POPBL模式微生物学实验课程教学改革探索

刘 倩，魏 涛

(北京联合大学 生物化学工程学院，北京 100191)

微生物学是生物学的重要分支学科，它是在分子、细胞或群体水平上研究各类微生物的形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的基本规律，涉及的理论知识内容多、深度广，是高等院校生物类专业必开的一门专业必修基础课程[1-2]。微生物学又是一门应用性和实践性极强的课程，其配套的微生物学实验课程对学生加深理论认识、掌握微生物学研究所需要的基本操作技术和实验技能、培养分析问题和解决问题的能力具有重要作用。一些高校在本科阶段开设微生物学课程的同时，一般都会开设配套的实验课程，但在实验课程内容设置上通常较为分散，只选择经典实验进行独立操作，不同实验间关联性较差，缺乏对微生物学相关实验设计和技术的系统深入学习。因此在进入研究生培养阶段时，一些学生的微生物学理论知识和实验技能存在缺陷，理论与实践割裂，难以根据研究目的选择合适的实验方案，并且在出现问题时无法从理论角度入手，寻找问题症结，限制其在相关学科领域的持续发展。

为加深相关专业研究生微生物学理论知识认识，整合本科阶段所训练的实验技能，提高学生的科研能力和创新意识，协助学生获得科学问题研究的实践经验，实现从知识储备到实践与应用的转换，同时训练并增强学生查阅文献能力、表达能力、团队协作意识和沟通能力，探讨了POPBL(problem oriented and project based learning)模式，即问题导向的学习模式在研究生微生物学实验教学中的实践和应用，为相关专业研究生微生物学实验教学提供一些经验和思考。

1 研究生微生物学实验课程教学现状分析

目前我国高等教育本科阶段开设的微生物学实验课程，多以培养学生的微生物实验理念，让学生接触、练习基本的微生物实验操作，初步学习结果展示方式及讨论分析方法为目的，在操作上依照详细的实验方案，学生在实验过程中往往是照本宣科，缺乏思考。而进入研究生教育阶段后，微生物学实验只是在实验内容及操作的复杂度和难度等方面有所增加，专业针对性不足，使学生在运用理论知识解决实际问题时，存在一定困难。综合来看，研究生微生物学实验课程在教学中存在以下问题。

1.1 实验内容设计不系统

研究生阶段的微生物学理论课程与本科阶段相比，内容更关注学科前沿发展，聚焦专业，基础理论知识较少，更突出知识的系统性和完整性，注重理论知识在研究活动中的应用。而传统与之配套的微生物学实验，在教学设计和内容上与本科阶段相比，只是从实验内容和操作上难度提高，或者由单一的实验向上游或下游扩展为一个系列实验，多以验证型实验为主，以掌握实验原理和训练动手操作为主要目的，各实验之间关联较小，缺乏系统性、探索性和创新性，专业针对性较差，对学生科学思维的训练以及掌握科学问题研究的方法效果较差。

1.2 教学方法较为传统单一

传统的研究生阶段微生物学实验课程教学方式方法与本科阶段教学手段基本一致，都是以教师讲述、演示为主，或是教师指定方法，学生自主查找具体操作。在此过程中，还是以教师为教学活动的主角，学生参与度较低，自主思考较少，无法发挥学生的主观能动性，对其后续自主开展科学研究活动没有起到较好的训练作用。

1.3 考核方式单一，评价方式不科学

对研究生的实验课程来说，获得正确的实验结果或者掌握某一个实验操作和实验技术并不是课程最主要的目的，最重要的应是学生在开展实验过程中形成研究思路、选择研究方法、设计实验及分析出现的问题，这对学生后续开展研究工作至关重要，但目前在课程考核方式上，还是以实验报告和课堂表现为主，过于注重结果，对学生在课程中的思考过程、发现问题和解决问题的能力没有进行考察。

2 POPBL教学模式

POPBL是由丹麦奥尔堡大学提出的以问题为导向的学习模式，主要特征就是以“problem”为导向，以“project”组织学习，鼓励学科交叉和跨学科实践，强调多人合作实现学习过程[3-5]。POPBL教学模式根据教学内容、要求以及学生知识能力水平提出具有实际意义的、难度适中的问题，让学生根据问题去挖掘、总结背后的科学问题和疑问，然后通过自主思考、查阅文献等方式寻找解决办法，并将方法形成完整、可行的实验方案，进而动手操作、验证方案，从方案结果中得出结论，最终解决问题。在该过程中可以较好地培养学生自主学习能力、表达能力和独立思考能力，实现学科交叉，综合运用与问题相关的多学科理论知识，增加学习的系统性和挑战性，同时该教学模式以小组形式开展，有利于培养学生的团队协作能力和沟通协调能力。该教学模式中包含了探讨性教学、翻转课堂等教学方式和思想，注重过程考察，已有的教研成果表明其在培养学生科研素养和实践水平方面具有良好的效果[6-8]，因此该模式对研究生阶段的微生物学实验教学也具有其独特的优势。

3 POPBL教学模式在研究生微生物学实验课程教学中的实践

3.1 课程基本情况及学情

我校研究生微生物学实验课程为32学时，目前已完成3个年级的授课活动，班级人数维持在10～15人，在教学活动开始之前，通过问卷调查对学生情况进行了解。如表1所示，在课程背景方面，大部分学生在本科阶段选修过微生物学、生物化学、分子生物学等相关的实验课程，但几乎没有采用过POPBL教学方法，还是以传统实验课教学模式为主；在科研经历方面，只有少数学生参加过科技竞赛或曾经进入实验室工作，并且这两部分学生存在重合，除毕业论文外，没有学生在本科阶段撰写过科技论文；在开展研究可能存在的问题和难点方面，学生认为方案整理、实验操作、结果总结归纳及问题分析难度较高。整体而言，我校研究生呈现课程背景较好，但缺少科研经历和经验及科技论文撰写训练的特点。

表1 学生基本情况问卷调查

3.2 采用问题导向的启发式教学

根据我校研究生知识能力特点，将POPBL教学模式引入微生物学实验课程中，使课程内容凝练为一个研究问题，即“产α-淀粉酶菌株的分离筛选、菌株突变、发酵条件优化及产物纯化”。α-淀粉酶是一类重要的工业用酶，在食品、饲料、医药、造纸等领域具有广泛应用[9-10]，本课程中选择该物质为研究对象，具有较好的典型性和代表性。

将上述研究问题细化为4部分内容：(1)产α-淀粉酶菌株的分离筛选与鉴定；(2)产α-淀粉酶菌株的突变；(3)产α-淀粉酶菌株的发酵条件优化；(4)α-淀粉酶的分离纯化。该研究问题为经典的微生物资源发掘、优化和应用案例，涉及微生物学大部分的理论内容和知识点。在本案例中主要从以下几个方面引导学生进行思考和方案设计：(1)所要筛选的菌株性能是什么？在实际生产应用中有何特点？根据筛选目的怎样选择或创造合适的地点和环境进行采样？例如，当采样条件不便利时，是否可以通过将淀粉含量高的食品暴露在温度湿度合适的环境中来创造采样样品？怎样建立一个快速、高通量的分离筛选方法？获得菌株后应该利用何种手段对其进行鉴定？引导学生思考目的菌株的营养特点及生产要求，根据菌株形态结构选择合适的鉴定方法，运用分类和系统学进行命名归属。(2)实际生产研究中常用的菌株突变方式有哪些？在本研究问题中根据实际条件选择哪种突变较为合适？引导学生根据菌株种类、实验目的和实验条件选择合适的突变方法。(3)为提高菌株α-淀粉酶产量，在发酵条件优化方面可以从哪些角度入手？选择什么参数进行优化？优化方式有哪些？引导学生根据菌株的生长繁殖及代谢特点选择合适参数和方式进行优化。(4)从微生物的代谢产物中进行蛋白质的分离纯化通常有哪些方法？α-淀粉酶具有什么特点？根据这些特点选择什么方式纯化较为合适？纯化过程中如何检测分析？引导学生根据微生物的种类、发酵特点、酶特点选择合适的方式进行分离纯化。

3.3 跨学科、跨课程教学内容设计

从上述研究内容设置可以看出，选择的研究问题为经典的微生物资源发掘、研究和应用案例，研究中涉及的理论内容和知识点包括微生物的结构、营养、代谢、生长繁殖及控制、遗传、系统发育和分类鉴定等，涵盖了微生物学大部分的基础理论知识，从学科本身的系统性和完整性出发，通过一个基本的研究问题，将各部分内容有机衔接在一起，较为系统全面。此外，在当今的科学研究中，很多科学问题的研究都要涉及多学科知识的综合运用，跨学科、跨领域的理论和技术整合对科技发展具有巨大的推动作用，而具体到微生物学实验这门课程上，选择的研究问题也充分体现了学科交叉的特点，如菌株的分类鉴定和突变运用了分子生物学和生物信息学知识，发酵条件优化涉及发酵工程及统计学知识，酶的分离纯化则运用了酶工程、生物分离工程等相关知识和内容(图1)，通过知识融合、实践渗透的方式，提高学生综合运用科学理论知识的能力。

图1 微生物学实验POPBL教学方案实施过程

3.4 形式丰富的研讨过程

传统微生物学实验课程在实施过程中，多由教师提供详细的实验方案和操作步骤，或是提供实验方法名称，由学生自行查找，在该过程中学生始终处于被动状态，缺少独立思考及方法选择。而采用POPBL教学模式进行微生物学实验教学，在对学生提出问题并引导学生进行一定思考之后，要求学生自行分组，然后将该问题作为一个项目。针对项目中要达成的目标，通过查阅与问题相关的文献资料，并结合实验室具备的实验条件和仪器设备，以组为单位提出完整的解决方案，制作方案展示文档，向同学和老师阐述本组的研究原理、方案和预期成果，对方案的科学性和可行性进行充分讨论，形成详细的研究方案书面材料。在实验操作过程中，教师对关键步骤的操作要点和注意事项进行讲解，利用“蓝墨云班课”等线上教学助手，上传实验操作及软件使用相关的视频及学习资料，引导学生熟悉实验原理、操作、仪器及软件的使用。此外，在实验结束之后，针对实验结果和实验过程中出现的问题进行总结、分析和讨论，提出可能的改进措施，形成实验报告。

3.5 构建更加科学的课程综合评价方法

微生物学实验课程评价一般以实验报告和课堂表现、课堂出勤为主。因此根据POPBL教学模式的核心思想和特点，将微生物学实验课程评价分为3部分，即实验方案设计、实验操作和实验报告。实验方案设计部分从问题提炼能力、文献调研能力、方法论证能力、表达能力、团队合作能力等指标进行评价；实验操作部分从原理掌握、动手能力、仪器使用、团队协作等指标进行评价；实验报告部分从结果展示规范程度、问题分析能力等指标进行评价。该考核方法从更加重视思考性和创造性的角度全面、科学地给予学生评价(表2)。

表2 微生物学实验课程的考核内容及相应权重

4 POPBL教学模式在研究生微生物学实验课程教学中的应用效果

为了解学生的学习成效，在课程结束后对学生进行了第二次问卷调查。结果表明(表3)：大部分学生认为本课程内容设置、难度及分组规模较为合理，在项目实施过程中62.5%的学生阅读了10～20篇文献，21.9%的学生阅读了20篇以上文献，文献查找及阅读能力有所提高；在实验方案设计方面，学生最开始提出的方案经常没有考虑研究目的和实验条件，方法较不合理，可行性不高，而通过本课程的训练，组织学生进行详细、深入的课堂讨论，学生逐渐学会根据实际情况从多种实验方法中选择最佳方案，更加注意实验设计的科学性、周密性和可行性；在实验操作方面，学生认为通过本课程动手能力、仪器使用及统筹安排能力有所提高；在结果分析讨论方面学生可以针对结果进行较为充分的讨论，对存在的问题进行一定深度的分析，并提出可能的解决方案，在数据处理、科学规范的展示实验结果等方面能力有所提升。通过本课程的学习和训练，学生在参加科技竞赛和撰写科技论文方面的比例明显提高。总体而言将POPBL模式运用于微生物学实验课程，整个教学过程以学生为主体，通过问题导向，增加了课程的趣味性，激发学生的学习热情和主动性，使学生得到一定的科学研究训练，科研素养有所提高。

表3 教学效果问卷调查

5 总结

传统的微生物学实验内容分散，系统性不强，考核中实验结果部分占比较高，不利于学生探索精神、创新精神的培养。通过对研究生微生物学实验课程的教学内容和方式进行改革，引入以问题为导向的POPBL教学模式，设置经典的、跨学科跨课程的微生物应用问题，从该问题出发，引导学生挖掘问题本质，归纳要点，设计讨论实验方案，操作实践并总结结果，激发学生的探索精神，提高科学素养，让学生体验到科学研究的严谨性和趣味性，为学生后续在相关学科领域的发展提供一定助力。同时也应注意到，POPBL教学模式以学生为主体，对学生的学习能力、思考能力、动手能力和自我约束能力有一定要求，因此教师在教学过程中要时刻注意观察学生状况，适当时机给予帮助和督促。