基于科学前沿的“一体式”微生物学开放实验课程探索

陈振娅，马晓焉，霍毅欣

(北京理工大学 生命学院, 北京 100081)

微生物学对高价值化合物的绿色生物合成至关重要。随着微生物学理论与方法的不断发展，它的应用领域持续扩大，包括食品生产、化工燃料、环境保护、能源和冶金工业等多方面[1]。微生物学理论课堂教学课程包括分子生物学、生物化学、微生物学、发酵工程等，理论课程设计注重分类，以便学生深入学习和掌握理论知识，但这也使学生在学习过程中很难将课程的相关知识进行串联整合，无法在脑海中搭建较为完整的微生物学知识体系，缺乏对各课程之间关联性及原理的深度理解[2]。

目前，微生物学实验课程设置分散，相互独立，互不融合，致使学生对实验原理的理解和实验操作停留在单一实验上，弊端是缺少独立思考，只能被动开展实验，导致课题进展缓慢。这些问题的根源是在本科教育中缺乏对学生独立思考及创造性思维能力的培养，不同于微生物实验课程，微生物学开放实验课作为一门开拓性课程，其目的主要是使学生在了解微生物学相关知识的同时，能够学以致用，进一步将其应用于实验设计中，激发学生的主观能动性和创新思维。

微生物学开放实验课程是基于“微生物学理论课程”下的实践操作性课程，目前主要面向高等院校的本科生，一般学时为32学时，学分为2学分。微生物学开放实验课程不同于基础的课堂教学，其主要目的是为了在操作的过程中激发学生自主思考，从而发现问题、提出问题及解决问题。微生物学开放实验课程需要学生主动地将所学知识进行整合归纳，并根据自己的理解和掌握情况，设计实验并进行验证[3]。微生物学开放实验的教学更应注重老师与学生之间的交流互动，激发学生的科学研究兴趣，引导学生发散思维，从而成为国家科学研究的栋梁之材[4]。

微生物学开放实验课程是高等院校深化课堂教学内容的重要环节[5]，同时，微生物学开放实验课程是学生整合串联微生物学实验课程及激发创新思维的关键步骤[6]。目前，科学技术飞速发展，微生物学领域诞生了一系列先进的技术和方法，如近年来涌现的CRISPR/Cas9等高效精准的基因编辑工具，研究者们利用此基因编辑工具取得了显著的研究成果，如实现了微生物底盘宿主的鲁棒性改造，获得了高价值化合物的优良生产菌株，发表了一系列高水平文章。因此，为提高学生的理解和接受能力，加强学生应用实践及科研创新能力的培养，结合生命学院开放实验教学工作的实际情况，针对微生物学开放实验教学模式及考核方式进行改革探索，教师应依据前沿科学进展为导向，注重开放实验课程的科学前瞻性和实际应用价值，设置“一体化”形式的微生物学开放实验课程，使学生在实验学习过程中，不仅能够掌握基本实验原理和操作，同时也能够解放思想、发散思维、大胆设想、敢于实践(图1)。此种“一体式”的实验教学模式，能够激发学生的科学研究兴趣，培养学生敢于创新的能力，提高学生的系统学习质量，强化学生的实验技能及综合能力，最终将学生培养成为应用创新型人才，为学生以后的科学研究及应用实践工作奠定坚实的基础。

图1 以前沿科学进展为导向的“一体式”微生物学开放实验课程设计图

1 “一体式”微生物学开放实验的教学实施

1.1 设置以前沿科学进展为导向的“一体式”微生物学开放实验课程

微生物学开放实验课程作为一门综合性科目，包括分子生物实验、微生物实验、发酵工程实验以及生化实验等4个模块。同时，每个模块包括一系列基础实验操作。分子生物实验包括PCR扩增、分子克隆、琼脂糖凝胶电泳、质粒提取等。微生物实验包括涂板富集、接种培养、培养基配制及灭菌、菌种鉴定及形态观察等。发酵工程实验包括发酵罐消杀、发酵培养基配制、种子液制备、补料实验及取样等。生化实验包括样品处理、葡萄糖含量检测、氨基酸及蛋白质鉴定等[8]。生命学院在课程设计和安排时，不同学科之间分类明显，致使学生无法对实验进行系统的学习和操作，对实验的掌握仅停留在某一个基础实验或某一个模块中，在学习结束后无法掌握微生物学实验的精髓，难以将其应用到实践中，无法进行创新探索，微生物学开放实验是弥补这一短板的重要手段。

微生物学开放实验教学应以前沿科学为导向，设置开放创新课题。教师作为引路人，应该紧跟前沿科学进展，阅读近期微生物学相关高水平期刊文章，了解高价值化合物微生物工业化生产最新进展，并进行归纳总结，紧密结合微生物学理论课程，设置与前沿科学和微生物学理论课程紧密结合的开放实验课程，例如，设置课题“高价值化合物没食子酸的高效生物合成”。此外，可根据学生的需求设置“自主实验”模块，鼓励学生根据科学前沿知识自主设定课题，设计实验，拓展学生知识领域，以此大力推动学生对毕业实验设计及未来科研生活的认知，给学生埋下科学研究的种子，为国家培养更多的微生物学科研领军人才。

1.2 开展“引导式”的深层次微生物学开放实验教学

为进一步开拓学生的头脑风暴，教师不应再是教学的“主人”，应换化成教学的“引领人”，引领学生探索微生物学实验的操作原理及目的应用，让学生边学习边思考，而不是被动接受老师的传输。同时，教师应进一步带领学生探索未知领域，使学生积极主动地进行创新设计，催生学生潜在的内驱力。在探究的过程中，让学生学会方法，形成技能，从而达到微生物学开放实验教学的最终目的。与此同时，教师应及时关注学生的内在需求，适时介入，与学生共同学习。

以“高价值化合物没食子酸的高效生物合成”为例，此课题主要分为3大实验板块进行：设计与优化没食子酸生物合成途径；构建没食子酸生物合成途径；发酵生产及产量验证。课题的总体设计思路及开展流程如图2所示。教师首先将学生组建为2～3人的实验小组，向每组学生提供5～10篇前沿科学文献作为背景知识学习，学生也可自行检索相关文献作为补充，进一步了解没食子酸生物合成的发展进程，并在通读后以文献总结汇报的形式，对所提取的知识信息进行汇总和确认。教师引领学生检索相关数据库如NCBI、BRENDA等，同时结合文献报道内容，引导学生挖掘没食子酸合成途径中相关酶，并以前沿科技论文为例，教授学生如何设计与优化没食子酸合成途径。随后，学生根据设计完成的没食子酸生物合成途径，撰写实验方案，实验方案内容应包括如何构建合成途径，如何将途径转化到发酵菌株中，如何进行发酵实验及如何进行发酵生产验证。在实验方案制定过程中，组员根据自己的知识背景提出各自的思路，共同讨论决定采用哪种思路或进行方案的融合，并制作PPT进行课堂汇报，由其他小组的成员和老师提出问题进行现场答辩，教师应对实验方案进行详细评阅，给学生分析实验方案的可行性及不足之处，详细讲解每个实验的目的，之后组员根据问题建议进行方案修正与完善，制定最终实验方案。根据实验方案，教师指导学生构建没食子酸生物合成途径，此过程涉及如何设计引物，如何克隆目标基因和如何构建重组质粒，教师在教授的过程中渗透式讲解每一个实验的原理，让学生理解每一个实验的可行性和必要性。随后，教师指导学生将带有合成途径的重组质粒转化到发酵菌株中，引导学生查阅发酵文献和数据，确定最优发酵实验条件。根据制定的最优发酵条件，教师引导学生进行发酵实验来生产没食子酸，并教授学生使用分离分析仪器。在生产过程中，每间隔12 h取样，并对样品进行离心处理，将上清液过滤膜，利用高效液相色谱仪检测上清液中发酵产物含量。在此过程中，学生能够掌握发酵生产技术及高效液相色谱仪的使用。实验完成后，学生根据实验结果，撰写实验报告，分析实验数据及指出实验中应该注意的问题。同时，从学生角度出发提出未来可以改进的地方。

图2 “高价值化合物没食子酸的高效生物合成”总体实验方案及开展流程图

在课题推进的过程中，学生虽有已设定的实验方案，但是在具体的操作过程中仍会遇到一系列问题，包括“引物设计过程中需要注意的事项”“如何确定质粒构建成功”或“在液相色谱检测过程中如何设置检测程序”等。因此，教师的引导作用就显得尤为重要。课题的顺利进展，不仅需要学生的积极主动性，更需要教师在过程中对学生的正向引导。学生在实验过程中遇到问题后，教师需要及时与学生沟通，了解问题所在，并引导学生解决问题，例如，“在液相色谱检测过程中如何设置检测程序”，可检索使用相关文献，并对参考文献中提到的方法进行测试验证。在设计引物的过程中，教师在讲解基本原则的基础上，应鼓励学生自行设计，在学生亲自操作的过程中，一步步引导学生发现问题，并对其进行纠正，从而让学生明白引物设计的注意事项。开放实验课程采用学生主导的教学管理模式进行过程考核与成果汇报，让学生主动参与到文献调研、实验方案设计、评估讨论等环节中来，充分体现了开放式教学的精髓，提高了学生的自主探索和学习能力，增加了学生之间、学生和老师之间的互动交流，提升了同学的积极性和主动性。同时，开放实验课程在学生的脑海中搭建了基本的科研思维图，为以后的科研奠定了基础。

在微生物学开放实验教学的过程中，教师应进一步注重学生未来的发展[7]。微生物学作为一门科学前沿课程，其主要目的是为国家培养高端的科研优秀人才，教师应在教学的过程中，关注国家对微生物学领域的需求，注重对学生科研思想的灌输和教育，使学生能在未来的深造路途中为国家做出更多贡献[8]。

1.3 建立“开放式、多样化”的微生物学开放实验考核体系

作为检验学生对微生物学实验操作掌握情况的方式，考核体系应包含基础实验操作考核、实验原理考察及综合实验设计3个方面[9]。通过以上方面，不仅能检测学生的学习情况，也能促使学生对自己进一步认知，发现漏洞及时补上。“一体式”微生物学开放课程设置了一套综合性的评分体系(表1)。该套考核体系主要包括以下5个方面：文献检索及汇报、实验方案设计、实验具体操作、课题中期汇报及实验总结报告，分别占总分的10%、20%、20%、30%和20%。文献检索及汇报部分为5个模块，每个模块给予不同的分数，如检索文献能力(6分)、研读文献能力(7分)、指出文献漏洞(9分)和给出解决漏洞的方法(10分)，学生可根据自身研读文献的能力自主选择考核适合自己的模块。鉴于每一位学生在实验过程中对实验部分的上手能力各有差异，学生可根据自身对每一部分实验的操作能力，向教师提出考核自己的实验具体操作部分。实验具体操作部分可分为5个模块，目标基因克隆(17分)、重组质粒构建(20分)、质粒转化(18分)、发酵实验(19分)及发酵产物检测(18分)。课程考核不是课程学习的最终目的，课程学习的最终目的是让学生掌握和熟练所学技能，以用于后续的学习或生活中。因此，设置部分灵活考核模块，有利于学生缓解紧张情绪，学生可根据自身优势进行最佳考核，此种设置不仅能达到考核的目的，还可让学生最大程度发挥自己的能力。实验方案设计、课题中期汇报及实验总结报告的撰写基于学生对实验总体思路和原理的理解，此部分不给予学生选择性，旨在于培养学生的科研思维，让学生充分理解和重视实验整体方案及最终数据分析的重要性。

表1 评分标准

课题的顺利推进，前期的准备工作、中期的实验操作、终期的实验分析总结都十分关键。因此，教师需要在课程开展前，向学生们说明开放性课程的具体考核要求，使学生能够明白理解该课程的重要性，从而秉持着正确的态度进行学习。这种考核体系，不仅能提高学生对微生物学的兴趣，还能一定程度上降低学生面对考试时的焦虑紧张，同时为学生确定未来研究方向打下良好的基础，帮助学生慎重且正确地选择适合自己的研究方向。

2 “一体式”开放实验课程实施成效

作为生命学院教学的一项重要改革，自设置开放实验课程以来，生物工程及生物技术2个专业的本科生均参与到这一改革实践中来，并取得了较为显著的成效。以“引导式”教学为基础，通过开拓学生的主观思维，激发其内在的创造潜力，使学生逐渐形成对实验设计的深度思考及统领意识。同时，以完整的课题设置开展教学，使学生能够系统地掌握微生物学实验技能，并灵活将其拓展延伸至其他相关课题中去。

在实施教学改革的同时，对部分本科生进行了实时调研。调研结果显示(图3)，超过70%的学生对“开放实验课程教学模式”持赞成态度，同时认为该教学模式更适用于生命学院本科生，更有利于培养学生的发散性思维，深度提升对微生物学的认知。

图3 实施成效

学期期末通过统计评教结果，超过70%的学生对该课程教学模式打分超过95分，同时生命学院学生在评教建议提出：开放性实验课程作为“惊喜”出现，让学生体会到微生物学的趣味，在实验设计和操作过程中体会到了成就感和满足感，希望学院可将“开放性”课程设计进一步拓展至其他科目中。通过引导式的教学方式，使生命学院本科生有一个从高中学习、书本教学到实验上手操作的过渡期，逐渐形成科学性发散思维。通过对课题的整体把握和操作，学生能够进一步学习系统的微生物学知识，同时在实际操作中，使所学知识得到进一步的应用，发现新的问题，产生新的思考，激发学生的创新性。在开放实验课程结束后，学生积极加入本实验室“高级醇生产途径中关键酶改造”和“高级醇生物传感构建与改造”等紧随科研热门的新颖性课题之中。

相较于原有的实验课教学方式，本次教改提出的“一体式”开放实验课程的课题设置与科学前沿紧密挂钩，同时整合微生物学理论知识和相关实验，让学生在科学的引领下，在脑海中搭建完整的微生物学知识体系，解决原有实验课教学下学生无法整合串联微生物学理论知识，无法深度理解各课程之间关联性的弊端。同时，在“一体式”开放实验课程教授中，教师采取“引导式”深层次的教学模式，渗透式为学生讲解涉及的每一个实验，引导学生产生头脑风暴，使学生边学习边思考，培养学生的创新创造能力，解决原有实验课教学模式中学生只能接收教师讲述，而无法独立思考的弊端。“开放式、多样化”的微生物学开放实验考核体系让学生在考核时有一定的选择性，学生可根据自身优势选择适合考核的模块，解决了原有实验课教学模式中一个题目决定成绩的弊端，同时最大程度地缓解了学生在考试时的焦虑紧张情绪。此外，“一体式”开放实验课程强化了学生的基本实验技能，加强了学生的系统学习质量，最大程度地提升了学生对科学研究的兴趣和对未来科研工作的向往。因此，“一体式”开放实验课程更适用于生命学院本科生。

通过实施该教学模式，生命学院本科生对微生物学的开拓性思维及学习主动性得到进一步开发。在此教学模式的引导下，超过50%的大二及大三本科生投身于各个实验室研究当中，提前了解并熟悉相关科研内容，为之后的研究生学习打好基础，做好铺垫。同时，学生在该教学模式的激励下能够主动参加各项微生物学相关竞赛，从中得到锻炼提升。

3 研究创新点及展望

微生物学的理论与实践教学尤为重要，为进一步提高学生对微生物学的研究创新，满足国家对微生物学创新型研究人才的需求，微生物学开放实验课程必不可少[10]。本次教学改革通过设置“一体式”微生物学开放实验课程，将微生物学相关实验串联成一条线，进一步深化微生物学课堂教学内容，使学生能够深入融会贯通理论课程与实践课程，从而在脑海中搭建完整的微生物学实验体系，为未来科研创新奠定基础。本次教学改革不足之处在于课程设置的学时太少，本科生缺少实验经验，有些学生可能需要几次实验才能得到满意结果，同时由于学时数的限制，一些理论和实验细节老师无法一一与每一位学生核对，未来需适度增加开放实验课程学时数。此外，本科生对科技前沿文献检索及阅读方面经验不足，英文文献阅读稍显吃力，未来课程中要采取合适的方法提高学生的文献检索及文献阅读的能力，比如如何使用一些常规网站，如何确定检索文献的关键词及一些文献阅读的技巧等。“一体式”微生物学开放实验课程的教学改革方式方法同样适用于设置其他学科的开放实验。后续，为了打破学生思维局限在微生物学领域的壁垒，进一步拓宽学生的创新思维，微生物学的教师可与其他学科如化学、材料学等的教师深入交流讨论，设计将微生物学与其他学科交叉融合的开放实验课程。学科交叉融合是科学创新的关键，从本科开始培养学生的学科交叉融合能力对于培养创新型人才至关重要。此外，“翻转课堂”教学模式可以融入此次改革实践中，学生线下根据个人兴趣爱好查阅检索相关文献，并研读文献，随后设计相应实验思路，在开放实验课上进行实验验证。此外，教学是一门艺术，良好的教学模式和方法有助于全面育人，有助于提高教学质量和效率，有助于将科学精神和人文精神有机统一起来[11-12]。高校教师需进一步提高教学艺术水平，这对培养知情并重及全面发展的人才具有极为重大的意义和不可替代的价值。