多学科交叉下工科院校微生物学实验教学改革初探

谢 晖， 应琼琼， 陈 丹， 曾 琦， 王 旋， 马玉洁， 梁继民*

(1.西安电子科技大学 生命科学技术实验教学示范中心，陕西 西安 710126；2.西安电子科技大学 生命科学技术学院, 陕西 西安 710126；3.西安交通大学 附属中学，陕西 西安 710043)

多学科交叉下工科院校微生物学实验教学改革初探

谢 晖1，2， 应琼琼3， 陈 丹2， 曾 琦2， 王 旋2， 马玉洁2， 梁继民2*

(1.西安电子科技大学 生命科学技术实验教学示范中心，陕西 西安 710126；2.西安电子科技大学 生命科学技术学院, 陕西 西安 710126；3.西安交通大学 附属中学，陕西 西安 710043)

微生物学是生物类专业举足轻重的基础学科,而微生物学的实验方法和技术手段更是微生物学建立和发展的基础。生命科学的不断发展也离不开微生物学。工科院校微生物学科旨在培养应用型研发人才,因此必须提高教师自身的实验素养,不断优化实验内容,基于学科交叉将科研课题融入实验教学中,培养学生的科研思维,为社会打造学科交叉创新型实验人才。

微生物学实验；学科交叉；人才培养；科研创新

微生物学作为生命科学领域的重要课程,现已广泛面向生物专业本科生开设。21世纪微生物学的发展进入了一个崭新的时期,其重要标志之一是随着人类基因组测序计划的提前完成,微生物基因组测序、注释及相应的研究蓬勃发展,方兴未艾[1]。微生物学是一门需要动手操作的实验性学科,同时承接分子生物学、细胞生物学、基因工程、细胞工程和发酵工程多门重要课程[2]。如何处理好学科的基础性、系统性以及先进性的关系并引导学生动手实验,将会成为工科院校微生物学实验授课的关键因素,也是重点培养工科院校学生理工交叉科研创新思维探究的核心要点。

1 实验教师整体素质的培养

1.1创新型教学团队的打造

实验学科的教师自身就是实验教学最重要的部分之一，不同的老师教授相同的课程效果却存在很大差异。可以说,实验教师的素质和教学水平直接关系到实验教学的质量。实验学科不同于一般的授课类学科,它需要充分调动学生的积极性,让学生发挥自我能动性,勤于思考而不只是全盘接受。摈弃“满堂灌”的教学风格,在实验步骤和实验原理方面更应鼓励学生提出自己的想法和见解。据此,工科院校微生物学实验教师更应该引导学生思考。例如,针对无菌操作的要求,怎样操作才能做到科研级别无菌？联系自身激发学生的思考性。通过举办专题讲座、专业组讨论、微生物学实验教学沙龙等形式对实验课程教师进行培训、探讨和交流,旨在打造一支科研素质过硬、实验操作娴熟的教师团队[3]。

1.2课堂内容灵活多变

目前，在多学科交叉发展下，国内工科院校已陆续开设微生物课程，微生物学实验也同时面向广大本科生开设。因此,对本科生科研思维的培养也显得尤为重要。在授课过程中,对实验原理、实验步骤的深度解读和理解是打造科学性思维模式的捷径[4]。让学生对分步步骤“知其所以然”,真正理解实验的本质和内在要求,学会灵活处理实验中可能遇到的问题。例如，在微生物培养系列实验课程教学中，将微生物的结构功能、无菌操作要点、培养原理、技术要点全面整合进行整体性教授，不但极大提升了实验课容量，同时使学生形成一套逻辑顺序完备的微生物培养实验框架，在实验过程中明确了每一个环节的关系和重要作用。

1.3小组单人实验模式初探

微生物学实验保证充分的独立性也是提高教学质量的保证。通过分小组并独立进行相似或不同的实验,鼓励学生自主思考,小型分组模式(3人)能够保证团队间的有力协作,单人实验保证每位学生都有操作及获得结果的机会。不同的学生有不同的操作习惯和思考方式[5]。在小组讨论交流中,学生之间进行讨论,加之老师的指导与讲解,能够将整个实验体系框架成功在学生脑海里搭建起来。本文作者通过本年度(2016年)试点小组讨论单人实验模式相比较传统(2015年)微生物实验教学进行了统计学比较分析(图 1),发现比较传统分组的组内结果模式综合效果尤其是报告优秀率全面提升,不合格率为0%,效果明显；同时通过两级学生调查问卷显示，改革后微生物实验学生积极性显著提升。

图1 微生物学实验小组模式及传统实验模式报告成绩对比Fig.1 Comparison of the results of the experimental group and the traditional experimental model

2 实验课程内容的科学取舍

2.1理论联系实际,应用不再空谈

随着生物科学的不断发展,微生物学科在其原理和方法也有很多新的进展和发现。因此,将“微生物学实验”作为一门独立的课程为本科生开设,并开展了实验训练是与生命科学发展相适应、相接轨的。首先,在实验内容方面,应着重对学生进行微生物学最基本最核心的技能训练,如无菌操作技术、显微镜技术[6-7]。其次,应注意学科的交叉性,在实验中渗透分子微生物学方面的原理和技巧。如细菌总DNA的提取和鉴定，在注重学科的基础性、可操作性的前提下突显其先进性；对一些陈旧且用得较少的实验予以剔除,如:细胞壁和质膜的观察、细菌菌落制片、暗视野显微观察等。与此同时，增加了许多分子水平的实验技能,如细菌质粒DNA的制备、环境微生物基因组提取分离、食品微生物分子鉴定等[8]。实验内容不断推陈出新是学习积极性的保障,更是适应学科迅速发展和教学改革的必然要求。对于不同生命科学技术学院的教学侧重点,尤其是针对工科生物专业学生,微生物实验教学应涵盖和倾向于实践应用方面,包括工业、农业、食品、环境以及医学等方面的应用,该部分可以综合性实验在基础实验完成后选择性开设。

2.2改革基础教学,体现整体连续性

微生物实验教学在注重多方面应用的同时更应偏重于为学生打好基础及科研思维的综合训练。例如:无菌操作技术即是重中之重[9-10]。通过动手操作对实际碰到的问题有了更深刻的认识和理解。此外,结合现阶段研究的热点问题,结合环境微生物、食品微生物的实际应用使整个实验连贯有序,也能够让学生理解到微生物学实验的重要性。培养基的制备过程为实验用品的准备和高压蒸汽灭菌,分为倒平板和斜面分装两种形式。通过无菌技术的示范教学分组操作,对平板划线和斜面划线都有了更深刻的认识。培养一段时间后,不同小组菌体的生长情况不同,也为学生自我总结和思考做了铺垫。最后,通过一些生物培养鉴定实验为后续的综合应用型微生物实验做准备。

3 工科学生科研探索精神培养

传统的实验课对学生来说,只是“重在参与”,不能充分发挥主观能动性。为了保证实验的成功率,节约成本和开支,以往很多高校的微生物学实验从实验前准备、预实验甚至到操作都由教师完成,学生只是进行一些非常基础简单的操作,无法领悟到实验的关键所在。更有学生上完实验课后,甚至不知道自己刚刚做的是什么实验,只记得配制了溶液，布置了作业[11-12]。

在微生物实验过程中,在特定情况下，一些看似不符合微生物生长繁殖规律的现象也许是一个潜在的微生物研究创新点，为避免学生没有做出预期结果却单纯为了实验报告而照搬实验结论的情况，应鼓励学生记录与理论不同的现象或结果,激发他们的思考热情。敢于推翻固有的理论和现有的结果,是一位优秀科学家所必备的魄力和胆量。

据调查,目前我国工科大学生创业的平均比例是0.3%,这一数据在以美国为代表的西方发达国家约为20%[2,13]。在高等教育日益成熟的今天,通过老师适当的引导和启发,能够激发学生的创造力和探索欲。既异想天开,又实事求是,这是科学工作者特有的风格。经过实践性学科的学习,也能让学生对科学研究有更深的认识,提早培养他们的科研思维以及实际解决问题的能力。此外,还开设了学生自主设计主导的微生物学设计性实验，以及教师主导的微生物学综合创新实验。在学生已经具备了一定的基础性实验技术和综合性实验能力的基础上,基本可以独立操作,按照科研工作的思路,由学生设计实验方案并进行实验的验证。大到部分实验原理小到具体的实验步骤,全部交由学生自行设计,在此过程中,教师只进行必要的指导和协助,对关键性的问题予以解答。如此,不仅能够激发学生的科研兴趣,还深刻地教导了他们如何合理地设计实验。

4 科研课题融入微生物实验教学

自2006年起,国家工科大学生创新实验计划快速开展,国家大力鼓励和倡导以本科学生为主体的创新性实验改革,以调动学生的主动性、积极性和创造性,并激发学生的创新思维和创新意识[14-15]。因此,将科研项目融入实验教学中,能够使广大本科生逐渐掌握思考问题、解决问题的方法,提高创新实践能力。尤其是把实验同生活中的实际问题相结合的课题,鼓励学生参与老师的科学研究,提出自己的想法和建议。同时,学生针对兴趣选择课题,鼓励学生之间相互交流实验情况,相互学习操作技术。如此,短时间内就能扩大工科大学生的知识面,增强学生对微生物学实验内容的感性认识。

我国在微生物学领域还亟待提高,需要源源不断的优秀的生物学子为我国生命科学做出贡献。因此,作为教育者,更应该成为学子的引路者和奠基者。在本科阶段,鼓励学生参与老师的微生物学相关科研课题研究无疑为以后的深造打下了坚实基础。如此,不仅能够发挥学生的主观能动性和创造性,在科研实践中也会收获颇丰。本文作者结合学校生物技术专业电子信息技术培养方向,结合科研项目在本科生中开展综合性微生物基因组生物信息学分析实验,取得了良好的效果(图2)。

5 改革考核指标的反思与成长

以往的实验报告千篇一律,甚至没有做出书中的理论结果依然可以将理论值摆在实验报告中,没有及时地对实验中的问题做出思考与探索。将实验报告改为以传统实验报告与论文的形式共同书写是微生物实验课程改革的一个重点[16]。例如，将学生分组,确保每组有结论一致的实验报告,因并未像传统实验教学一样照书而来,实验的理论结果学生并不知晓。在这样的情况下,可以确保实验结果的真实性,学生可以通过对数据的分析和实验原理的理论认知,来推算应有的结果,既解决了学生互相抄袭的问题,又可以增强他们对实验原理的深层次认识和感受。以研究论文的格式书写连贯实验或设计性实验的大报告可以培养和提高学生多方面的素质。让本科生提前学习论文的撰写,学习应有的步骤和格式,能够为将来的科研之路打好基础。从分步的实验原理,到最后的实验结果与讨论反思,每一步都由学生自主完成,整个过程也加深了对实验的宏观认识与感悟[17]。

在微生物学教育者不断改革创新以及学生自身的不断提升下,应该不断提高教学质量,培养学生综合能力,以适应农业发展和社会发展对人才的需求,让工科院校学科交叉型微生物学人才在我国生命科学领域做出更多贡献。

图2 环境微生物基因组生物信息学分析实验节选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

国家自然科学基金项目(31300268)；西安电子科技大学新实验教改重点项目(SY1564)

谢晖 男，讲师，博士。主要从事分子微生物学及分子影像研究。Tel: 029-81891060，E-mail:hxie@xidian.edu.cn

* 通讯作者。男，教授，博士，博士生导师。主要从事分子影像学研究。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