生物技术与材料实验中心建设与实验教学体系构建

王 兆， 王进科

(东南大学 生物医学工程学院 生物医学工程专业国家级实验教学示范中心， 南京 210096)

随着生物学、医学和工程学等学科的飞速发展，生物医学工程已经一跃成为世界各国竞争的主要领域之一，除了具有很好的社会效益外，还有很好的经济效益，前景非常广阔。东南大学生物医学工程专业的建立与国际紧密接轨，是首批江苏省品牌专业，目前在全国生物医学工程专业中学科实力名列前茅，也是东南大学品牌专业。生物医学工程最显著的学科特色是多学科交叉融合，其中最重要的是生物医学工程学科与生命科学、医学和工程学的交叉渗透。生物医学工程学科的发展特别需要具备相关学科的综合基础知识及实践技能的综合型人才。为了实现对生物科学与医学工程学院本科学生的综合实验技能的培养，突出我校生物医学工程专业人才培养的特色，生物科学与医学工程学院在学校的大力支持下，于2007—2008年建设了面向本科学生进行综合实验教学的专业实验室——生物技术与材料实验中心，并建立了专业实验教学体系。结合本校的学科特点，经过近几年的实验室建设和课程体系的完善，已经建立了生物医学工程特色实验课程体系，为其他高校的生物医学工程专业人才培养提供了借鉴。

1 生物技术与材料实验中心的建立

为了适应生物医学学科快速发展的需求，我校“生物科学与医学工程系”2006年改制为“生物医学工程学院”，同时设立“生物医学工程系”和“生物技术系”两个系。2007年新培养计划改革期间，明确提出两个系各有侧重的不同培养方向，即“生物医学方向”和“生物技术方向”。两个方向在学习体现生物医学工程核心课程的相同大类通识课程后，生物医学方向侧重“医电与影像”继续培养，而生物技术方向侧重“生物技术与材料”继续培养，以适应生物医学工程领域不同研究及开发方向人才的需求。目前，生物技术与材料实验中心担负起了生物技术与材料方向人才综合实验技能培养的责任，成为我校生物医学工程专业人才培养的支柱性实验室。

1.1 生物技术与材料实验中心建立的理念

生物技术与材料实验中心建设的指导思想是建设具有现代生命科学核心基础实验内容和设备的专业基础实验室。生物技术与材料实验中心建设的原则是为生物医学工程学科本科实验教学服务，强化本科生命科学与生物医学材料方向的实验技能培养，提高学生的动手操作和科研实践能力，培养具有扎实实验研究功底的本科生及本硕连读7年制学生，促进生物医学工程学科的建设，保持东南大学生物医学工程学科在教学、科研及专业人才培养方面的优势地位。

1.2 生物技术与材料实验中心的环境建设

1.2.1 实验中心硬件条件的配备

实验中心用房面积300 m2，能够容纳24组(2人/组)学生同步实验。经过多年的硬件环境建设已初具规模，购置设备300余台(件)。实验中心的大型仪器不仅可以满足本科教学的需要，还可以为课外研学以及研究生的课题研究提供平台。

为保证实验教学的前沿性，实验中心除了配备有生物材料实验所必需的基础仪器外，还配备了一部分比较先进的实验仪器。包括ABI PlusOne荧光定量PCR仪、日立7000荧光分光光度计、Licor Odyssey双色红外荧光扫描系统、BioDot AD1500微量液体分配仪、Agilent 2100生物分析仪、Malvern粒度分析仪、Olympus IX5倒置荧光显微镜、Olympus BX41正置荧光显微镜等。

1.2.2 实验中心教学团队的建设

实验教学团队是实验教学工作的核心架构，其中教师是高校发展和建设的主力军。高校教师的天职主要是思想创新和探求真理，而实验技术人员通过关键技术和手段予以技术支持和保障，通过这种结合才能保证实验教学的顺利进行并不断完善[1]。因此为了更好地组织实验教学，我们组建了多名具有博士学位和丰富实验研究经验的年轻教师团队负责该实验中心的课程教学。由于生物医学工程专业的特色就是多学科交叉，课程的设置涉及的领域比较广泛，所以不同的实验部分，实验中心配备了在相关领域正在进行科研工作的教师进行教学工作，以保证实验教学的前沿性。同时，随着实验中心的发展，配备了专门的实验技术人员进行实验教学的组织和管理、预实验的开展以及大型仪器操作控制等工作[2]。和实验员的组合使教学团队层次结构得到优化，可以更好地服务于实验教学中心工作，高质高效地完成教学任务[3]。实验教学团队的组织架构初步搭建起来之后，如何保证其高水平高质量地完成实验教学任务是一个必须重视的问题。对此，实验中心采用了不同岗位的分工负责制来保证实验中心的有效运作。由中心主任担任实验平台的总负责人，并将教学、实验室管理的日常工作分配到人，使大家明确了自身的工作范围，从而提高了工作的效率。此外，实验中心团队还定期召开讨论会，阶段性总结实验课程教学中学生出现的新情况新问题和教学中教师授课存在的不足与纰漏，以及在实验室日常检查时出现的各类安全隐患与各项设置的不合理之处，探讨提出合理的意见，从而总结出下一阶段的教学重点。实验中心团队将实践教学、管理环节中发现的可改进之处展开讨论，也催生出许多教学创新上的闪光点。在团队集思广益下，通过既定制度的落实，能够提升实验平台的管理水平，也促使团队成员的实验教学、科研服务以及自身业务持续不断地提高。

1.2.3 实验中心管理制度的完善

实验中心建设之初就建立了一整套严格的规章制度，包括：1)实验室教师规则；2)实验室学生规则；3)一般性实验室安全工作守则；4)专业实验室安全工作守则等。这些规章制度制作成展板张贴在实验室醒目位置，是实验室高效、安全运行的制度保障[4]。

实验中心还注重更新教育管理观念，选择性开放专业实验室。在保障实验教学的前提下，允许本科生申请进入，完成课内外自选实验，调动学生的积极性，增强学生的动手能力和科技创新能力，鼓励学生课余时间走进实验室[5]。学生可以根据自己的实验需求预约使用教学平台的大型实验仪器，仪器的管理和使用由专门的实验技术员负责。

2 实验课程体系的构建

综合基础知识和实际操作技能是评价本专业学生水平的重要指标，其中的实验操作能力是通过实验课程得到培养和提高的，这里的实验课程不是狭隘的理论课附属实验，而是广义地涵盖了综合实训和研究性设计内容[6]。我们的实验课程是从理论体系中分离出来形成的独立实验课。

2.1 实验课程体系的总体布局

依托实验中心的建立，应对综合型、研究型、创新型人才培养的目标，实验中心的教学团队根据教学计划中生命科学及生物材料相关的理论课程体系及其课程实验，进行了系统地、有机地整合，形成“生物技术与材料综合实验(1-3)”课程。新的综合实验课程编制了全新的实验教学内容，形成了层次性、连贯性、交叉性、综合性、系统性、研究性等特征突出的实验课程体系(图1)。

在把握总体布局的基础上我们将实验课程分为3个部分。第一部分：生物分子实验，主要涉及生物大分子(DNA、RNA、蛋白质)的制备及检测；第二部分：细胞组织实验，主要涉及细胞培养、细胞生理测定、细胞组分检测、组织切片制备及其生物分子检测等；第三部分：纳米材料实验，主要涉及纳米材料制备、表征及应用等。

表1 实验课程总体安排Table 1 The overall arrangement of the experimental course

三部分实验各学期依次进行。本实验教学课程属于专业性实验教学，首先需要专业课程的理论教学奠定扎实的基础。根据这一特点，实验课程的教学安排在本科三年级进行。具体学时和学期分配见表1。实验中心实施的教学任务以学生掌握专业课程理论为前提，提高创新性实验的设计与开设是在完成大纲要求的教学任务基础之上，以激发学生学习兴趣、鼓励学生科研创新为目的而开设。本着不人为增加学生学习负担为原则，增设类似“课程内选修”的创新实验，以课程成绩加分等手段激励学生积极参与其中。例如，鼓励学生可以在完成基础实验的前提下，自主设计实验，把这三部分所学的实验技术有机地结合起来；或者启发学生用不同的实验技术达到相同的实验目的。通过创新性实验的开设、学习，学生对于实验课的刻板印象大为改观，将完成任务式的操作步骤转变为探索创新的跳板平台，基本上实现了创新实验全员参与，也总体提升了实验课程的成绩。

2.2 特色实验课程内容

新的实验教学体系中依据生命科学、生物材料科学、生物医学间的学科密切交叉渗透的关系，突破旧的教学体系中生物医学相关的各主要生命科学实验课程、课程实验间内容分割、缺乏综合联系的教学方式，依据各主要生命科学课程内容间的内在联系及知识的关联特征，剔除各实验课程间的重复和冗余，增设新的综合性、前沿性、研究性的实验项目，突出新实验课程对学生基础综合实验技能及实验研究技能的培养目标[7]。具体的实验项目设计还结合本校的专业特点及特长，不仅可以充分利用现有教学资源，还可以突出我校的学科优势。

基于这一认识，本科教学实验系统编排了50个实验，构成3个模块，即分子实验、细胞组织实验和纳米材料实验。下面就对这三个部分进行比较系统地介绍。

生物分子实验部分内容的设计，以生物技术研究中利用基因工程的手段制备具有生物技术应用价值的活性蛋白质的实验流程和逻辑，系统编排17个渐进式实验。具体涉及与生物医学工程研究关系最密切的3类生物大分子：DNA、RNA和蛋白质的制备及检测分析技术。这一部分的实验目的不仅是让学生接触和掌握“用基因工程的方法制备一种活性蛋白”这一研究所必需的各种实验技术，更进一步需要学生在实验教学期间经历该研究的完整过程，体会完成一项生物医学研究需要的实验内容的综合性特征。为此，第一部分课程安排为期一个月的短学期，连续不间断授课。

细胞组织学实验部分内容的设计，以细胞相关研究中所涉及的各种主要实验内容为核心，编排了22个系统化实验，目的是使学生掌握与细胞相关的必须涉及的实验内容，以及这些内容之间的关系，还包括各种实验为细胞相关研究提供的信息。这一部分课程使学生在学习期间能够掌握细胞相关的各种实验技术，包括细胞培养、细胞凋亡及周期分析、细胞器分离及检测、各种细胞分子组分的制备及检测分析技术，以及组织水平生物细胞内生物分子的检测分析技术。

纳米材料实验部分实验内容的设计，以目前生物医学研究中常见的纳米材料为实验对象，系统编排了11个实验。目的是让学生在实验教学期间系统掌握常见纳米材料，如铁、金、量子点、脂质体、壳聚糖等无机及有机纳米材料的制备、表征和生物医学应用技术[8]。

2.3 实验教材建设

按照上述的培养目标及实验内容，为了很好地进行该门实验课程的教学，在学校教学改革重点课题 “生物技术与材料综合实验课程建设”(省编号2009031)”的支持下，我们编写了《生物技术与材料综合实验》讲义。该讲义在多届学生的教学实践中，不断修订完善，已于2013年6月由科学出版社以《生物医学实验》为书名出版。该教材目前已经连续用于3届学生的实验教学，取得了很好的教学效果，已成为教育部生物医学工程专业教学指导委员会推荐教材。教材涵盖的50个实验与我们的特色实验内容完全相符，即分为生物分子实验、细胞组织实验和纳米材料实验3个构成模块，教授学生熟悉和掌握3类大分子的基本制备和检测分析技术。可以说是一本东南大学特色的生物医学实验教材。本教材以指导实验课教学为基本导向，实验讲解详尽精准，紧扣理论教材，杜绝出现理论与操作思路步骤不一致、相偏离的问题；实验操作的讲解步骤清晰，内容规范明确，同时又兼顾基础理论知识的回顾，前后呼应，自成特色；启发学生创新精神，提出实验步骤的不同路径，探析其可能性，引导培养学生严谨科学的发散思维。

表2 实验项目评价标准Table 2 Evaluation criteria for experimental projects

3 实验教学效果评价

实验课程主要的作用是培养学生的专业实验技能[9]。所以评价标准中实验操作表现及实验报告占到最终成绩的70%以上。为了加强学生理论联系实际的能力，也为了促进学生通过实验操作的过程巩固、拓展理论知识从而提高创新和科研探索的能力，在实验课程结束后，该课程还设置了理论知识的考察，成绩比重约占30%[10]。

学生完成每个实验后要求撰写实验报告、呈现实验结果、自评实验效果、分析实验经验与不足的原因及改进措施。教师仔细评阅每份报告，结合实验过程中学生的操作技能水平，根据评价标准(表2)给予成绩。 课程结束后安排实验的理论知识考试，考查学生对实验理论知识的掌握程度。考试题目要求考察实验知识的系统性、细节以及实验内容的拓展方向。教师将考试答卷批阅后附在实验记录册(实验报告)最后一项。全部实验及理论考试结束后，将全部经评阅的实验报告及考试试卷转化为PDF电子文档，交学院教学管理部门存档。将实验记录册返还学生，供其存阅。学生的综合知识掌握程度不仅仅体现在实验结果与理论考核成绩，这也是考察学生的难点之一，为此，实验中心决定采取“学生课堂”的方式进行辅助考察，即每次课堂随机抽点3～5名学生站上讲台，用5分钟时间阐述自己对实验步骤设置的理解，重点说明在试验中有哪些疑惑点，是否有想到可行性的解决方法，甚至可以提出对实验本身设计的改进建议，以此为依据综合理论知识考察成绩对学生的期末综合知识掌握情况进行评定。

4 结语

生物技术与材料实验中心的建设目标是为我校生物医学工程专业本科生及研究生提供一个具有先进教学设备、优良教学环境、完备教学内容以及优秀教学团队的实验教学中心。同时，为全校本科学生提供一个生命科学通识实验教学基地。从2008年至今，实验中心在不断地建设完善，实验教学体系也在实践教学中不断地更新优化。历经八届生物医学工程专业约500名学生的实践教学，上述的课程体系取得了良好的教学效果。随着知识结构的更新，生源知识结构的优化，每年的教学实践中也会产生一些新的情况，这就要求实验中心在试验教学与管理上要持续改进。随着实验设备的更新换代，一些实验步骤可以简化的地方、具体操作更迭的方面，实验中心都会通过科学统筹运作，快速做出改进，给每一批学生印发相适应的实验改进修订说明手册，指导学生正确实验。每一批学生结课时都会对实验中心进行“双向打分”，由实验的操作主体——学生对实验课程的设置提意见建议，通过意见收集，可以更好地看到工作中的不足与疏忽之处，持续地完善课程设置，优化实验进行的全程保障，进一步提升实验中心的教学、管理水平，最终更好地服务于学生的科研教学。这种实验中心的建设以及实验课程体系的构建经验是否可以推广应用于其他院校生物医学工程专业的实验教学，将是下一步值得研究探索的课题。2016年东南大学生物科学与医学工程学院获批建设生物医学工程专业国家级实验教学示范中心，生物技术与材料实验中心成为该国家级实验教学示范中心的核心组成部分。