基于培养创新能力的本科生微生物学教学探索

闵长莉，汪学军，孙 立，殷智超，陈乃富

(1.皖西学院 生物与制药工程学院，安徽 六安 237012；2.安徽省石斛产业化开发协同创新中心，安徽 六安 237012)

在新时代全国高等学校本科教育工作会议上陈宝生强调，要推进“四个回归”，把人才培养的质量和效果作为检验一切工作的根本标准[1]。在《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中，强调高等教育要重点培养大学生的创新能力、创业精神和实践能力[2]。目前如何培养现代大学生的创新能力与综合素质已成为我国高等教育的重要任务。微生物学作为生物制药类等学科的专业基础课程，是一门应用性很强的学科，在推动整个生命科学发展的过程中起到了强大动力作用。在传统的课堂教学中，主要是通过教师在课堂上单方面的讲授知识，学生被动接受知识，这样一来很多学生就养成了不爱动脑、不爱思考的习惯，缺乏自主学习与创新意识。为适应时代与社会发展的需要，培养具有探索精神和创新能力的人才，积极推进微生物学教学改革，完善和提高微生物学教学方法与手段势在必行。为此，我们在日常教学中做了一些尝试，主要是从关注身边实际问题、再现经典理论诞生过程、基础理论与学科前沿相结合、思政工作有机融入课堂教学以及优化和拓展实验教学内容五个方面来培养学生的创新意识与创新能力，为学生以后从事科研工作种下“种子”，为学生科研思想萌芽奠定基础，引导学生扣好人生第一粒扣子。

一、关注身边实际问题，提升学习兴趣，激发学生的创新潜能

近年来，与我们生活密切相关的诸如细菌耐药性、非洲猪瘟、禽流感、生态保护等现实问题层出不穷，从身边的实际问题讲起，可以将看似枯燥无味的课堂教学与生活现象联系起来，提高学生的学习兴趣，激发学生的好奇心与创新潜能。

目前，禽流感因其是危害人类健康的一种新的传染病，已成为大家关注的焦点之一。禽流感病毒(Avian influenza virus)通常是呈球形的多型丝状病毒，在分类学上属于正粘病毒科(Orthomyxovoridae)，该病毒科主要是由A型、B型和C型三个流感病毒属组成，均能感染人类[3]。研究发现，不同的禽流感病毒对人的感染性会有所不同，自1997年香港首次爆发了人类H5N1禽流感以来[4]，1998年我国大陆亦出现了H9N2型禽流感[5]，2003年荷兰发现了H7N7型禽流感[6]，而2013年我国又首次发现了人感染H7N9型禽流感，给人类生存与健康造成了新的威胁[7]。面对日益严峻的形势我们应该怎么做？让学生自己上网收集相关资料，写出相应的论文，相互交流观点并总结。学生主要从以下几个方面对禽流感问题进行了探讨：禽流感与人类禽流感的关系；禽流感病毒的致病性；禽流感病毒病的流行病学特点；禽流感病毒能否引起流感的流行以及禽流感病毒病的防治措施。通过上述活动，学生对微生物的认识不再是单调的课本知识，而是活生生的现实生活，这样一来学生会主动关注与本学科相关的社会问题，极大地调动了学生学习兴趣，激发了学生创新潜能。

二、再现经典理论诞生过程，开拓学生的思维能力

创新思维能力的核心是认知能力，没有良好的认知能力大多就没有科学上的新发现。故在日常教学中，我们应该重点加强对学生认知能力以及思维能力的训练，以期能开阔学生的思路。而再现经典理论的形成过程，还原当初的实验思路与精妙的实验方法无疑是最有效的一条途径[8]。

比如在讲解到基因突变的自发性和不对应性的证明时，对影印实验进行了详细的解读：Lederberg夫妇于1952年设计了一种相当巧妙的影印培养法，即在一系列平板的相同位置上能出现相同菌落的一种培养方法，其目的是直接证明微生物的抗药性突变与其相应的环境因素无关，是自发产生的。为了证明上述结论，Lederberg夫妇巧妙设计了两种类型的平板：一种含有药物，一种不含药物，再把长有一定数量菌落的培养皿倒置于影印接种工具上(相当于“盖印章”)，接着把印章上的细菌分别接种到上述两种类型的平板上去，相同条件下培养后对两种平板上长出的菌落位置进行观察，若在含药物的平板上长出了一个菌落，说明该菌落为抗该种药物的菌落，然后到不含药物平板上的相应位置去观察，结果也找到了该菌落的 “孪生兄弟”。接着再把该菌落培养，重复上述实验步骤，最终完全可以得到纯的抗性菌株。这说明了抗性菌株的产生与药物的加入没有关系，因为在没有接触药物的情况下，也筛选到了抗该药物的菌株，药物的加入只是起到了把抗性菌株筛选出来的作用[9，10]。通过梳理该实验过程，使学生对前人的研究工作与研究思路有了更具体的了解，这种巧妙的实验方法让学生耳目一新，训练了他们的认知能力，开拓了他们的思维能力。

三、基础理论与学科前沿相结合，提高大学生的创新能力

微生物学课程重点讲授微生物的形态、构造与功能、微生物的营养与培养基、微生物的生长控制、遗传变异与育种、微生物的生态以及分类进化等基础理论方面的内容，同时微生物在工农业、医药及环境保护等领域的应用也是我们要讲授的内容。但仅仅通过课堂教学来向学生传授知识，并不能让学生对微生物学这门课程具有深刻的理解，再加上微生物学涉及面较广且发展迅速，因此要及时介绍学科的前沿发展动态。在授课过程中将基础理论与前沿科研结合起来，可以有效提高学生的主观能动性，促使他们会更加积极主动地关注生命科学领域新动向，为提高大学生的创新能力打下良好的基础。

比如在讲授细菌的特殊构造伴孢晶体时，将其与生物防治相联系。在讲解了伴孢晶体的基本知识后，还重点讲述了伴孢晶体的杀虫机理，以及将产伴孢晶体的细菌制成生物杀虫剂，对鳞翅目、鞘翅目等昆虫具有显著毒杀作用。在此基础上还穿插了以下内容：1)苏云金杆菌(简称B.t.)是当前应用最为广泛的一种生物杀虫剂，具有杀虫谱较广、无环境污染、对农产品的品质无影响以及不杀伤天敌等优点[11]，故生物农药适合生产绿色农产品的要求，已受到人们的广泛青睐。2)B.t.生物杀虫剂在实际应用中具有局限性：首先是受到使用时间的影响，要在多数害虫的取食期间以及在其初孵至1龄阶段使用该产品才会有良好的效果[12]。其次B.t.生物杀虫剂会受到太阳紫外线的影响，药效期一般是3～5天，较短，且杀虫速度较慢。要解决上述问题，必须要有相应的措施跟上。3)目前，美国Valent生物科学公司、美国杜邦公司、德国拜耳公司、丹麦诺维信公司等已成为生物杀虫剂市场中的优秀者。近日美国生物农药公司MBI宣布其紫色细菌PRAA4-1菌株的活性成分Grandevo WDG 获得美国登记批准，该产品杀虫机理在于使刺吸式害虫、咀嚼式害虫及蝇类等停止进食，最终死亡。这些学科前沿知识点的介绍，非常吸引学生的兴趣，开发了他们的创造活力。

四、思政工作有机融入课堂教学，做到立德树人

微生物与人们生活息息相关，因此，在日常教学中融入育人理念，对学生潜移默化的进行德育教育。例如在讲授“微生物生态”这一内容时，介绍如何保护环境，对污染的水体如何采用微生物的方法进行处理，使水质达到国家排放标准。同时，要树立环保意识，减少污染物的产生和做好垃圾的分类，践行习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的思想。在讲授“病毒”这一章时，向学生介绍中国著名微生物学家、病毒学家汤飞凡院士，1929年毕业美国哈佛大学医学院，祖国的召唤，使他毅然放弃国外优越的环境，学成归国后积极投身于祖国医学教育事业，作为前线医疗队员的身份参加过抗日战争。中华人民共和国成立后为防控传染病流行，20世纪50年代，他的团队仅用2个月成功研制天花疫苗，使中国在20世纪60年代初就消灭天花传染病，而其他国家在16年后才取得这样的成绩。同时汤飞凡院士发现了沙眼的病原体为衣原体，因此被称为“衣原体之父”；并主持制定了中国第一部生物制品规范——《生物制品制造检定规程》。从汤飞凡院士身上可以看到，优秀中国科研工作者成功之处在于能敏锐观察到身边的现象，深入开展基础研究，探寻机理并解决实际问题，挽救了苦难中的中国。以自身才能来报效祖国，是每位当代大学生应有的情怀与追求，以榜样的力量，塑造具有创新意识和创新能力的时代新人，做到立德树人。

五、优化和拓展实验教学内容，激发学生实验学习热情

微生物学作为生物制药类等学科的一门重要专业基础课程，应用性极强，让学生深刻理解课堂理论知识并将其应用到实践中去，从而能激发本科生的学习热情。学生没有无缘无故的学习热情，为激发学习热情，在实验教学中我们做了以下三点的尝试。

(一)课前布置3～5题预习思考题，促使学生养成课前预习的习惯

图1 学生预习革兰氏染色的实验流程图

预习思考题主要是涉及实验原理部分的内容，比如在革兰氏染色实验中，其实验原理是染色后不同菌株会出现不同染色结果，这部分内容是布置预习思考题的核心。除此之外，实验步骤要求学生采用流程框图的形式绘制在实验报告上，清晰明了，避免学生边实验边看书，导致在课堂上手忙脚乱。如2017—2018年第二学期制药工程专业大二本科生在做“革兰氏染色法和KOH快速鉴定革兰氏阴性和阳性菌法”，实验前学生绘制的实验流程图(图1)。课前预习有利于培养学生独立思考、发现问题的能力，在实验过程中带着问题学，针对问题改，从而提高实验教学质量和教学效果。

(二)开设的实验项目由基础到综合，循序渐进培养科研思维

微生物学实验共20学时，1个学分，每年授课学生数400人左右，基础性实验主要是训练学生的基本实验技术：无菌操作技术、显微镜观察、分离纯化技术与微生物培养技术。在实验教学中我们优选经典的基础性实验，实验项目共5个，学时数为8学时。其中，显微镜的使用与细菌基本形态的观察2学时、细菌的简单染色与革兰氏染色法2学时、微生物大小的测定1学时、酵母菌的镜检计数法1学时、培养基的制备与灭菌2学时。在完成前期基础性实验的基础上，依据微生物在食品、制药、动物科学和生物工程等领域的应用，结合学生所学的专业，开设不同综合性实验，综合性实验项目2～3个，12学时。如在食品专业开设产蛋白酶菌株的筛选和食品中大肠菌群检验；制药工程专业开设项目为产抗生素菌株的筛选和微生物抗菌谱的测定。引导学生就其生活中发现的由于微生物产生的现象和感兴趣的热点进行讨论发现问题，查阅文献资料，从微生物的角度分析问题、解决问题，设计出合理的实验方案。在综合性实验开设中，学生全程独立设计、完成实施、实验结果分析、得到的结果与预期是否一致，如果结果不一致分析其原因。例如针对2017级制药工程专业的本科生，设置了产抗生素菌株的筛选综合设计性实验，学生在查阅资料基础上，应选择什么地方的土壤？如何取土？选择哪种培养基？如何进行微生物的分离纯化及培养？分离得到的微生物哪些形态特征？形态观察后属于哪种类型的微生物？选择哪种供试微生物？是否产生抗生素及产抗生素能力如何？在实验中这些问题要逐一解决。通过综合性实验能有效激发学生的学习热情，同时培养科研思维。

(三)奇思妙想微观世界，引导学生申报大创项目和参与学科竞赛

2014年开始的安徽省大学生生物标本制作大赛，是由安徽省教育厅主办的一个全省生命科学类B类赛事，每年举办一次。每年我校均有学生报名参加省决赛，有关微生物方面学生主要围绕的是微生物标本制作，选用不同形态特征的微生物组合在一起，接种至相应的平板上，经培养后的菌落构成一幅色彩艳丽，反应时代主题的细菌画或工艺品。例如制药专业学生开拓创新，用细菌绘制出栩栩如生的“十大皖药”，获得省二等奖；生工专业学生开动脑筋用细菌绘制出兰花艺术画，经压胶处理后做成茶杯盖，既具有一定的艺术性，又具有一定实用价值。动物医学专业学生在第五届全国“生泰尔杯”大学生动物医学专业技能大赛中获国家级三等奖，学生在病原菌检查与血凝试验这部分内容取得了良好的成绩。

大创项目学生每年都积极申报，有关微生物课题中标的有2～3项；校研究性学习每年中标与微生物有关的课题有15项左右。通过这些项目申报，学生初步掌握科研的一般过程：申请书的撰写、开题、实验过程及数据记录和处理分析、结题报告的撰写和答辩结题。上述过程的实施有效地培养学生创新能力。

总之，通过上述的探索与实践，大大增强了学生的创新能力。很多学生对微生物这门学科表现出浓厚的兴趣，他们也有了自己的观点或创意：有的学生立志于霍山石斛内生菌群的分析并研究其对霍山石斛品质的影响；有的学生则对微生物来源的生物杀虫剂有了浓厚的兴趣；有的则希望探索土壤修复的微生物菌株筛选方面的研究。绝大部分学生在学完微生物这门课后能独立完成有关微生物方面的本科毕业论文工作。更有甚者是部分学生通过考研深造来更加深入的研究微生物这门学科。不过，以培养创新人才为核心的教学改革将是一个长期的过程，在今后的教学中我们将继续研究和探索，总结经验，吸取教训，为培养出更多的科研创新型人才打下良好的基础。