细胞生物学实验教学的改革及创新

2018-03-31付爱根赵宇玮李军林严兴荣

生物学杂志 2018年1期

黄萱，付爱根，赵宇玮，李军林，严兴荣

(西北大学生命科学学院西部资源与现代生物技术省部共建教育部重点实验室陕西省生物技术重点实验室，西安 710069)

细胞生物学作为生命科学领域中最活跃最富有发展前景的学科之一，被广泛地用于研究细胞的各种生命活动。目前许多综合大学，以及农业、医学、药科大学将细胞生物学作为本科生和研究生的必修课或基础理论课，而与其相应的细胞生物学实验课对理解理论知识，培养综合能力具有重要作用。通过教学改革的深入贯彻，我们发现学生不仅可以很好地理解细胞生物学的研究方法和技术手段，还可以主动思考，学生的综合素质、专业视野和科研素养都得到了锻炼和提高。

1 本校细胞生物学实验教学存在的问题

细胞生物学是一门实践性很强的学科，理论知识和实践操作紧密结合[1]。创新改革前，我校的细胞生物学实验教学课程远落后于理论教学，实验内容主要是验证性基础实验,实验之间相互联系不大,缺乏综合性和创新性,同时,实验技术手段相对落后,细胞生物学科的新技术、新方法无法体现。

这种模式有以下几方面的弊端：1) 缺乏积极性。对于实验内容，学生处于被动接受的地位，难以调动主动学习的积极性[2]。2)没有培训自主实验能力。学生按照实验步骤进行实验，如果实验失败或者出现和预期不一样的结果，不知道问题出在哪里，不能对所得到的结果进行分析。3)与课堂知识脱节。细胞生物学各种新发现和新成果通常可以迅速地反映在课堂，通过老师的扩展教学介绍给大家，但是绝大多数情况下无法在实验课堂中体现，不能和新知识紧密结合，从而不能引起学生的探索欲望。4)综合科研素养得不到发展。没有综合性创新性实验的锻炼，学生缺乏展现自我的舞台,缺乏学习成就感。随着细胞生物学科的迅猛发展，对实验教学的要求越来越高，实验教学中综合性实验的缺失使这些弊端更加突显[3]。

2 实验教学的改革措施

2.1 实验教学内容的合理调整

2.1.1 基础性实验、综合性实验和创新性实验的合理搭配

在实验教学过程中，我们根据细胞生物学的内容特点，将实验划分为基础性实验、综合性实验和创新性实验。基础性实验属于观察性实验或技术方法实验，与课本的知识点紧密对应，重在培养学生的基本实验操作。这些实验安排在整个学期的前半部分，与细胞生物学的课堂教学同步。通过学生在实验操作中的动手实践，帮助学生理解和掌握细胞生物学的理论知识。在完成基础观察验证实验之后，我们逐步引入综合性和创新性实验[4]。和基础性实验主要是重现单一知识点不同，综合性实验通常是某一章节或某几个章节的综合体现，培养学生针对实验内容和结果进行分析和操作，使学生能够在实践中用所学过的理论知识和实验技能解决实际科学问题[5]。创新性实验旨在综合开发和提高学生探索生命现象、研究问题的能力，利用现有的本科创新改革平台，学生根据自身兴趣来设计研究方向，在辅导老师的引导下完成科学研究。我们将实验内容进行了合理的增减及整合, 将部分验证性实验进行了内容上的合并,此外,还增设了一些综合性和研究性很强的实验, 如新增设的细胞凋亡检测实验和动物组织干细胞的分离和诱导分化实验。

2.1.2 创新性科学研究与实验教学的融合

对于不满足教学实验而且科研能力突出的学生，我们鼓励他们根据自身兴趣和关注点来申请各种大学生科研项目，如大学生创新项目、本科基地能力提高项目等科研能力训练项目,没有申请到项目的同学可以根据对任课老师的了解而加入教师的课题进行锻炼[6]。学生积极参与各类科学研究充分地展现了他们的热情和无限可能的塑造能力，各类学生项目从选题、设计实验方案到展示汇报，全部是在老师的指导下由学生独立提出、实施和完成。从以往申请的项目内容来看，绝大多数项目都与细胞生物学内容相关，或者属于细胞生物学与其他专业的交叉科研项目。这样的项目、课题为学生们提供了强烈的代入感和自豪感，提供了展现自我的舞台，体现了细胞生物学、生命科学的魅力，形成了很大一部分学生最初的科研素养和科研追求，甚至影响他们今后的职业和理想选择。

2.2 教学方式的有效调整

2.2.1 启发式、讨论式及提问式教学的引入

我们将讨论式和提问式教学方法引入到基础验证实验教学中，同时采用多媒体、幻灯及传统板书等多种教学方法[7]，使教学具体生动，学生可以更好地理解实验方法和原理。通过讨论、提问等互动环节，充分调动学生的求知欲和好奇心，让他们将课堂的知识点与实验结果有机地联系起来，加深理解印证。在实验之前要求学生首先了解实验原理, 明确实验目的, 激发他们的学习兴趣与探索欲望。在实验过程中，教师有计划分步骤地将实验内容以发现问题、解决问题的形式提出，学生以问题为出发点开始进行实验。在解决问题的过程中，融合一系列和问题有关的知识点。当学生完成实验后，就可以回答之前对于实验的思考。针对实验结果, 鼓励学生分组讨论，分析造成结果差异的原因，启发学生查阅相关知识点，找到改善实验结果的方法。教师对学生提出的问题进行解答，弥补学生考虑不周的地方，确保实验教学流畅进行。

2.2.2 开放式教学的实现

开放式研究型教学是激发学生的求知欲、提高实验技能、培养创新能力，以及全面提升学生综合素质的重要教学手段[8-9]。在调研了学生的实际水平和改进了细胞生物学教学实验室的实验条件后，我们将综合性实验进行了多重开放式设计。如我院特色综合实验植物基因工程单元，学生可以挑选感兴趣的植物品种，如玫瑰、菊苣、白背三七、秦艽等具有本院特色的植物作为材料进行组织培养及基因工程实验。开始实验前，学生需要系统查阅与植物组织、细胞培养相关的文献资料,进行植物组织培养。学生自主设计各种诱导培养基的激素成分和配比，对外植体进行诱导及分化培养，获得愈伤组织及再生植株。同时对外植体进行农杆菌转化操作及原生质体电融合等实验操作。我们也可以选择不同的实验技术来验证知识点，如新开的细胞凋亡检测实验, 让同学们自主选择启动细胞凋亡的处理方式以及检测方式，包括紫外照射或者H2O2处理细胞，DNA ladder电泳检测及不同染色方法的细胞染色观察。通过这些开放式教学的引入，对学生进行综合性科学实验训练，并且能让他们在实验操作中获得乐趣，进而加深印象，对知识和实验技术灵活运用。

整个实验过程呈现高度开放状态，这种开放式教学方式使学生得到了全面的科学能力训练, 培养了学生主动思考、提升能力和良好的求实科研作风, 为后继的持续性科研活动，如多种形式的创新性研究项目的申报、实施和完成奠定了良好的基础。

2.3 高素质教学梯队的建设

教师是进行教学改革、培养高素质综合人才的组织者、实施者和管理者。因此, 实验课教学质量的高低与教师的业务素质、敬业精神和组织能力直接相关[10],从事实验教学的教师必须具有良好的教学和科研素质，积极参与和教学相关的科研工作,在实际教学中不断总结经验, 开发教学课题,才能保证实验教学的及时更新。为此，整个教学团队需要高度重视实验课教学，及时交流教学经验和心得，不断提高教学和科研水平，不断改进教学内容，尽可能地利用各种方式体现细胞生物学科中的新技术、新理论，努力营造良好的科学氛围，扩展学生的知识面。

近年来, 细胞生物学课程实施了重大的教学改革,师资力量建设被放在十分重要的地位, 通过吸纳具有博士学位及海外学习背景的高学历青年人才加入细胞生物学课程组,使师资结构趋于合理。目前,我院已经形成了一支由多位中青年骨干教师组成的教师团队，具有较高科研能力、创新精神和教学水平。课程组现有专职教师10人, 其中6人具有1年及以上的海外顶尖大学留学或访学背景。全体老师共同参与细胞生物学课堂教学和实验教学,并定期开会讨论课程进度及学生对课程理解的反馈，实现课堂知识与实验教学的完美衔接，保证了教学质量。在课程结束后，会进行问卷调查，了解学生对各章节及实验设计、实验操作的个人感受，分析教学成效。同时, 学校鼓励教师去国内知名大学进行系统的听课培训和参加教学研讨班来提高教师尤其是青年教师的业务水平。提倡教师不断改革教学手段和方法, 最大限度地发挥实验教师的主观能动性。

2.4 实验教学平台的改善

实验教学水平的提高离不开实验条件的支持,完善的教学平台可以极大地提高学生基础实验技能，必须充分利用实验室现有设备, 并不断增加新仪器设备, 改善场所建设，完善实验条件[11]。目前我院依托“211”学科建设、“基地能力提高项目”，以及“西北大学教学实验室新建项目”等资金支持，细胞生物学实验室建设发展迅速，实验条件大为改观，先后添置了荧光显微镜、倒置显微镜等多种显微镜、实时定量PCR 仪、超纯水装置、凝胶成像系统、超净工作台、各种离心机、电泳仪等仪器设备，并重新修建了动植物组织和细胞培养室，逐渐形成了一个实验条件相对完善的教学场所,为本科教学改革的实施提供了舞台。

2.5 实验成绩考核评估体系的建立

建立完善的成绩评定体系是保证实验教学质量的关键[12]。以往我们的考评标准主要是实验报告完成情况，不能很好地了解学生的课堂接受度，也评估不了教学效果。为此，我们增加了考核内容，严格、全面地实行实验考核评估体系。通过考查实验考试、实验结果、出勤率、实验报告等方面来评定细胞生物学实验成绩；另外，我们将创新实验和综合实验中的学生表现也放入考核成绩内容，对于自主性强、有科研意识且取得成果的学生给予加分，最大可能地调动学生“主动学、要求学”的竞争态度。整个实验成绩占到细胞生物学课程总成绩的20%～30%。

全面综合的评价方式增强了学生对细胞生物学实验课的重视,从“上课抄实验报告等下课”变成了积极动手做实验，激发了学习的积极性，收到了很好的效果。我们考评体系增设的实验考试环节主要是对本学期已经完成的实验基本原理和操作方法等内容进行考核。考试设计有3种基础实验内容及相关原理提问环节，学生抽号进入考试场地，独立完成整个考核内容和提问回答。增加的实验考试环节是学生对细胞生物学的基本实验操作的掌握及相关知识点的回顾，考查学生的基本功，促使学生遵守纪律，养成良好的复习习惯。实验考核不仅反映学生对实验的掌握程度，也是对实验教学效果的检验，教师可以依据每年考核结果不断改革教学内容和教学方法，以取得理想的教学效果。

3 实验教学改革中应当注意的问题

3.1 指导教师的引导作用

无论是基础实验、综合实验还是创新性实验，教师在其中的引导作用都很重要。在整个实验教学实施过程中，教师从实验准备、实验设计、实验过程到实验结果分析等环节全程指导学生，给予思想上的引导和具体实验步骤的纠正，及时和学生沟通以保证实验的顺利进行[13]。

在综合实验及创新性实验中，实验教学老师的指导更是体现在方方面面。指导学生分组进行实验设计，并且与学生讨论实验设计的可行性，对设计有缺陷的实验要提出疑问，让学生自行发现问题关键，及时查阅文献进行修改。对于可以进行的实验设计要求进一步完善实验步骤，对有可能失败的环节设计出补救措施。这样既能保证教学实验的顺利开展又可以确保学生在实验设计阶段得到锻炼。综合性和创新性实验结束后, 教师要求每位同学对实验结果进行反馈及发散思考, 并对实验结果进行充分的讨论与分析，最后以科学论文的形式提交。学生在完成这类研究论文时也需进行全程指导，教师要对论文提供指导和修改。

3.2 加强实验教学与课本知识点的联系

由于学科本身的特点，细胞生物学的知识点多且散，学生需要很好地理解力才能掌握。为此，需要引导学生把实验目的和课本所学知识、方法相联系，融会贯通。正是通过学生在实验之前参与实验准备和实验设计，将知识点与具体操作结合在一起，在实验结束时通过分组讨论和教师提问等多种方式，让学生理解知识点和实验结果之间的关系，将抽象的知识具体化、形象化，便于理解。并且通过综合性实验和创新性实验使学生产生发散思维，将众多知识点联系起来，形成可塑的立体记忆。将相关的知识点和原理设计到实验中，实验加深知识点的理解和记忆，知识点解释还原实验结果，两者紧密联系、相辅相成。通过跟踪调查，我们发现学生对课程知识有了更深入的认识，并且极大地加强了实际动手能力及独立自主的科研素养。

4 结语

高等教育教学改革的精髓就是调动学生学习的热情，提高学生的学习兴趣和综合素质，培养适合现代生命科学发展需要的创新型人才。实验教学模式的改革正是响应这一变革的积极应对。我们教学模式的改革通过调整教学内容、改进教学方式以及精炼教学团队等方式取得了初步成果，尤其是在西北大学生命科学学院细胞生物学新建实验平台上，综合性实验及创新性实验的引入，对学生的培养起到了很大的推动作用，培养学生最初的科学素养和自信心。

细胞生物学科的特点决定实验环节的重要性和内容的繁杂性, 既有基础经典理论,又有发展迅速的新技术新方法,要处理好基础性实验和创新性实验的关系，针对不同层次的学生选择适合的实验，开展多样的授课方式，积极调动学生的主动性，逐步训练学生的思考能力和创新能力[14]。因此，处理好经典与前沿、基础与先进之间的关系并及时推出与之相对应的实验教材是我们始终需要考虑的问题。学生的积极性如何被调动？大型仪器如何合理的进入本科实验室并得到有效利用？学科知识如何体现在综合性和创新性的实验中？这些问题都需要进一步深入研究和探讨。

[1]刘建晖，王芳宇，曹丽敏，等.细胞生物学实验教学改革的探索[J].实验科学与技术,2011，9(6)：78-80.

[2]李影.以开放性细胞生物学实验教学模式为契机培养实践性、创新型人才[J].生物学杂志，2012，29(4)：105-107.

[3]谢放，孟宪刚，薛林贵. 《细胞生物学》课堂教学模式改革的探索与实践[J]. 中国细胞生物学学报, 2011, 33(7)：826-829.

[4]项小燕，吴甘霖，王志高，等.实践教学在植物学课程教学中的探索[J].生物学杂志，2013，30(2):102-104.

[5]王弘珺，田洪艳，徐冶，等. 医学细胞生物学实验课教学改革的探索[J]. 中国医药指南, 2012，10(12):721-722.

[6]解丽芳，林宏辉.生物实验教学中心创新人才实验教学平台建设[J].生物学杂志，2013,30(2):92-94.

[7]李祥.医学细胞生物学教学初探[J].生物学杂志，2009，26(3):95-96.

[8]王金发，戚康标，何炎明.实行研究性实验教学培养学生的研究能力[J]. 中国大学教育，2005(4)：8-9.

[9]张盛周，陆卫.谈细胞生物学启发讨论式教学中的问题设置[J].生物学杂志，2009，26(2):86-87.

[10]裘树东，李能树. 提高微生物实验教学质量的途径[J].生物学杂志，2000,17(2): 43-44.

[11]高清祥，候岁稳，高欢欢, 等. 细胞生物学实验课程的改革与实践[J]. 高等理科教育， 2010(2)：80-84.

[12]柯志勇，罗深秋，陈剑云，等.细胞结构与功能专题学习网站的特点与功能分析[J].山西医科大学学报(基础医学教育版)，2006，8(2)：139-140.