基础生物技术大实验教学体系的整合与创新*

◆彭燕飞 韩宝芹 姜明

作者：彭燕飞，通讯作者，中国海洋大学海洋生命学院副教授，理学博士，主要研究方向为糖复合物构效；韩宝芹，中国海洋大学海洋生命学院教授，主要研究方向为生物医用材料；姜明，中国海洋大学海洋生命学院高级工程师，主要研究方向为组织与细胞超微结构（266003）。

培养创新人才是高等教育面临的具有划时代意义的主题，目前国外研究型大学都不同程度地整合教育资源，建构以研究为本的教育理念和教育模式[1]。基础生物技术大实验是一门面向生物科学专业高年级学生的必修课程。该课程以教授生物学基础实验技术为主，介绍生物体在形态学和功能方面的基础研究方法，并为在显微镜下有效地观察生物体提供适当的标本。通过本课程的学习，学生能以显微镜为主要研究工具，在细胞和亚细胞水平上研究生物的形态、结构、功能并加以讨论分析。由于课程实用性强，实验内容设置新颖，实验题材广泛，动手机会多，一直以来学生学习兴趣非常浓厚。

近年来新的教学计划使本课程的实验课时严重压缩，尤其是在生命科学研究技术迅猛发展、对生命科学研究创新型人才迫切需求等时代背景下，课程的实验教学也面临一些问题及挑战[2-3]。

1）实验内容不能完全适应学科发展。传统的实验教学内容主要围绕“动植物组织器官石蜡切片的制作与观察”这一基础性实验展开，内容相对贫乏简单，缺乏与本学科发展前沿的联系与融合，研究创新性不强。

2）教学模式单一。传统实验教学中，由于实验人数、实验场地、实验室安全管理等因素的限制，相对固定了每次课的实验内容。

3）“灌输”式的教学方法。为使学生扎实掌握切片制作的相关操作，传统的实验教学方法基本上以灌输为主，教师上实验课时会对实验内容进行详细讲解、示范操作，学生因此会习惯性地按照教师的讲解，遵循实验指导书设计好的步骤简单重复。

4）考核制度不完善。仅仅根据实验报告来评定实验成绩，不能体现实验中的其他几个阶段，如实验预习与准备、实验过程、科学素养等方面的考核。

面对这些问题，指导教师在课程的实验教学中，积极转变观念、改革创新，在课程教学内容的整合与优化、新型教育教学方法和模式的摸索、科学考核体系的建立等方面进行了研究，以期为研究型和创新型人才培养提供必要条件。

1 综合创新教学内容

着眼于学科发展实时更新 在保留经典实验的基础上，增加具有时代性和实用性的实验内容。石蜡切片制作已有100多年的发展历史，技术非常成熟，但由于其制作周期长、步骤繁琐、影响因素多，初学者很难掌握。因此，很多学生怀疑：现在的大学还要学这种古老的技术吗？事实上这种切片制作技术并不过时，它依然是科学界进行生物组织细胞的形态学和组织化学研究的有力工具，也是其他切片技术发展的根基。所以在本实验课程的教学中，保留了这部分实验内容并且要求学生熟练掌握。

其他的切片制作技术如冰冻切片，因其制作简便快捷，对细胞内成分保存好，应用日益广泛；超薄切片是研究生物体超微结构与形态极为重要的媒介。因此在教学内容的设置上，既含有传统的、基础性的石蜡切片制作，同时安排了冰冻切片制作和常规电镜制片的实验。

显微镜的结构与使用部分则重点进行相差和荧光显微镜、基于CCD的数码显微照相的学习，真正体现了课程“基础与先进、经典与现代”的特色。

深入整合实验内容 将实验内容进行重新改造和创新，使“注重素质培养和能力提高”的教学理念切实贯彻到教学过程中去，同时将培养单一技能的验证性实验科学整合为系统化的综合性实验[4]。实验“冰冻切片制作与观察”就不只是简单地了解冰冻切片机的操作与使用，而是综合探讨不同实验条件（如组织冰冻方式、操作温度、切片固定剂、染色等）对组织结构形态以及组织标志物表达的影响，多角度地启发学生学习的意识和兴趣，也使学生能真正地全面地掌握冰冻切片的制作这一技能。

在“荧光显微镜的使用与观察”这一实验中，针对学生的基础与兴趣点，一改以往教师提供玻片、学生镜下观察的模式，延伸为包括细胞培养、细胞爬片制作、相差显微镜观察、吖啶橙染色、荧光显微镜观察及细胞形态分析等内容的综合性实验。这些设计使学生在掌握基本技能的前提下，创新意识和综合实验能力得到锻炼，综合素质得以提高。

开展研究创新型实验 本门课程的授课对象是大学本科高年级学生，他们相对来讲已经有了较好的基础理论知识和基本实验技能的积累，同时学有余力且思维活跃。因此，本课程也鼓励学生选择自己感兴趣的、跟本课程相关的生物学问题进行研究。学生通常以2～3人组成小组，查阅资料、确定研究内容并设计实验方案。教师首先根据学生实际能力、研究内容的现实意义和实验室条件等评价并最终完善设计方案，再在实验过程中引导其正确使用相关实验技术。通过设计性实验，学生不断发现问题和解决问题，锻炼培养自己的创新精神和科研能力。

在“动植物组织器官石蜡切片制作与观察”这一部分，首先启发学生石蜡切片不仅是用来观察组织器官的一般形态，更重要的是借此了解组织细胞的活动规律及其变化过程。很多学生都给出了好的设计，如“阴生植物及阳生植物营养器官结构比较”“不同食性淡水鱼类的肝脏组织结构比较研究”等实验均取得预期实验结果。

经过几年的课程建设，如今这门实验课程已具备了基于生物显微技术较为完备的实验项目设置，具体包括：1）相差显微镜与荧光显微镜的结构与观察（综合性）；2）动植物组织的石蜡切片制作与观察（自主创新设计）；3）冰冻切片的制作与观察（结合实验一自主设计）；4）电镜制片技术（实地观摩）。综合设计性实验项目为提高学生基本实验技能、培养学生科研兴趣和养成良好科研素质提供了宝贵机会。

2 改革实验教学方法和手段

本课程的实验内容在经过上述整合和优化后，传统的灌输式教学方法和以教师为主体的教学模式已不能适应综合性和创新性实验的要求，迫切需要针对实验内容和学生对象实行灵活多样的教学方法。

分层次教学法 根据实验项目的性质确定不同层次的教学方法[5]。本课程主要包含综合性和自主设计性实验，实验目的不同，相应的教学方法也有所不同。综合性实验最大的特点是将多种基础知识和基本实验技能有机结合，具有实验内容综合、实验方法综合和实验手段综合的内涵。因此，实验中当涉及基本实验技能的培训时，指导教师要详细讲解、亲自示范、从旁指导，确保学生准确掌握；而在综合实验阶段，则要求学生独立进行实验操作，教师分阶段进行指导。

设计性实验是根据指定的学习目标，自主设计实验方案，确定具体研究方法，自主进行实验操作，分析讨论实验结果并得出结论。这种以学生为主体的创新实验教学模式，调动了学生的主动性、积极性和创造性，同时培养了学生的团队协作精神。创新设计性实验首先要求教师透彻了解相关学生的知识背景和对实验设计方案中涉及的基本实验技能的掌握程度，以及学生的科研素质等，科学把关，以形成切实可行的具体实验方案，并在实验的各个阶段进行指导，确保实验顺利进行。

比如在“动植物组织器官的石蜡切片制作与观察”的自主设计实验中，为达到预期实验效果，指导教师首先结合实例讲解如何进行实验设计。在学生开展实验前则要培训学生熟练规范掌握石蜡切片制作全过程，并对设计方案中涉及的如试剂配制、实验动物饲养、动物模型建立、实验动物解剖、显微镜使用、显微照相、组织细胞形态分析等其他实验技能进行详细指导，同时就实验记录、实验结果分析与讨论、实验室安全管理等诸多科学素养进行规范和讲解。可以看出，教师对于设计性实验并不是“放手不管”，而是要实时跟进实验的每一阶段。

制作优质多媒体课件 在实验教学中根据实验目的与内容，制作优质的教学课件，有助于严格训练学生的实验操作，培养学生严谨的科学态度。同时课堂教授不应局限于实验内容本身，而是把与实验内容密切相关的知识点串起来传授给学生，使学生建立一种立体的、多维的知识结构，培养他们的发散思维能力[6]。比如在讲授组织固定这一操作时，教师除了演示浸泡固定，通过课件和视频还展示了也较为常用的灌注固定方法；同时介绍不同于动物组织器官，植物组织的固定通常得辅以脱气处理。这样学生所学到的知识不再是孤立的，而是互相联系的。

充分利用视频资源 在实验课的教学中，播放自己制作或通过网络资源获取的相关实验技术的视频资料，非常有利于实现成功实验教学。视频可以充实实验课堂，拓宽学生视野[7]。在实验课上相继播放“石蜡切片制作与观察”“冰冻切片机的使用”“免疫组化染色”“火棉胶切片制作”“荧光显微镜的结构与使用”等视频。其中视频“石蜡切片制作与观察”展示了从动物取材到染色后显微镜观察的切片制作全过程，使学生克服了制作石蜡切片繁琐复杂且容易失败的恐惧心理，同时激发了他们的学习热情。

一些因实验条件限制没能开设的实验，也可以通过播放视频做些弥补。视频“免疫组化染色”就补充了一种与课程实验教学不同的操作方式——漂片法，避免学生形成思维定势。可以看出，规范准确、直观形象的视频资源视频，打破技术、空间、时间上的限制，能很好地调动学生学习的积极性，激发学生的创新思维。

3 建立科学合理的考核方法

实验考核是检验实验教学效果的有效手段，也是促进学生主动学习的一种激励手段，建立科学的实验考核方法至关重要。基于本课程以综合设计性实验为主的特点，建立和实施以基本操作技能和科研创新能力并重的多元实验考核体系，重视对学生实验过程中各个环节的评价以及对学生良好实验素养的考察。

课程考核体系由以下几部分组成。

平时成绩 综合性设计性实验通常以小组形式进行，导致小组内部分学生过分依赖他人的现象频发，教学效果大打折扣。平时成绩主要考查学生的实验出勤、实验预习、课堂纪律、实验室安全及卫生的维护等方面的表现，以客观了解学生对待实验课的态度，同时对于培养学生良好的实验室工作习惯也至关重要。

实验设计报告 综合性设计性实验要求学生围绕实验项目主题提出自己的问题，综合运用已有实验技术，查阅文献资料自主设计实验方案及技术路线，就实验中的难点问题及可能的实验结果进行描述。学生以小组为单位提交含有研究背景及目的、材料方法、实验步骤、实验预期结果、实验难点及其解决办法、参考文献等内容的实验设计报告。教师再对实验设计报告进行评议，并将修改建议反馈给学生以形成切实可行的实验方案。通过实验设计报告的撰写，学生能真正较全面地了解实验中涉及的各项技术，其科学思维得到锻炼。

因此，加入实验设计能力考核，学生主动获取知识的积极性得到提高，学生的综合素质与科研创新能力得以增强。对实验设计报告的评价中最重要的一点就是严禁学生原封不动照抄网络文献资料，要求学生要带着问题查阅相关参考相关文献，逐步形成完整的科研思路。

实验实施过程评价 在综合设计性实验中，学生可能要经过多次预实验才能获得一个较好的实验结果，甚至是付出更多，仅仅检验实验结果而忽视实验过程是不科学的，因此，客观评价学生在实验实施过程中的表现是课程考核体系的重要内容[8]。实验实施过程评价包括实验准备、材料采集、试剂配制、仪器使用、基本操作的规范掌握程度、发现问题解决问题的能力、实验现象的观察、原始实验数据的记录以及实验素养等方面。教师通过对学生实验过程的实时跟踪和控制，学生的观察能力、分析问题解决问题的能力、基本技能的学习能力、实事求是的科学素养、独立思考与团队合作意识均有大幅提高。

实验报告 实验过程结束后，要求学生以小组形式提交相关实验报告或者实验论文。实验报告中必须包含实验目的、实验原理、实验方法、实验结果和讨论等内容。依据实验报告质量进行评价，如对实验现象的描述是否真实生动，对实验结果的分析讨论是否正确深入等。重点考查学生能否正确规范地展现实验结果，能否运用所学的知识分析和研究实验所得结果，并总结出实验中获得的成功经验或者失败的原因。坚决杜绝实验报告抄袭现象，只要小组间发现雷同的实验报告，相关学生的课程成绩均以零分计。

实验总结和交流 实验完成后，学生以小组为单位准备幻灯片，对各自的实验进行总结和交流。分享实验成果，学习实验经验，拓宽实验视野。通过这一部分的考查，学生的综合分析解决问题能力得到进一步提高，相关实验技能得到进一步规范，语言表达能力也借此得到锻炼。此外，学生在总结中针对实验的设置、管理和实施等方面提出建设性的意见，可为指导教师以后更好地开展相关实验提供借鉴和参考。

通过实验考核方法的不断改革，学生转变了学习观念，不再是等、观、望、抄，而是更加积极主动地去学习，由此学生的动手能力、综合思维能力均有了较大提高。

4 教学效果

课程教学体系经过近五年的不断改革和创新，逐步趋于完善。在新教学体系下，学生的学习兴趣浓厚、积极投入，小组各成员讨论热烈、分工明确、团结协作，能较好地完成小组既定实验项目并取得预期实验结果。尤其可贵的是，学生在实验课结束后即能熟练运用在本课程中所学知识，为后续的本科毕业论文和科研工作提供新思路。学生自主设计方案、独立完成实验并取得较好的研究结果，深受其他教师好评。这些进步体现了学生对相关实验技能的熟练掌握、较好的发现问题分析问题解决问题的能力以及科研思维和科研综合素质的逐步养成。

从向学生发放的针对课程教学内容的设置、教学方法及手段的采用、评价体系的构建等方面的问卷调查中发现，学生普遍反映满意。反映的问题集中在超薄切片制作及电镜操作的实验部分，约有15%的学生希望在这一部分有更多动手机会；其次是学生分组，在实验条件允许下缩减小组人员至二人一组更为合适。

5 结语

创新型人才培养是现代高等教育的主要任务之一，实验教学作为实践教学的主要组成部分，已成为培养高素质创新型人才的重要环节。随着高校实验教学改革的不断深入，实验教学已成为培养学生创新科研能力的手段。在基础生物技术大实验课程教学体系的构建中，优化出一些综合性强、创新性明显、具有研究和探索性质的大实验，真正体现实验课程“基础与先进、经典与现代”的特色。同时根据实验性质和学生个体差异，采用分层次教学方法，借助多媒体、视频和网络辅助教学，并在此基础上建立了完备的多元评价体系。这种新教学体系切实提高了学生的学习积极性和主动性，使学生受到科学研究的初步训练，并具备良好的科学作风和科学素质，以及学生理论联系实际、实事求是、独立思考、团结协作、勇于创新的科学精神。教学团队将在今后的教学工作中不断思考和摸索，进一步改革和创新教学体系，以适应新时代对高素质生物学创新人才的培养要求。■

[1]胡戬.基于研究型理念的创新人才培养模式的探讨[J].黑龙江高教研究,2012(1):19-21.

[2]高绍璞,陈彦,张震东.现代生物显微技术的现状与发展趋势[J].安徽农业科学,2003(2):243-245.

[3]杨桂兰,刘瑞,陈双慧,等.在半开放生物实验中培养学生的创造性思维[J].实验技术与管理，2013(5):115-119.

[4]胡鑫,高梅,李绍军,等.细胞生物学实验教学改革探索[J].中国细胞生物学学报,2013(1):110-114.

[5]钱洁,房健民,陈志宏.生物技术专业综合性和设计性实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2014(1):207-224.

[6]段凤魁,余刚,黄俊,等.环境监测实验课程教学环节与教学方法[J].实验室研究与探索,2014(1):173-198.

[7]周莉,韩雪,杨海涛.应用型人才培养的土力学实验教学模式改革与实践[J].黑龙江高教研究,2014(3):168-170.

[8]李慧娟,崔志芳,韩秋霞,等.《现代生物技术》综合设计性实验教学模式的探讨:以基因工程实验为案例[J].轻工科技,2012(9):157-160.

[9]邢凤兰,王丽艳,刘红霞.设计性实验的指导思路[J].实验室研究与探索,2010(7):264-266.