生命科学跨学科整合实验教学的改革和探索

陈 奇,刘 刚,滕衍斌,潘林鑫,丁 锐,申传璞,刘晓颖△

(1安徽医科大学生命科学学院细胞生物学教研室, 合肥 230032; 2安徽医科大学生命科学学院生物信息学教研室; 3安徽医科大学生命科学学院生物化学与分子生物学教研室; 4安徽医科大学生命科学学院微生物学与生物工程教研室; 5安徽医科大学药学院中药学教研室; △通讯作者)

放线菌是一类基因组中高G+C的丝状革兰氏阳性菌,其次级代谢产物种类丰富多样,是重要的药用微生物资源[1]。放线菌在自然环境中分布广泛,包括土壤、沙漠、海洋、极地、乃至动植物体内。从环境样品中分离放线菌并挖掘其蕴含的生物活性物质,以用于工业、农业、医药临床、食品等领域,一直以来都是科学家们关注的重要课题,也是合成生物学的一部分基础工作。虽然目前已有大量的生物活性物质用于工农业医药等领域,但近年来,人类对生物活性物质的需求越来越大[1-3]。基于此,作为新时代的生物技术专业学生,有必要在专业培养的基础上,系统掌握相关技术,尽可能弥补这一缺口。

微生物学(microbiology)是近代生物学的分支学科之一,它是在分子、细胞或群体水平上研究各类微小生物(细菌、放线菌、真菌、病毒、立克次氏体、支原体、衣原体、螺旋体原生动物以及单细胞藻类)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,并将其应用于工业发酵、医学卫生和生物工程等领域的学科,也是生物技术专业理论和实验、实践都非常强的专业核心课程[1-4]。与之关系密切的学科为生物化学、基因工程、生物分离工程、合成生物学、天然产物化学、微生物药物学等,这些学科互相交叉,互相促进。因此,系统掌握微生物相关实验技术是新时代生物技术专业培养的基本要求。然而,传统的实验教学中在课程内容设置、教学模式以及评价模式方面存在诸多问题。

1 传统实验教学中存在的问题

1.1 课程之间彼此割裂,缺乏联系

微生物学、生物化学、生物分离工程以及合成生物学等。这几门学科之间彼此关联,互有交叉。而与之相对应的实验课程则是“各自为政”。学生在面对每门课程具体的实验内容时,难以理解与其他实验之间的内在联系,导致只见树木不见森林,缺乏全局意识,继而难以形成完整的知识体系。

1.2 课程内容相对陈旧

经典的微生物学实验设置主要围绕课程研究对象相关的微生物分离筛选、培养、形态观察、染色以及培养基的配置等基本操作技术,各校之间大同小异。该设置相对陈旧,难以满足微生物学科日新月异发展的新需求[5,6]。学生在学习后,并不清楚这些基本的操作和技术如何解决遇到的实际问题,或者怎样应用到一线的生产实践中。

1.3 教学模式较为单调

传统的微生物实验教学以简单的验证实验为主,常以教师为主体。教师讲述基本的原理、步骤、注意事项后,学生机械化地模仿和验证,并期待得到“预定已知”的实验结果。在这个过程中,模式单调,忽略了学生的主体地位[5]。学生在实验过程中经常出现各种问题,且缺乏主动思考和解决问题的意识和习惯。这与新时期复合型人才的培养背道而驰。

1.4 课程评价模式相对单一

现有的微生物学实验的课程评价中,教师主要根据学生的出勤、课堂表现、实验报告、期末考核这些停留在表面上的、文字性的材料,给出相应分数[5]。这导致学生在上课的过程中,只重视书面文字材料的撰写,而忽略整个实验的过程。这种评价模式忽略了学生在实验过程中的参与度以及对问题的思考,较为单一,在很大程度上打击了学生的积极性。因此,我们亟须建立多元化的课程评价体系,以适应新时期的人才培养需求。

2 跨学科实验教学实施方案

现有的微生物实验课程体系难以满足新时期对生物技术专业的人才培养需求。因此,本课题组结合研究方向,设计开展了以菌株资源为主线、实验技能培训为目的跨学科整合实验项目。结合课题组研究方向,我们定位到特殊环境样品放线菌的分离、鉴定、活性物质的发掘及其生物合成研究方面,现汇报如下。

2.1 跨学科整合实验教学项目设计

结合医学院校背景,我们设计了多个不同整合实验项目,见表1,如中药植物土大黄内生放线菌的分离、鉴定,放线菌XC001中次生代谢产物的分离、鉴定和生物活性,放线菌XC001遗传操作体系的建立,放线菌XC001中萜类化合物A的生物合成研究,放线菌XC001中萜类化合物A的调控机制研究等。

表1 跨学科整合实验项目

2.2 跨学科整合实验师资队伍建设

该跨学科整合实验项目主要基于本课题组研究方向。考虑实验课程教学涉及多个理论学科知识体系,我们亟须建立一支基于该整合课程的师资队伍。跨学科整合实验的教学需要多个学科教师的共同参与,因此,参考我院和药学院教师的学科背景和研究专长,构建了一个整合型的师资团队。学科背景涵盖微生物学、生物化学、生物信息学、发酵工程、天然产物化学、波谱解析、植物学、分子生物学、遗传学以及药理学。在课程开始之前,教师首先进行集体备课,完成并完善授课环节的教学设计,编写教师版的实验方案并形成较为完善的校本实验教材。

2.3 选课学生的筛选和初期培训

我们考虑到该整合实验课程要求学生投入大量时间,对相关课程的知识基础要求相对较高,在课程开始之前,需要对学生进行初步筛选和培训[6,7]。学生的筛选主要采用面试的方式。我们通过提问进行差额选定一些优秀学生参与该整合实验教学。培训内容包括教师培训、无菌操作、相关仪器如电镜、PCR仪和HPLC的使用、色谱分离技术、放线菌的菌落形态和微观形态的鉴别、基本生物信息学软件的使用以及实验室安全和规章制度等。这些培训对后续学生实验的顺利实施至关重要。

2.4 跨学科整合实验教学模式

我们以项目1中药植物土大黄内生放线菌的分离、鉴定为例,项目1的实验过程主要包括土大黄植株的采集、土大黄不同部位内生放线菌的分离纯化、放线菌的形态鉴定、放线菌的生理生化鉴定以及放线菌的分子鉴定这些连续过程,来源于微生物学实验课程,但又明显高于此课程。对学生而言,实验具有一定的挑战性。为此,我们采用线上线下混合式以及PBL教学模式,以学生为主体,将教学过程分为以下几个环节。

①教师将该项目涉及的理论、操作视频、文献、实验室安全规章制度等资料通过雨课堂发布,学生提前自主学习,并完成相应的测试题。教师根据学生视频材料的学习完成度和答题情况等进行综合评价,并在后续讨论时查漏补缺。②教师采用PBL(problem-based learning)模式教学,将选课学生分为几个小组。每个小组对应负责项目1涉及的具体问题,学生在查阅相关文献后整理出详细实验方案并进行汇报。教师协助分析方案的可行性和存在问题,最终形成成熟的实验方案。在这个过程中,以具体问题为导向,小组内部成员相互协作,最大程度上发挥了学生的主观能动性,有效地锻炼了学生的团队协作意识和解决问题的能力,可为将来的研究、职业生涯提前养成良好的习惯。③实验操作实践阶段,学生将采集到的土大黄分为根、茎、叶和根际土壤四个部分。每个小组负责处理一个部分,处理样品后进行涂布、分离、纯化、鉴定,实验过程中的每一个环节都由学生自己操作、时间自行安排,保证每个小组、每位学生都参与其中。对于实验过程中出现的问题,学生自行思考或是查阅文献解决。在此阶段,教师并非由学生自由发挥,而是要密切关注学生操作的规范性,并对学生发现的问题引导其解决,尽可能地“置身事外”,不能指手画脚,甚至直接代劳。④汇报总结阶段,教师引导学生按照正规学术报告的形式准备PPT,对整个实验过程以及发现的问题和后续的实验计划进行总结、汇报。各组之间相互进行评价,教师及时总结学生汇报中出现的问题,加以引导。从初始的线上教学、到学生查阅资料形成可行的实验方案、再到实践操作,最后进行总结汇报,在整个过程中,学生参与度高,能够形成良好的专业认同感。这一模式极大地增强了学生的主观能动性,对提高学生的综合能力有较大帮助。

2.5 跨学科整合实验考核方式

考核评价是教学体系中必不可少的一个重要环节,可以反馈学生对知识的掌握和利用情况。传统的实验考核过度依赖纸质的实验报告、期末试卷、考勤等,相对弱化了学生在实验前期的投入、实验过程中的态度、规范性等诸多方面,考核评价模式较为片面,难以对学生形成比较客观、综合性的评价。基于此,我们采用了相对细化和量化的考核评价体系,依据上述教学模式对应的四个环节,分别赋予1∶1∶2∶1的比重,且在每个环节各自有所侧重。①线上学习阶段占20%,包括视频学习、自测。该阶段较大程度上依赖雨课堂的自动功能,主要衡量学生视频的完成度、视频完成的总时间以及自测题的成绩、完成自测题花费的次数和时间。②PBL教学阶段占20%,侧重学生汇报、课堂参与度以及撰写实验方案的质量。③实验操作阶段占40%,该阶段侧重学生实验操作的规范性、实验记录的完整性、实验结果的准确性以及实验过程中对问题的思考和解决等。④汇报总结阶段占20%。该阶段侧重实验报告撰写的完整性和规范性、PPT汇报的学术性、美观性、回答问题的应变和答辩能力等。这一体系涵盖了整合实验的全过程,有利于教师对学生每一个阶段学习情况的掌握,并在后续过程中及时查漏补缺。同时,还有利于反馈学生在实验操作能力、科研记录撰写能力、逻辑思辨能力以及科研创新能力等方面的训练情况。

3 实验整合实施的效果和反思

生命科学跨学科整合实验面向我院生物技术专业,开设于第三学年上学期,目前已连续实施3年,分别有18人、20人、23人参与。经过问卷调查发现,学生整体满意度分别为88.73%、92.57%、97.36%,呈逐年递增趋势。具体来看,改革后的教学模式可以显著提高学生的学习兴趣、动手操作能力、团队协作能力、逻辑思维能力、科研设计能力以及创新能力。

整合课程结束后,每一届均有多名学生参与本课题组的科研课题研究。依托学院、学校的科研平台,学生自行撰写并申请了多个国家级、省级和校级大学生创新创业项目,目前三届学生共立项12个,其中包括3个国家级、5个省级、4个校级项目。同时,有多名学生参与了安徽省大学生生物标本制作大赛并分别荣获二等奖和三等奖;另有多名学生参加了生命科学竞赛,分别荣获国家级二等奖和省级二等奖。

然而,整合实验在取得一定成绩的同时,也暴露出了一些问题:①占用了学生一定的课余时间,在一定程度上影响了学生对各科时间的均衡。②专业师资相对有限,难以真正实现一对一指导教学。③随着方案的逐步完善,越来越多的学生准备参与其中,但限于实验场地和仪器、平台等条件限制,每学年仅容纳学生20名左右。我们后续将不断改善方案,并完善师资队伍的建设,加强实验室、平台的建设和服务,惠及更多感兴趣的学生。

本次跨学科整合实验教学改革以提高学生的科研思维、创新能力以及团队协助意识等为目标,在具体实施过程中以学生为主体自行设计实验方案,并自行安排时间进行操作实践。本次整合实验教学改革以菌株资源为主线、实验技能培训为目的,采用了线上线下混合式以及PBL教学模式,实施效果显著。然而,课程整合实验教学改革是一项长期的、动态发展的系统工程,不同学科和研究背景的教师在具体实施时方案和路径千差万别,这样就导致没有行之有效、放之四海而皆准的改革模式。因此,本次改革实践旨在提供一种参考和借鉴。在后续的教学实践中,本团队将继续努力、探索、实践,并及时更新最新进展,同时不断提高自身业务水准,对现有模式持续优化,最终形成较为完善的教学体系。