突出工科院校学科交叉微生物学实践教学改革研究

谢 晖, 应琼琼, 曾 琦, 陈 丹, 沈晓敏, 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， 西安 710126; 2. 西安电子科技大学 生命科学技术学院， 西安 710126; 3. 西安交通大学 附属中学， 西安 710126 )

随着学科交叉和生命科学产业日益增长的需求，国内大量重点工科院校开设了生命科学学院及相关生命科学领域本科专业，微生物学作为生物类专业核心课程，微生物学实验课的重要性不言而喻[1]。笔者依据2017年最新的高考志愿填报数据库公开信息统计( http://gkcx.eol.cn/soudaxue/querySchoolSpecialty.html &argspecialtyname)，全国现有的2914所全日制本科高校(含民办、高职院校)中，其中开设微生物学课程相关的生命科学专业的高校数量居多，涵盖面广，涉及工科院校比例较大，具体见表1。在上述数据库统计的基础上，笔者通过网络信息(高校主页学院信息专业课程设置查询)、省外高校电话及网络平台沟通，省内及周边工科高校实地调研等方式进行了大数据信息采集不完全统计，目前开设微生物学实验课程的工科院校已覆盖生物工程、生物医学工程、生物科学、生物技术、生物信息学及生物科学与生物技术多个专业领域，工科院校微生物实验开设总数高达463门。由此可见微生物学及实验课程在现今工科院校本科教学培养中所占的重要地位。微生物实验教学在学生“知识、能力、素质”的培养方面具有更加形象和实用性的重要作用，是锻炼学生思维能力、操作能力与运用能力的一个重要途径，也是培养实操动手为主的工科院校学生创新能力的一个重要手段[2-3]。

表1生物类相关专业开设院校及微生物学实验开设情况汇总

传统的微生物学实验教学存在许多不足：1)实验内容单一，不能引起学生对实验课程的重视，“照猫画虎”，人到心不到; 2)没有真正地突出实验教学在未来科研及生产实践中的应用作用，无法激发学生内心的学习钻研兴趣[4]；3)与工科院校生物类专业学生学习脱节。由于该类学生具有一定的计算机网络基础知识，在单纯微生物学实验中无法发掘出课程间的联系，关联性不大，直接导致学生实验课程的学习效率低下，重视程度不足等问题的出现。微生物学实验综合实验是西安电子科技大学生命科学技术学院生物技术、生物医学工程本科专业(均授予工学学士学位)的必修课程，该综合实验成绩占整个实验课程总成绩的60%，总计24学时，其涉及面宽，影响面大。想要更好地培养大学科交叉下的生命科学人才，真正做到核心课程和培养方案的百分百吻合。对工科院校学生的微生物实验教学应具备明显的实用性及学科交叉的工科特色，以便更好地适应学院人才培养和当今社会企业的迫切需求[5]。多年来，笔者借鉴兄弟院校工科课程的教学经验，以土壤微生物系统进化综合大实验为例对微生物实验教学进行了改革。

1 改革实验教学内容，凸显现代化学科交叉特性

土壤微生物系统进化综合大实验是在早期的土壤(环境)微生物分离观察综合实验基础上加以改进实施的。主要在原微生物分离培养及无菌操作的基础上增加了分子生物学、生物信息学、计算生物学、数据库信息挖掘等知识内容(表2)。较之前的单纯土壤微生物分离观察，整个综合实验体现了较强的多维度性和学科交叉性，所有知识均涵盖学生必修主干核心课程，对学生今后从事生命科学研究、电子信息技术跨学科应用、生物软件研发等相关工作打下坚实的应用基础。实验难度的提升和内容的丰富也使得学生对待实验课程的态度和兴趣有了极大的提升(实验内容过程结果见图 1)。

图 1 学科交叉综合实验结果流程图

项 目原综合实验改革综合实验内容微生物分离、培养、观察微生物分离培养、基因组提取、保守区段扩增、测序、算法编程、数据库使用、进化分析涉及学科微生物学微生物学、分子生物学、生物化学、生物信息学、计算生物学、数据库信息挖掘优势简单明了,学时数较短整合工科生综合知识,突出工科微生物综合实验特色劣势相对单一无特色、学生兴趣不高,学习效果一般复杂困难、实验成本较高、学时数较长,对任课教师专业水平要求较高意义扎实微生物基础、便于理解更有利于培养学生的动手能力、创新能力以及综合能力,其教学效果大大提高

2 改革实验教学理念， 充分发挥学生主观能动性

2.1 自主设计方案

主要采用“自主实验方案设计”的形式，引导学生形成微生物实验能力。此形式将有助于全面促进学生自主实验能力的发展和形成。自主设计过程是一个以学生为主体的综合实验准备阶段，一方面锻炼高年级学生利用大学期间所学知识的综合性获取综合运用新知识的能力；另一方面利于学生从综合实验方案设计过程中发现问题，分析问题，解决问题[6-7]。

2.2 方案设计流程原则

以“土壤微生物系统进化综合大实验”为例，教师可提前把实验内容布置给学生，要求学生自行设计实验方案，分析实验过程关键因素和环节，整个设计过程计入实验课程考核中，以此增加学生积极性和主动性。为完成方案的设计，教师应辅助学生经历3个重要阶段(图2)，以保证方案设计科学缜密。通过笔者多年实验教学观察，多数学生都具备良好的自学、分析和解决问题能力，但是仍然需要教师进行正确和恰当的引导，使得这些习惯逐步转变为一种能力，从而极大地提高工科学生的微生物学实验综合能力[8-9]。现以我们凝练总结的“微生物实验自主设计教师控制核心流程及原则”(图2)为准则举例说明。图3所示，学生具体拿到选题之后以学生为主，教师辅助完成的整个实验方案设计，在保证学生自主性的基础上，进一步强化了学生准备过程中信息挖掘的深度、学习知识的广度，以及后续实验方案的可行性。

图2 微生物实验自主设计教师控制核心流程及原则

图3 微生物实验自主设计教师控制核心流程实例

3 改革实验教学考核机制，突出综合能力评定

结合第二部分内容，增加学生在自主设计实验方案之后的开题答辩环节，综合实验完成之后的结题答辩环节，开题报告和结题报告均要求以标准科研论文形式撰写，综合实验实行课题组/项目组长负责制[9]，负责整个实验的进行。同时结合笔者多年实验教学总结的“四原则”(技能、表现、报告、结果) 全面给出实验综合评定，以便真实公正地反映学生在整个实验环节中的各项表现[10]。

微生物综合实验课程的考核，尤其是创新性学科交叉综合性实验考核，目的是让工科学生能够以微生物学实验为主[11]，结合现代化前沿需求合理整合所学其他核心主干课程的实验技能，其设计的实验方案、参与实验的“四原则”(上述)、综合实验技能的运用(总成绩15%)，最终取得的实验结果(总成绩20%)，开题报告(总成绩15%)，结题论文报告(总成绩25%)，答辩过程和答辩PPT的撰写质量(总成绩25%)等多方面量化考核。真正做到重过程、轻结果，重思维、轻流程，重内涵、轻表象。以便全面激发工科学生的微生物综合实验兴趣，提高学生学科交叉实验能力水平。

4 微生物综合实验课程改革的效果及总结

4.1 改革成效

“土壤微生物系统进化综合大实验”自2013年起，由笔者发起改革，目前已经过四届本科生的实践，先后获得西安电子科技大学新实验一等奖、优秀教改创新项目等多项荣誉。但由于实验难度及综合性的提升，实验课程不及格率一直存在，如何降低甚至消除不及格率也是综合实验后续进一步研究改革的问题之一(图 4)。通过综合实验的实施，参与学生普遍认为：1)改革后的微生物学综合实验，使他们更加重视实验技能训练，注重提升发现、分析、解决问题的能力，同时也感到一定的成绩压力;2)微生物综合实验的开设，提高了他们独立思考问题、解决问题与创新思维的能力；3)分组实验，实行项目组长负责制、答辩制、报告制、预约制，培养与提高了学生的团队精神；4)综合实验涉及的多学科交叉内容，能够让学生更好地整合计算机、生物信息学、分子生物学等各学科核心专业知识技能，尤其突出了程序设计、软件使用、网络应用等工科专业的特色实验内容。学生充分利用所学知识，由表及里探索微生物系统进化的本质问题，不再停留在相对单一的纯微生物学综合实验阶段中，进一步提升了学生学习兴趣和重视程度，真正意义上做到了具备明显的学科交叉工科特色、更好地适应工科学院人才培养和当今社会的迫切需求。我们对已实施该综合实验的四届本科生进行了满意度调查，匿名调查问卷结果显示学生不满意度及非常不满意度均为0%，整体满意度高达93%(图 4)，多数学生表示经历微生物学综合大实验后，认为自己经历了类似专业科研训练过程一样的训练，个人的知识运用能力及专业综合水平得到了明显提升。

图4 2014—2017年度微生物综合实验成绩统计结果及综合实验满意度调查

4.2 总结展望

综上，在后续的微生物学教学实践过程中，依托学院的省级实验教学示范中心及省级虚拟仿真实验教学示范中心，实践教学团队将会进一步注重：1)以学院本科生导师制为契机，进一步鼓励高年级学生进入并参与实验准备及科研课题，直接为学生后续科研训练、课程设计以及毕业设计奠定基础; 2)进一步扩大实验室开放力度，最大限度为学生提供更多的动手机会; 3)依据工科院校生物专业学生学科发展特点和方向，不断更新特色的综合实验内容，进一步改革教学模式，把微生物学实验室建成西安电子科技大学生命科学技术学院培养生命科学类工科创新人才的核心基地[8]。这样不仅有利于提高微生物学实验教师的实验教学质量，更有利于培养工科院校学生的学科交叉综合素质，此类型综合实验也可在后续适当调整优化，成为当前工科院校其他生物实践教学课程的参考模式[10]。