基于主题设计的研究型教学模式在微生物学实验教学中的应用

张宏宇, 王素英, 杨晓丽

(天津商业大学 生物技术与食品科学学院 天津市食品生物技术重点实验室, 天津 300134 )



基于主题设计的研究型教学模式在微生物学实验教学中的应用

张宏宇, 王素英, 杨晓丽

(天津商业大学 生物技术与食品科学学院 天津市食品生物技术重点实验室, 天津 300134 )

传统的教学是以教师为中心向学生灌输知识的过程，是一种封闭式的知识传输体系。探讨基于主题设计的研究型教学模式对微生物学实验课程教学的积极意义，不仅可以调动学生学习微生物学的积极性，同时达到对学生知识结构的优化，使学生具备一定创新能力和工程素质，为把学生培养成厚基础、强能力、高素质的应用型人才奠定基础。

主题设计；科研小组；研究型教学模式；微生物学实验教学

在高校人才培养的整个环节中，作为主要手段的课堂教学一直发挥着主要作用[1]。然而，随着国家建设对卓越工程师人才需求的迫切性，以及扩招造成学生统一实训困难较多且时间短的局限，如何利用好校内有限的实验资源来提高学生的创新能力和工程素质则成为教改研究的重点[2-4]。

基于双重编码理论，学生只有把学习内容组织加工成一致的言语表征和视觉表征，并对二者进行整合，才会发生有意义的学习，而微生物学作为一门实验性比较强的学科，理论课和实验课的有机结合是非常必要的。但是，对于大多数高等学校来说，微生物学的理论教学和实验教学是独立开展的，基本都是先理论后实验[5]。事实上，在理论课结束之后，很少有学生去巩固复习，导致在上实验课的时候，出现实践与理论脱节的窘境；其次，在传统实验教学模式中，大部分学生基本是按照老师的讲义和板书或者实验指导书机械地进行操作，甚至一些同学是看一步操作一步或者是问一步做一步。在这样被动的学习模式下，学生只能按照固有的程式进行模仿和验证，从而不需要对实验设计方案的合理性以及实验步骤的前后联系进行思考，特别是面对实验开展中的问题，学生更倾向于从老师那里得到所谓的标准答案。这种模式不能使学生分析问题和独立解决问题的能力得到锻炼和提升[6]。

面对微生物学中不断涌现的新发现和不断更新的实验技术，如何将传授知识与培养学生工程素质和创新能力的目标相统一，是需要我们面对和解决的一个重大课题。我们尝试在实验教学中不以教材为唯一标准，而是以各种实际生产和应用微生物产品的开发以及新技术的应用为主线，在实验教学过程中设计“主题”，并通过引入一些专业学习的网站和视频资源，将最新的前沿信息补充到微生物学实验教学中，增强学生学习的主动性和积极性。

1　基于研究型教学的学习形式的转变

1.1研究型实验教学及其特点

研究型教学是指在相关专业教师的指导下，学生根据其各自的爱好和兴趣选择不同的研究方向和内容，自己查找资料并独立思考，从而培养学生的创新能力及其发现问题、分析问题和解决问题能力的一种教学模式[7]。该模式应用于本科教学，其目的是激发学生的好奇心、求知欲和想象力；与此相匹配的研究型学习则是强调学生对问题的主动探索、体验并独立解决[8]。

研究型实验教学要求老师把微生物学实验课程设计为验证性和探索性相结合的问题，将每一个具体实验设计为案例问题，使所有的学生都有针对性地去预习和准备实验课，从而激发学生的学习兴趣。教师尽可能将实验课程设计的难度适中、紧扣基础且与前沿知识联系起来，引导学生逐步适应这种主动学习的模式，促进学生间的交流沟通，这不但有利于获得学生的积极反馈，而且可以解决理论和实践相脱节的弊端，达到学以致用的目的[9]。

1.2“主题设计”取代“单一实验”是微生物学实验教学中的必然

目前很多高校微生物学实验课程强调基本技能的训练，主要开设验证性的实验项目，但由于教学时间短，有些基本实验也没有时间单独开设，比如微生物的生理生化鉴定、微生物的菌种保藏等，导致学生对基本技能的掌握不够全面。此外，由于仅仅是单纯的基本技能训练，在实验的过程中，学生兴趣不高，学习动力不足，学习效果一般。基于“主题设计”的综合性实验的缺乏，使得学生的创新意识和自主探究精神没有得到培养，致使学生既不具备很好的动手能力，也不具备良好的分析问题、解决问题的能力。

开展以“主题设计”为主要内容的微生物学实验教学活动，使学生养成良好的学习习惯和较强的自学能力，已成为实验学科的主旋律[10]。现在的大学生知识面广、思维活跃、对新事物掌握速度快、求知欲强，当面对“主题”时，可以形成讨论小组并广泛查找相关资料，为自己的“主题”寻求理论支持，一旦获得了充分的论据并经过充分的思考，他们探索的积极性会得到极大鼓舞，不仅主动查找文献，讨论和修改实验方案并撰写实验心得，而且主动与教师进行探讨，形成师生互动的良好教学氛围，使微生物学实验课由过去被动开设向主动探究发展，让学生感到实验课程的学习不仅是对理论知识的验证，更是为了掌握微生物学实验的方法和原理，培养其工程素质。

1.3“主题设计”与“研究型教学模式”的有机结合

根据我校近三年毕业生就业岗位的统计，生物类专业约30%的毕业生从事食品微生物检验和药品微生物检验的工作，说明微生物学课程尤其是实验课程的学习效果对学生的就业及将来的发展有着较为重要的影响。为了更好地将微生物学的课程学习与学生的就业岗位衔接起来，我们将微生物学实验课程教学中，“主题设计”与“研究型教学模式”进行整合，建立新型的多模块综合性实验体系。

将基于“主题设计”的研究型教学模式整合到微生物学实验教学中，逐步增加综合性实验的比重，由查阅文献，撰写实验方案(选题目的与意义、技术路线、可行性分析、所需实验仪器设备与取得的预期成果)与实验报告等内容组成一个多模块系统，通过该系统，不仅可以达到巩固基础知识和基本技能的目的，还能让学生建立起一定的科学思维。

因此，我们针对不同专业学生选择性地开设一些主题性比较强的多模块实验课程，学生可以结合自己的专业选题，不但可以锻炼其独立解决问题能力、创新能力与团结协作能力，而且也是对基本实验技能的巩固，强化了学生对微生物学知识的掌握及综合应用能力。

1.4基于“科研小组”课前学习机制的建立

研究型学习的主体是学生，需要学生通过多模块系统，主动参与实验，发现实验过程中遇到的问题。而教师在“设计”基础上带领学生进行微生物学实验教学，为了便于管理和提高教学质量，学生的实验教学要以科研小组为单位开展[11]，每一个科研小组选出一名组长，由组长统一协调整个实验的分工，各组员间要密切配合，对于实验结果，经小组全体成员共同讨论后完成实验报告，达到实验的团体参与性要求，不但使学生的动手能力、分析问题与解决问题的能力得到锻炼，而且也使学生的团队协作能力得以增强。

教师要指导科研小组学生通过图书馆已有的数据库查阅基于主题研究的资料，讲授使用相关工具的方法；如果在实验教学之前，对相应知识掌握不够牢固，就可能会限制学生将要知觉和加工的信息。因此，教师需要确定学生从实验中获益所需要的知识和技能，然后针对这些知识和技能进行课前引导，尽量保证学生有准备地进入实验室，使所有学生都能获得高质量的实验教学体验并从中受益；由于微生物学实验课程的特殊性，所以需要利用大量课余碎片化时间，学生可根据实际情况来安排。

在该教学模式下，学生进行综合性实验所需要的基本操作和技能必须在实验课前通过多渠道来完成，学生在实验课上就可以用较少的时间，甚至直接进入到综合性实验的操作之中。因此，该教学模式不仅可以缓解学时受限问题，还使得教师可以在实验课堂上有充足的时间开展丰富多彩的教学活动。对于新知识和难点，采取学生的组内探讨和指导教师的专题讲座相结合的方式，保证主题任务及时完成。

该模式极大地改变了以老师为中心的传统教学方法，特别是课堂答疑和讨论环节使学生的自主性、目的性和创造性得到提高，教学效果大大增强。

因此，微生物学实验课程有必要把创新能力和工程素质的培养作为改革和发展的方向，着力使学生的创新活动和实践能力得到提高，使其向创造型人才方向发展。

2　基于“主题设计”的微生物学实验教学的实施

2.1引导和强化“主题设计”指导下的选题和课前预习

第一阶段(实验前一周)：教师引导选题，学生自主学习。学生自由组建5～7人的科研小组，每小组推选一名组长，在整个课程学习和实践过程中，实行小组管理，组长负责制；教师布置实验课的题目，并由此引出课程的内容和知识结构体系，并将实验目标分解为要解决的小问题，分析实验原理，介绍本次实验中用到的基本技能，同时将本次实验用到的学习资源通过互联网系统推送给学生，并向学生介绍本次实验涉及的前沿知识，调动和激发学生参与实验研究的积极性，然后发放任务单；每组学生要按照任务单利用图书馆和网络等资源进行自主学习，打通实验课程中的每一个环节。

以我院安排的“基于正交设计的产喷司他丁链霉菌ATCC39365发酵培养基的优化”实验为例，通过学生去图书馆查阅相关学术文献，写出本实验详细的实施步骤，特别是整个实验涉及的多个水平和因素，学生要进行认真的思考与讨论，搞清楚哪些培养基成分需要优化，针对多个因素和水平选择合适的正交表，如果正交表设计的不恰当，工作量很大，学生很难在短时间内按时完成，实验也缺乏可操作性。针对喷司他丁含量的检测方法，需要用到高效液相色谱仪和外标法，这就需要学生自己去查找资料进行进一步学习。

第二阶段(实验前两天)： 情况反馈，完善实验方案。为了掌握学生课下自主学习的进程和对实验的理解，教师开通微信群和公共邮箱，及时进行答疑解惑。遇到问题，首先进行组内讨论，小组内解决不了或有分歧的，在微信群中留言，由在线的其他组成员或者教师进行解答；针对实验“基于正交设计的产喷司他丁链霉菌ATCC39365发酵培养基成分的优化”，学生要以小组为单位把任务完成情况向教师汇报，并写出详尽的实验方案交给指导教师，方案中要体现小组内的每个同学的分工，小组的讨论意见记录，已经解决的问题、尚待商榷或需要教师指导的问题。教师审阅后针对进展和应用情况及时给出肯定或提出修正意见。在此阶段，实行小组化管理，小组长报告每组完成情况。教师对每组提出的实验方案进行评价和指导，提出必要的建议，并最终确定每组的实验方案。

经过一周的自主学习、阶段测验、查漏补缺、设计方案并完善方案，学生基本可以准备充分地进入实验室(图1)。

图1 基于主题设计的研究型教学模式实施方案流程图Fig 1 The flow chart of the implementation of the research teaching model based on the design of theme

2.2实验准备工作做到人人参与

实验方案确定后，学生向教师递交本次实验材料申请单，教师带领学生进入实验室进行实验准备并向学生说明实验室注意事项和实验室管理规范，教师、学生和实验员一起准备实验器材。由各个科研小组组成实验准备小组，组长负责统筹安排每小组实验准备的分工，做到人人参与，提高所有同学的参与度。以“基于正交设计的产喷司他丁链霉菌ATCC39365发酵培养基成分的优化”为例，每个小组主要参与种子培养基和发酵培养基的配制和灭菌、摇床的调试、喷司他丁标准品溶液的配制以及高效液相色谱仪的调试和熟悉。对于实验准备过程中存在的操作错误、工作不到位的情况，教师要及时进行整改，高效和准时地完成实验准备。

这样做不仅可为全体学生创造更多亲自实践的机会，锻炼学生的实验操作技能，而且能够迫使他们在实验前考虑需要什么、如何准备，打破了过去“教师主动教，学生被动学”的实验课模式，学生学习的积极性被充分调动起来，让实验课成了真正的实践知识、提高技能的场所。

2.3强化和规范实验操作过程的控制

实验操作过程的规范和控制是一个复杂而琐碎的工作，但是实验操作过程不但可以锻炼学生的动手能力，而且可以准确、直观地反映学生的实验操作技能，因此强化和规范实验操作过程十分必要[12]。特别是在教师的讲解过程中，要做到从感性上升到理性以及实验操作常犯错误的纠正，同时辅以视频讲解，强调易于出现问题的环节，部分操作指导教师要亲自示范，从而把学生调动起来，要求学生多动手，独立和规范地操作，坚决杜绝 “旁观族”。实验过程中，教师要巡回检查和记录实验情况，及时发现问题并加以纠正, 让学生知道错在哪里；指导教师要亲自动手示范经常出问题的环节，避免学生形成错误习惯；每一个细微的实验环节，教师都应严格要求， 做到严肃认真，一丝不苟。

针对实验“基于正交设计的产喷司他丁链霉菌ATCC39365发酵培养基成分的优化”，在整个实验过程中始终贯穿着无菌操作和高效液相液谱仪的使用，这就要求每个同学严格遵守无菌操作的规则，严格按照仪器的操作规程开展实验。

2.4考核方法要综合化

通过考核方式的改革和创新，将考核重点从传统模式的实验报告向实验方案的准备和论证、日常实验操作情况偏移，真实和准确地反映学生对微生物学实验课的掌握情况[13]。

微生物学实验课程作为单独的一门课，考核分3部分：实验报告成绩(40%)，课前预习及实验方案设计(30%)，平时上课的表现(30%)。实践证明，综合考核方式在促进教师的实验教学、督促学生学习、培养学生综合能力方面发挥了积极作用，并使考核成绩能真实地反映学生实际水平与能力。

对课前预习和实验方案的设计要严格要求，对于实验过程中未取得理想的实验结果的同学，要帮其找出可能的失败原因并提出改进方案，鼓励学生利用碎片化时间重新进行实验，实验室实行对学生预约时间开放。

学生要按照既定的格式独立完成规范化的实验报告，数据处理要详实，并对取得的实验结果进行合理、全面地分析和讨论，重点要做到格式规范、结论可靠，客观真实地反映出实验情况。

3　结语

随着交叉学科的大力发展，微生物学获得了快速发展的新机遇，多角度、多方位的教学改革为微生物学科的发展注入了强劲的动力，而本科教育阶段又是一个关键期，如何培养具有创新能力和工程素质的应用型人才成为微生物学教改的重要内容[14]。因此，以微生物学实验教学为切入点，着手实施基于“主题设计”的研究型教学模式。该模式的应用取得了较好的教学效果，不仅提高了学生的动手能力和独立解决问题的能力，还为其他同类型专业基础课程实验教学的改革提供了一条新思路。

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The application of the research-oriented teaching pattern in the microbiological experimental teaching based on theme design

ZHANG Hong-yu, WANG Su-ying, YANG Xiao-li

(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science,Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The traditional teaching is a process that the teachers acts as the center to instill in the knowledge to students, which is a closed system of knowledge transfer. In this paper, the positive significance of open research-oriented teaching mode on the microbiological experimental teaching was discussed, it not only inspire the enthusiasm of students to learn microbiology, but also expand students′ knowledge structure and develop students′ innovative consciousness, innovative thinking and innovative ability. This will lay a foundation for training the students to be high quality practical talents with deep foundation and strong abilities.

theme design; the scientific team; research-oriented teaching pattern; microbiological experimental teaching

2015-11-13；

2015-12-28

天津市高校本科教学质量与教学改革研究计划(“卓越计划”视角下生物工程专业内涵建放的研究与实践)；天津商业大学教育教学改革项目(项目驱动的翻转课堂教学模式研究——以微生物学实验教学为例)

张宏宇，讲师，研究方向为微生物次生代谢产物生物合成，E-mail: z_pillar@126.com

王素英，教授，从事微生物的分类和资源化利用的研究，E-mail: wsying@tjcu.edu.cn

Q93-3;G642.4

C

2095-1736(2016)05-0125-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.05.125