生物类本科生综合实验设计与实践的探索

韩宏岩， 许维岸

(苏州大学基础医学与生物科学学院，江苏苏州 215123)

0 引言

随着当今国民经济持续发展的人口、环境、粮食、能源等全球性问题日益突出。国内外众多科学家预测，生物科学将是21世纪的领先学科之一，对生命之迷的探索一直吸引着一大批有志学生投身于生物科学研究领域。高等院校的实验教学是实现创新人才培养目标的重要教学环节，能够锻炼大学生科学思维方式和科研探索能力，提高他们综合分析问题和解决问题的能力，对培养创新型人才具有重要意义［1-4］。

生物类课程具有很强的实践性，各分支学科相互间紧密交叉。有关生物科学的研究已不再囿于早期以观察、描述性手段研究生物体和生命现象，而是运用多学科交叉与融合形成的各种实验技术，通过实验设计和操作，迈入探索和发现生命奥秘的阶段。传统的生物实验教学方式是教师准备好实验所需的一切材料，讲清楚实验步骤，有时还做演示实验。学生只要按照教师设计好的实验内容与步骤做就可以了。这样长此以往就会造成学生被动地应付，完成实验报告，忽视对实验现象、结果的深入思考，不能充分发挥学生主观能动性。这种以教师为中心的“传授式”实验教学不利于学生独立思考、自主创新能力的培养，更容易导致学生失去对生物科学实验的兴趣，最终会造成碰到问题往往束手无策，缺乏应变能力。教师也很难客观地评定学生的实验成绩。因此，实验教学方法的改革对于提高整个实验课程体系效果非常重要。以往的生物实验教学多以验证性的、孤立的基础实验为主，缺少学生主动参与的设计性和综合性实验，这对于提高学生对知识的综合运用能力非常有限。鉴于上述存在问题，我国各高校纷纷开设综合性实验、设计性实验和研究性实验，进行一系列研究和探索，并取得可喜成绩［5-12］。因此，针对如何对提高学生的动手能力和创新意识是当前实验教学改革的总体趋势。

为适应生物类专业大类招生，近年来，苏州大学基础医学与生物科学学院进行一系列生物实验教学改革，配套出版了生物学实验指导丛书，除了基础性和验证性实验以外，还包括“生物学综合实验指导”［13］。因此，生物综合实验课的开设目的旨在提高学生对生物学专业知识实践应用的能力，以及独立思考、自主创新的能力。

1 科学安排综合实验时间与学生分组

在进行综合实验时，要求学生具有较全面的生物学专业基础知识。因此，开设生物综合性实验必须符合学生的认知规律，有一个循序渐进的过程。为体现生物实验教学的连续性和专业课程之间的衔接，在学生修完基础性和验证性实验教学之后，将综合性实验安排在第3学年的第2学期后期并集中在连续6周时间内完成。针对综合实验课程特点，实行全天开放性实验教学，这样既可以排除其他教学任务的干扰，也有利于学生有充足的时间和精力完成实验，并能让学生在这样的集中训练中体会到科学研究中时间统筹规划的重要性，建立他们的科学利用时间的观念。通过综合实验的集中训练使学生对如何开展科学研究有一定的理解，在实践操作中锻炼学生独立自主地开展实验研究，为学生即将在第四学年进入毕业设计提前做好准备。实验小组由学生根据自己的兴趣和爱好进行自由组合，通常安排3～5名学生为一组。这样的分组方式既能充分利用现有的各种实验教学资源，最大限度地锻炼学生的独立实验能力，又能很好地训练学生相互协调配合的团结合作精神。

2 实验内容与教师科研方向和生产实践结合

2.1 实验内容与教师科研方向相结合

综合实验选题从教师的科研领域进行筛选，以科研成果充实教学内容。实验题目的选择根据学生的兴趣和特长，由实验小组自己决定选题。实验内容涉及动物生物学、植物生物学、微生物学、生物化学与分子生物学和细胞生物学等领域的实践操作，共选编了24个综合性实验课题，涵盖生物化学、生理学、酶学、分子生物学、细胞生物学、酶工程和基因工程等方面。每个实验题目之下含有许多小问题，再根据具体要解决的小问题分为若干小实验。例如，“动物不同组织器官胰蛋白酶性质的比较”、“虾精氨酸激酶基因的全长cDNA克隆和序列分析”、“绿豆超氧化物歧化酶的分离、纯化和纯度鉴定”、“α-淀粉酶的分离纯化及特性分析”、“趋化因子受体CCR5的真核表达”和“小鼠卵母细胞减数分裂及微管动态的分析”等等。在选题时教师充分考虑到题目所涉及的各种实验技术原理、方法和手段，优先采用学生在以往学习中已经了解和掌握专业知识和实验技术，目的是锻炼学生如何灵活运用这些实验原理和技术去解决具体问题。在实验过程中，从试剂选择、溶液配置、仪器操作乃至结果处理均由学生亲自操作，并做好实验记录，以备教师查阅和分析总结。充分发挥学生在实践操作中主观能动性，旨在让学生全面理解和体会实施一项科研活动所经历的主要过程，提高和锻炼科研素养。

3 实验内容与解决生产实际相结合

为体现生物专业具有较强应用性和实用性特点，在生物综合实验内容中增添了一些与生产实际联系密切的生物实验技术。例如，“环境条件对分批发酵的影响及其控制”、“发酵类食品的制作与分析”、“工业微生物菌种的选育”和“双水相萃取技术及其应用”等等。这样选题既能使学生学以致用，形成可能具有实用价值的科研成果，又能提高学生将理论知识与生产实际相结合的能力，激励学生不断学习和探索，有助于学生与将来可能就业的岗位更好地衔接。

4 以学生为主、实验教师为辅的实验教学模式

实验的构思与设计是关系到能否顺利完成实验目标的关键。“所谓构思，就是实验设计，它是实验准备阶段的另一项十分重要的工作”［14］。正如英国科学家贝弗里奇所指出，“最有成就的实验家常常是这样的人:他们事先对实验课题加以周密思考，并将课题分成若干关键的问题，然后精心设计为这些问题提供答案的实验”［15］。综合实验课设计的合理性和系统性对于学生实验综合能力的培养起着十分关键的作用。在设计生物实验过程中，紧紧围绕实验设计的“三要素”，即实验对象、实验因素和实验效应为主线，教师引导学生开展自主设计实验方案。首先，提出要探究的生物现象和问题，明确要解决什么问题，确立实验目标。例如，“环境因素对鸡胚胎发育及子代高级认知功能有何影响?”、“不同月龄小鼠心脏谷胱甘肽代谢是如何变化的?”、“检测哪些生理生化指标能够揭示植物体氮代谢变化?”以及“如何采用农杆菌介导进行研究烟草的遗传转化”等等。其次，要求学生自己动手查阅资料，利用已经掌握的理论知识和实验技术手段，拟定技术路线流程图，并对技术路线的科学性和合理性以师生互动的方式加以论证。最后，采用以学生为主与教师为辅相结合方法，制定详细的实验实施方案和具体实验操作步骤。在此过程中，提倡和鼓励学生多思多问，充分调动学生主动探究的积极性和想象力，对拟采用的关键实验技术方法、实验要求的条件、对实验结果有显著影响的因素进行研究探讨，对预期的实验结果进行预判，实验具体操作之前使学生做到心中有数。

在综合实验课中教师不讲述具体的实验步骤，只强调实验过程中的关键注意事项，教师深入到每一实验小组去观察、指导学生的每一个动手、操作方法、规范程度等，发现问题及时纠正，切实保证每个学生实验基本功达标。通过学生自行设计实验方案，培养了学生收集信息、分析问题、解决问题的能力，促进了学生对专业理论知识的综合运用，活跃了学生的思维。在实验设计和操作过程中，学生始终是实验活动的主体，充分发挥主观能动性和创造性;教师给学生提供较宽阔的思维空间和选择余地，使学生独立解决实际问题的能力和创新能力得到提高。对实验中发现的问题通过教师与学生直接交流，营造了良好的师生互动的教学氛围，为学生充分发挥创造力提供了条件，拓展了学生视野，这一过程对于培养和提高学生的创新意识不可或缺。

在综合实验教学中，教师的辅助作用就在于全程跟踪学生的实验进程，进行有效地监督与指导。在实验具体实施过程中学生往往会碰到各种问题，教师采取集中讲评与个别辅导相结合的方法进行解答。对于学生中出现的共性问题集中进行交流与解答，而对于个别学生遇到的问题，则先让学生思考为什么会产生该现象，要求学生自己分析，并提出解决的办法。教师在分析总结学生意见的基础上，提出改进的建议和措施，并与学生共同商讨制定解决问题的办法。因此，通过以学生为主、教师为辅的综合实验教学模式，可以培养学生独立思考的能力，促进组员之间密切协作，并在发现问题、分析问题和解决问题的过程中不断积累经验、提高实验技能和创新意识，以适应社会对创新型人才的需求。

5 建立科学学生成绩的评价体系

5.1 学生提交书面纸质材料和采取学术报告形式

学生将获得的实验数据进行生物统计处理，以图表展现实验结果，按照论文的格式，以小论文的形式提交书面实验报告。最终要求学生完成一篇字数在3 500字左右的课程论文，具体的论文题目根据实验内容自拟，主要参考文献不能少于15篇。在课程论文中要求学生充分展示实验设计步骤和实验结果，并对实验过程中出现的结果和各种问题进行讨论与分析。这样可以反映出学生在实验过程中的得与失，使学生能够合理地进行自我分析和自我评价，目的是不断总结经验，提高实验技能。该阶段有助于锻炼学生的实验数据整理和写作能力。通过规范的实验报告写作，一方面可以训练学生的书面文字表达能力;另一方面，在撰写报告的过程中，可以促使学生查阅更多国内外相关文献资料，提高其专业学术水平。

各实验组学生自己制作幻灯片(PPT)，集中演示汇报实验结果，每组规定15 min汇报时间。口头汇报能够锻炼学生的口头表达能力、逻辑思维的严密性和对实验结果的理解力。另外安排10 min的答辩时间，通过学生与学生、学生与教师之间的互动问答，增强了学生对知识探讨的热情，锻炼了学生的应变思维和口头表达能力，有利于提升学生的科学素养。

5.2 教师进行综合性成绩考核

由于时间和条件的限制，每个学生不可能将综合实验的所有题目都亲自做一遍。为了充分利用教学资源，使学生能够相互学习，扩大知识面，在实验结果汇报全部结束后，教师对每组的实验报告进行集中讲评，目的是让各组学生了解各个实验组实验的优点和不足，以促进各组之间的广泛交流，达到取长补短的教学效果。

鉴于生物综合实验采取独立设课和独立考核成绩的办法，教师对学生实验成绩评判采取常规日常考核和技能考核相结合办法，具体根据以下几方面进行综合成绩评定:出勤率占10%(包括学习态度和主动性)、实验操作的规范性、对仪器使用的熟练程度占15%;实验数据的可靠性占20%;实验报告的规范性、实验结果分析的科学与合理性占20%;实验过程中分析问题、解决问题的能力占30%;日常实验室卫生保持与整理情况等占5%。成绩考核综合性采用教师与实验管理人员评价相结合，平时实验审核与最后结果评定相结合，这样有利于教师更好的监督、管理实验过程，全面考核学生的综合素质。

6 结语

“授人予鱼，不如授人予渔”，培养学生自主创新能力是学校培养学生永恒的主题。一个生物科研课题往往要用多门学科知识，多角度全方位进行探讨和研究，所做实验几乎都具有综合性。综合性实验既要将传统的模仿型、验证性实验向研究型、创新性实验转变，培养学生创新能力，又要将被动地填鸭式的旧教学模式向主动地兴趣化的新教学模式转化，培养学生学习兴趣和探索科学的强烈欲望。面对当今多学科交叉与渗透，生物科学的理论和实验技术突飞猛进地发展的时代，深刻地影响着生物科学的研究思维模式和工作方式。特别是国家发展改革委员会在生物产业发展“十一五”规划中明确指出:要加快发展生物医药、生物农业、生物能源、生物制造、生物环保，保护特有生物资源，保障生物安全，使生物产业成为国民经济新的增长点，并为发展成为国民经济的主导产业奠定坚实基础［16］。因此，对教师提出了更高的要求，既要储备丰富的业务知识，又要理论联系生产实践，要对实验教学模式和相应的实验管理模式进行不断探索与改进，这是一个长期的教学相长和经验不断积累的探索过程。因此，除了要继续深入探索生物综合实验教学理念、创新意识和实验技能互相整合的机制外，还要优化与之配套的实验室管理模式，这样才能可持续地推进生物综合实验改革与发展，充分发挥生物综合实验在创新型人才培养中的地位和作用。

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