学改革与实践

钱 洁, 房健民, 陈志宏

(同济大学 生命科学与技术学院，上海 200092)

0 引 言

新世纪以来，生物技术成为许多国家科研开发和资金投入的战略重点和国际科技竞争的重点之一，生物产业正在成为全球新的经济增长点。《国家中长期生物技术人才发展规划(2010—2020年)》指出：在我国加快调整经济结构、转变经济发展方式的进程中，发展生物技术及推动战略性新兴产业，迫切需要培育创新型生物技术人才，迫切需要建立具有较强国际竞争力的生物技术人才队伍。

自2006～2011年，我院参照国家规范设置生物技术专业课程，增加了实验总学时并提高独立设课实验课程比例。按照知识单元(课程群)统一开设实验课，更加注重知识单元中各门实验课程之间的衔接和综合性技能培养，大幅增加综合性和设计性实验的比重(见表1)，全面推进综合性、设计性实验的教学改革，切实提高学生的综合素质及创新能力[1-2]。改变以往以验证性实验占主导的局面，形成基础性实验、综合性、设计性实验约为1∶1∶1的分层次实验教学体系。2011年培养计划中综合性实验学时为212，比2006年增加1倍多，设计性实验学时为204，比2006年增加10倍多。

表1 2006～2011年生物技术专业实验学时一览表

作为首批“国家生命科学与技术人才培养基地”，我院在生物技术本科实验教学中以社会需求为导向，加强实验课程体系建设，深入研究综合性、设计性实验教学的设计原则、案例来源、教学方法和考核体系，充分发挥实验教学在人才培养过程中的重要作用[3]。我们作如下介绍。

1 生物技术专业综合性实验的教学改革

综合性实验是分层次实验教学体系的重要组成，介于培养基本实验技能的验证性实验与培养创新实践能力的设计性实验之间，其最大的特点是将多种基础知识和基本实验技能有机地结合[4]，用于培养学生综合应用能力[5-6]。实验内容涉及知识单元(课程群)多门相关课程知识点，具有实验内容综合、实验方法综合和实验手段综合的内涵[7]。以“单克隆抗体制备”实验项目为例。

1.1 设计原则

(1) 综合性。综合性是实验案例设计的首要原则。“单克隆抗体制备”实验中学生需要综合细胞生物学、细胞工程学、免疫学等多门专业课的理论知识。在掌握动物细胞原代培养和肿瘤细胞传代培养、细胞融合、抗体检测等基本实验技能的前提下，完成实验动物免疫、细胞融合、杂交瘤筛选、抗体检测、克隆化培养等一系列大实验。

(2) 实用性。案例要具有实用价值。“单克隆抗体制备”实验的内容采用了代表当前主流的一项生物技术，该项技术是目前抗体药物研发、生物检测以及蛋白质功能研究的常用技术，实用性极强。掌握该项技术不仅有利于提高学生的就业能力，也为其今后的科研工作打下坚实基础。

(3) 趣味性。兴趣是最好的老师。“单克隆抗体制备”技术于1984年获得诺贝尔奖，选择该项技术作为实验内容充分调动了学生的兴趣，学生在实验中积极性非常高。

(4) 可扩展性。综合性实验案例设计要具有可扩展性，可根据学科建设、专业发展、学生能力培养的需要以及实验室建设的发展进一步扩展和优化。“单克隆抗体制备”实验可以与上游与分子生物学实验衔接，让学生从目的基因克隆开始，经过融合蛋白表达与纯化，再进行动物免疫，是一项可持续发展的实验项目。

1.2 案例来源

在案例的设计和选择上既要体现综合性、能够培养学生的创新意识和实践能力、提高学生的综合素质，同时也要考虑到实验的课时安排和难度控制。

(1) 优质科研成果转化。学院承担大量的科研项目，可以将其中某些项目进行简化、修改、转化成本科生综合性实验案例[8]。“单克隆抗体制备”实验即为依托同济大学苏州研究院的技术优势而开出的高水平实验，实现了教学与科研实践“无缝对接”，保证学生学以致用。科研与教学的良性互动，对提高实验教学水平发挥了重要作用。

(2) 选择有关科技论文的内容。科技论文通常是对本专业内最新的前沿科技的介绍、论述和总结。根据实验室的条件，选择其中合适的内容进行改进，丰富了生物技术专业综合性实验的案例内容。

(3) 对部分基础性实验内容进行优化和重组。充分利用现有的实验资源，对实验内容和方案进行优化、重组，从而设计出符合当前教学要求的综合性实验。

1.3 教学方法

采用了分层次的教学方法。针对实验项目中基本实验技能培训时，教师要手把手教，力求学生熟练掌握细胞培养的实验技术，帮助学生牢固树立无菌操作的概念，确保细胞不污染，能顺利进行后续实验。而在综合实验阶段，为提高学生分析问题和解决问题的能力，采用提高性的实验教学方法，要求学生根据实验指导书独立进行实验操作，教师分阶段进行点评和指导。

1.4 考核体系

设计多个指标对实验进行综合考核。实验考核内容主要包括实验素养、书写实验报告水平、实验动手能力、综合分析和解决问题的能力以及实验理论知识考核等5方面。由于“单克隆抗体制备”综合实验持续时间比较长，除了结果考核，更加强实验过程考核，其中实验素养包括实验过程中的按时出勤、按时记录、实验室环境维护等考核内容；实验报告主要包括是否按时提交、如实记录、合理分析等考核内容。从学生对实验的重视程度、独立完成研究报告、独立操作仪器设备、科学分析实验结果等方面综合考察学生的实验技能和实验素质，培养学生实事求是的科学态度。

1.5 实验教学改革效果测评

每学期实验课程开设过程中会编制“细胞工程“实验调查问卷，及时了解学生对所开设实验的意见和建议，以利今后改进。在设计调查问卷选项前召开部分学生座谈会，收集学生最关心的问题，作为选项。通过分析调查问卷，可以了解综合性实验的开设是否达到了设计的目的。是否对学生的能力培养、综合素质提高有帮助。从问卷调查结果来看，学生对综合性实验给予了充分的肯定，认为“单克隆抗体制备”实验内容新颖、有趣，体现了实验技术的多样性和先进性；实验技能、科研素养、知识储备、交流合作、分析问题解决问题等方面有所提高；也反映出由于实验周期比较长，信心不够等问题。提示教师在实验初期应多鼓励学生，树立信心。该实验是同济大学精品实验建设项目。目前，与实验配套的教材即将在正式出版发行。

2 生物技术专业设计性实验的教学改革

设计性实验位于三层次实验教学体系的顶层，建立在验证性实验和综合性实验基础上，要求学生在教师的指导下，根据给定的实验目的，自主设计实验方案[9]、选择实验方法和实验器材、拟定实验操作程序，自主进行实验操作并对实验结果进行分析处理，完成实验项目研究。设计性实验是在发现问题和解决问题的过程中培养学生科研能力和创新精神的实验教学活动[1]。以“细胞凋亡诱导与检测”实验项目为例。

2.1 设计原则

设计性实验具有研究性学习的属性，是调动学生学习主动性、培养创新精神的重要手段[10]。

(1) 研究性。设计性实验教学中，坚持教学与研究相统一的教学理念。“细胞凋亡诱导与检测”校级精品实验项目就是把科学研究融入本科实验教学的例子。围绕细胞凋亡诱导热点问题，组织学生在查阅文献的基础上，自主设计实验方案，选择感兴趣的方法或药物诱导肿瘤细胞发生凋亡，然后综合运用多种实验方法进行细胞凋亡的形态学或生化特征检测，实验完成后撰写研究小论文。设计性实验没有现成的实验步骤，实验教学的过程不再是简单的“按方抓药”[11]。通过设计性实验训练，学生可以接触到科技前沿，从中学到科学研究的方法，而且师生共同参与知识发现的过程，有利于激发学生学习的积极性，从而使实验教学环节真正成为培养学生实践能力和创新思维的重要途径[12]。

(2) 整合性。在设计性实验项目设置中重视学科交叉与融合，对一些专业基础和专业课知识点进行整合。实验教学从一个科学问题出发，将实验内容根据研究对象统一和集中，突出实验教学的系统性[13]。“细胞凋亡诱导与检测”实验教学以研究小组为组织形式，重视学生之间以及师生之间的相互配合和思维碰撞。学生不仅可研究不同药物对肿瘤细胞增殖的抑制效果，也可用细胞生物学实验方法观察凋亡细胞的形态学特征，还可利用分子生物学手段研究特定凋亡相关基因的表达。在实验教学体系中，注意理论、技术与思维的结合；在实验内容设计上，加强先进科研手段与经典实验内容的联系和多种实验技能的综合应用，从而为学生提供一种整合的、相互关联的知识体系。

(3) 开放性。传统实验教学内容和方法过于单一的特点[14]已经不能完全满足社会对生物技术人才的需求。设计性实验教学中坚持以提高学生的综合素质为目标，坚持以学生为主体的教学理念，在实验教学内容、实验过程、实验室管理、实验成绩评定方式上实现全方位的开放[15]。“细胞凋亡诱导与检测”设计性实验在小学期集中开设，在为期1周时间里为学生自主学习、自主研究提供开放的实验室空间。学生可根据师生互动确定的实验方案，系统组合实验仪器、合理安排实验进度，独立完成实验。让学生自主选择教学内容，主动解决在探索过程中出现的问题从而获取知识、发展技能、培养能力，特别是创新能力。通过建设本科生开放实验室和开放管理机制，保证实验过程的开放。

2.2 案例来源

(1) 科研与教学结合。抗肿瘤药物的研究是当前热点之一，是教师科研部分内容，而细胞凋亡的形态学检测是细胞生物学的经典实验项目。“细胞凋亡诱导与检测”设计性实验是二者结合并精心设计的产物。

(2) 选择有关科技论文的内容。科技论文通常是对本专业内最新的前沿科技的介绍、论述和总结，可以根据实验室的条件，选择其中合适的内容进行改进，作为生物技术专业设计性实验案例，选题时需要教师把握实验难度和实验学时。

2.3 教学方法

在生物技术专业本科实验教学中开创以“模拟科研任务”为情景的实验教学方法，使得学生在学习基本操作技能的前提下，科研的思维和系统组合各种实验技术来实现科研目标的能力得到培养。在“细胞凋亡诱导与检测”设计性实验中，通过研究药物的抗肿瘤作用，学生不仅学习到比较系统的细胞凋亡的形态学和生化、分子生物学检测的实验操作技能，还系统掌握了药物诱导细胞凋亡研究的常规思路和方法，尤其是通过实验，学生模拟了一次相对完整的科学研究的过程，培养其科研素质。教师在设计性实验中“放手但不放任”，除提供详实的书面实验指导外，还精心拍摄制作了关键实验步骤的教学录像(《细胞生物学实验》，已由高等教育出版社出版)，为学生自主学习提供素材。

2.4 考核体系

设计性实验的教学目的在于培养学生的综合素质，因此仅以实验结果和实验报告来评定学生的实验成绩已不能顺应时代发展的要求。设计性实验考核评价体系针对实验过程中实验方案设计、实验进度、实验完成质量、科技论文撰写等诸多方面进行综合考评。考核的内容侧重于对实验过程的考察和对学生能力的评定。

2.5 实验教学改革效果

自2006年开设“细胞凋亡诱导与检测”设计性实验以来，已取得了大量的教学成果，其中包括学生论文集；建设2项校级精品实验项目；参编出版实验教材1部；发表教学改革论文3篇。2008年本实验被评为首批校级精品实验项目。

3 结 语

我院生物技术专业自2002年招生以来已培养7届本科毕业生。综合分析历年本科毕业生的成长出路发现，升学和出国的人数占总人数的65%，就业人数占总人数的32%，其中2010～2012年的就业率均达100%。连续3年100%的就业率显示了我院培养的生物技术专业本科生在社会上具有较强的竞争力和美誉度，毕业学生的专业水平能够满足用人单位的基本需求，可作为生物技术产业发展的中坚力量。

3年来，随着教学改革的不断推进，我院在生物技术专业高端人才的培养和输送中也取得了可喜的成绩。除了每年近50%学生免试读研外，有越来越多的学生经过专业知识和实验技能层层选拔进入包括清华、北大、中科院和国际一流大学进行深造，成为生物技术高端人才的后备力量。例如，2005级本科毕业生中有18%的学生进入国内外一流大学，到2007级本科毕业生中有33%进入国内外一流大学读研。

通过跟踪调查和分析生物技术专业本科生毕业后的发展方向，结果显示加强综合性、设计性实验的教学改革，适应生物技术产业快速发展的需求，对培养未来有望成为国际生物技术研究领域领军人物的后备人才具有积极作用。

[1] 刘万宏，姚 波. 生物化学设计性实验教学实践与效果评价[J].安徽农业科学,2012,40(1):533-534.

LIU Wan-hong, YAO Bo. Teaching practice and teaching effect assessment in biochemistry designed experiment[J]. Journal of Anhui Agri Sci, 2012,40(1):533-534.

[2] 郁 达，卢祥云，吴金男，等. 加强综合性和设计性实验 培养学生创新能力-生物科学(师范)专业实验课程体系改革与实践[J].实验室研究与探索,2002,21(1):15-17.

YU Da, LU Xiang-yun, WU Jin-nan,etal. Strenthening the comprehentive and design experiments and cultivating students’ creative ability-practice of the experiment curriculum of biology science[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2002,21(1):15-17.

[3] 黄大明，秦钢年，杨春兰，等. 提高实验教学人才培养功能 适应创新人才培养[J].实验室研究与探索，2011,30(6):126-129.

HUANG Da-ming, QIN Gang-nian, YANG Chu-lan. Improving the functions of experimental teaching to accommodate the requirement of innovation talents training[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(6):126-129.

[4] 王少刚，刘仁培，封小松. 开发综合性实验 培养创新能力[J].实验室研究与探索，2009,28(9):117-120.

WANG Shao-gang, LIU Ren-pei, FENG Xiao-song. Developing comprehensive experiment to cultivate innovation ability[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2009,28(9):117-120.

[5] 吴开新，朱承志，钟义长. 综合性实验的综合原则[J].实验室研究与探索，2007,26(6):89-91.

WU Kai-xin, ZHU Cheng-zhi, ZHONG Yi-chang. Synthesizing principIes of comprehensive experiments[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2007,26(6):89-91.

[6] 邢红宏，梁承红，张纪磊. 充分利用综合性实验培养学生的综合素质[J].实验室研究与探索,2013,32(2):165-167.

XING Hong-hong, LIANG Cheng-hong, ZHANG Ji-lei. Development of studengts’ comprehensive quality using comprehensive experiments[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2013,32(2):165-167.

[7] 沈忠悦，商亮节，潘小青，等．精心设计综合性实验 培养学生的创新能力[J]. 实验室研究与探索，2012,31(5):92-94.

SHEN Zhong-yue, SHANG Liang-jie, PAN Xiao-qing,etal. Cultivating students’ innovative ability by comprehensive designative experiments —a case study of crystallography and mineralogy[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(5): 92-94.

[8] 谭羽非，姜宝成，赵金辉. 科研与教学结合 构建“菜单式”实践教学立体训练体系[J].继续教育研究，2010(9):162-163.

TAN Yu-fei, JIANG Bao-cheng, ZHAO Jin-hui. Combining research and teaching building ‘menu-style’ practice teaching three-dimensional training system[J]. Continue Education Research, 2010(9):162-163.

[9] 王 虹，李 莺，冯 航，等. 遗传学综合实验的教学改革实践[J].生物学杂志,2009,26(4):89-92.

WANG Hong, LI Ying, FENG Hang,etal. Practice teaching reform of integrated genetics experiment[J]. Journal of Biology, 2009,26(4):89-92.

[10] 付彩霞. 开设医用化学设计性实验 培养学生的综合能力[J].实验室科学,2010,13(4):4-5.

FU Cai-xia. The traning of student’s comprehensive ability by opening the medical chemistry designing experiment[J]. Laboratory Science, 2010,13(4):4-5.

[11] 张跃华，李佳琳，牛佳田，等. 生化实验教学中应注重学生能力的培养[J].生物学杂志,2007,24(3):73-74.

ZHANG Yue-hua, LI Jia-lin, NIU Jia-tian,etal. Biochemical experiments teaching should focus on students’ abilities[J]. Journal of Biology, 2007, 24(3):73-74.

[12] 钱 洁，石嘉豪，费 俭. 模拟科研情境开展研究型实验教学[J].实验室研究与探索，2010，29(1):132-134.

QIAN Jie, SHI Jia-hao, Fei Jian. Investigation of research-oriented experimental teaching under a simulated researching environment[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(1): 132-134.

[13] 马金柱，王彦杰，王兆艳. 高校生物类实验教学的思考[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2013(7):25-26.

MA Jin-zhu, WANG Yan-jie, WANG Zhao-yan. Biological experimental teaching at university[J]. Heilongjiang Education(Higher Educational Research and Evalution), 2013(7):25-26.

[14] 张海芳.新课程理念下化学实验教学内容和方式的选择[J].实验教学与仪器,2004(9):12-13.

ZHANG Hai-fang. New curriculum chemistry experiment teaching content and mode selection[J]. Experiment Teaching and Apparatus, 2004(9):12-13.

[15] 徐 宁，牟建明. 实验室全方位开放形式的探讨[J].实验技术与管理2007,24(12):159-160.

XU Ning, MOU Jian-ming. Discussion on the opening form of laboratories in all aspects[J]. Experimental Technology and Management, 2007,24(12):159-160.