微生物学探究式实验教学的反思

陈海敏，吴芳丽，李　欧，南旭莹，胡秀芳，盛　清，梁宗锁

(浙江理工大学　生命科学学院，杭州　310018)



微生物学探究式实验教学的反思

陈海敏，吴芳丽，李欧，南旭莹，胡秀芳，盛清，梁宗锁

(浙江理工大学生命科学学院，杭州310018)

摘要探究式教学法是目前国际较流行的一种教学方法，特别适合理科基础教学。为了探讨探究式教学法在微生物学实验教学中的应用效果，通过分析植物内生菌作为微生物学实践教学对象的特色和优势，结合教学案例解析药用植物内生菌筛选与活性分析的实施过程和教学效果，阐明了其中存在的困难和不足，并对今后的探究式教学改革方向进行了展望。结合研究成果来看，药用植物内生菌的筛选和活性分析是一个非常适合本科微生物学实验探究式实践教学的平台。

关键词实践教学；探究式；微生物学；药用植物内生菌

实践教学是学校教学工作的重要组成部分，是深化课堂教学的重要环节，是学生获取、掌握知识的重要途径。实践教学方法改革是推动实践教学改革和人才培养模式改革的关键[1]。加强高校学生实践能力的培养，提高学生的质量已经成为社会各界的共识。2012年3月，教育部出台的《全面提高高等教育质量的若干意见(教高[2012]4号)》(高教三十条)第五条明确提出了创新人才培养模式改革的指导性意见，指出创新教育教学方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学。支持本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队[2]。

探究式教学法(inquiry teaching methods)是目前国际较流行的一种教学方法，1961年，美国芝加哥大学教授施瓦布(Joseph J.Schwab)在哈佛大学的纪念演讲中首先提出了“探究式理科教学法”(teaching of science as equiry)[3]。探究式教学法，又称发现法、研究法，是指学生在学习概念和原理时，教师只给出事例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论和听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法。在探究式教学的过程中，以学生为主体，让学生自觉地、主动地探索，掌握认识和解决问题的方法和步骤，研究客观事物的属性，发现事物发展的起因和事物内部的联系，从中找出规律，形成自己的概念。

生物学是非常适合探究式教学的学科，世界各国在生物学教学(特别是基础生物学教学)中已经广泛采用了该方法，取得了许多不错的教学效果[4-6]。国家科学院和美国科学促进协会强调通过高水平的学生参与式实证研究对提高本科教学质量的重要性[7-8]。在过去20多年里，探究式实验课程显著增加[9]；但是在许多高校本科生实验课程中，学生按照一个固定的程序完成实验过程的传统的“菜单式”实验依然盛行[10]。

中国正在经历一场由刚性固定的课程体系为主导的说教式教学法向一个更灵活的，以校为本的课程体系，以及采用更多的探究式教学法的教育改革。探究式学习可以加强批判性思维的培养，造就独立的思想家[11]。坚持“以生为本”的教育理念和体验式教学的实施就是新时期高校本科课堂教学改革的一种探索[12]。相信探究式教学法的应用和实施将成为高校课程改革，尤其是实验课程体系和教学方法改革的主流方向之一。

近年来，我们在微生物学实验课程中引入了探究式教学法，并建立了药用植物内生菌筛选与活性分析——本科生探究式实践教学平台[13]。该文拟对以药用植物内生菌为研究对象，建立本科微生物学探究式实践教学平台的具体做法和成功案例进行总结。

1药用植物内生菌作为微生物学探究式实践教学对象的特色和优势

文献[14]从短叶红豆杉的韧皮部分离到一株具有合成与宿主相同抗癌药物——紫杉醇的内生真菌(taxomyces andreanae)以来，药用植物内生菌的研究开始备受学界关注和重视。近20多年的研究发现植物内生菌可以产生许多新的抗生素、抗真菌剂、免疫抑制剂、抗癌化合物，是发现新的天然药物和先导化合物的重要资源库[15-17]。植物内生菌物种多样性和代谢能力极为丰富，是生物合成、生物转化和生物降解功能菌株的潜在来源[18-19]。

我国拥有丰富的药用植物资源，中药材使用的历史悠久，可以参考的中医经典著作众多。众多的研究发现，药用植物内生菌不仅是一种药用新资源，而且与植物药材的生长、抗逆性、有效成分的积累以及药材品质和道地性的形成密切相关[19-20]。截至目前，对我国传统药用植物内生菌的研究仅集中在几十种大宗药材上，许多药用植物内生菌的研究尚未开展。

药用植物内生菌研究的常规思路是根据药用植物的药用价值和活性成分特点，筛选出能够合成宿主相同活性成分或者具有与宿主相同生物学活性的内生菌功能菌株，然后对后者进行深入研究。这一研究思路如果能与本科微生物实验教学环节的微生物纯培养技术、无菌操作技术等实验教学环节有机结合，就可以将传统的验证式微生物实验技能教学改造为灵活的探究式实践教学。学生以3-4人的小组为单位，选择某种药用植物的内生菌为研究对象，根据微生物纯培养方法，通过仔细查阅和分析该药用植物相关文献资料，设计筛选特定内生菌功能菌株的实验方案。然后，通过自主实验筛选内生菌，并通过内生菌活性分析，探讨内生菌与药用植物次生代谢和品质形成之间的关系。

药用植物内生菌作为微生物学探究式实践教学对象具有如下特色和优势。首先，内生菌的筛选所用的技术主要包括微生物纯培养技术和无菌操作技术，完全适合微生物学初学者对这些微生物基本操作学习过程的实践训练。其次，药用植物资源种类繁多，选择范围广，可以根据不同的筛选目的，设计不同的筛选方案。例如，内生菌的抗菌(活性包括抗细菌和抗真菌活性)、抗氧化活性、抗肿瘤活性、生物降解活性，以及各种生物酶及酶抑制剂、免疫调节剂的筛选，都可以设计各种特定的筛选方案进行探索性研究。再次，整个过程不仅涉及微生物的分离、纯化和培养等微生物纯培养技术、无菌操作技术以及染色、显微观察技术等基本实验操作，而且还包括微生物的菌种鉴定以及天然产物的活性测定和成分分析等相关课程的实验手段和技术，提高了实验的综合性和探究性。各小组之间的实验方法基本相似但又不雷同，这样学生之间既可以相互借鉴和参考，又各具特色，有利于相互帮助和学习，提高效率与教学效果。药用植物内生菌的研究内容可以不断拓展和延伸，挖掘和培育新的研究项目，实现微生物学课内实验教学和本科生课外科技创新活动的有机结合。最后，药用植物内生菌筛选获得的大量功能菌株，可以为微生物实验教学和科学研究积累各种有用的菌种资源和材料。总之，药用植物内生菌研究内容和范围广泛，探索性研究可难可易，适合不同学生的培养要求，是本科生微生物学探究式实践教学的绝佳素材。

2微生物学探究式实验教学案例分析

药用植物内生菌研究极具探索性，非常适合本科生探究式实践教学项目的设计和开展。以下将以近年来我们开展较多的“银杏内生菌功能菌株的筛选及活性分析”为例进行具体分析和说明。

银杏是我国传统的特色药材，中国药典记载银杏叶的主要活性成分是总黄酮醇苷和萜类内酯。在微生物学实验的设计性综合大实验环节，由研究小组(一般由4-5人组成)选定了“产黄酮银杏内生真菌的筛选”，确定实验目标后，小组学生设计了以PDA为基本培养基，通过设计不同添加物和抑制剂改进培养基配方，初步筛选获得几十株内生真菌。因为课内学时限制，活性筛选工作并未完成。学生根据课内实验的初步结果，申报了一项题为“银杏内生真菌分离、鉴定以及代谢产物药用价值研究”的浙江省新苗人才项目(主要针对本科生的基金类项目)，并获得了资助。

项目立项后，我们扩大了银杏内生真菌的筛选范围，分别从天目山野生银杏和校园栽培银杏中筛选到内生真菌共96株。获得这批菌株后，学生的探究性研究又有了一个新的开始，通过分析产生了3个值得进一步探究的新问题：1)所获的内生真菌中有两株具有抗氧化活性，它们的主要活性成分是什么？它们是哪一类的真菌？通过分析它们的产黄酮活性，并进行了鉴定，发表SCI论文一篇[21]；2)内生菌中有一株具有较强的产红色素能力，有没有应用价值？它是什么菌？通过菌种鉴定和色素生物学分析，发表SCI论文一篇[22]；3)野生和栽培银杏中可培养内生真菌种类有无差异？开展了野生种和栽培种内生真菌种群多样性的分析和研究。同时，这些研究开展的同时还发表相关综述文章一篇[23]。

以上3个方向的研究初步完成后，又产生了新的问题和探究方向。针对产红色素的SX01菌株及后续又获得的几株产色素菌株，且成功申报了新苗人才项目“银杏内生菌SX01红色素的分离提纯及毒性研究”和“几株植物内生菌产色素的性质、生物学活性与功能特性研究”，相关内容已经发表论文一篇[24]。内生菌抗氧化活性研究方面，又成功申报了国家级大学生创新创业训练计划项目“几种重要药用植物抗氧化活性内生菌的筛选与活性成分分析”。此外，还启动开展了冬凌草、黄精、丹参、铁皮石斛等药用植物的内生菌研究工作，已成功申报新苗人才项目“冬凌草内生菌抑菌抗肿瘤活性研究”一项。

综上所述，经过几年的教学实践和积累，已经初步建立了药用植物内生菌的筛选与活性分析——本科生探究式实践教学平台，如图1所示。截至目前，已经建立了适合本科生进行探索性研究的抗菌(包括抗细菌和抗真菌)、抗氧化、抗肿瘤等生物学活性的内生菌功能菌株筛选平台；正在着手建立生物修复活性、各种酶及酶抑制剂(用于生物转化和药物先导化合物的筛选)的筛选平台；此外，对于具有各种生物学活性的功能菌株，拟开展发酵条件优化和活性成分分离、鉴定工作。探究式实践教学过程的组织如图1右侧示意图所示，药用植物的调查筛选与资源查阅为发现问题阶段；方案设计在老师的指导下由学生以小组为单位自主设计完成；然后是实践探索阶段(为探究式实践教学的核心和主体部分)，通过实验验证预定探索问题；实验完毕学生需要及时进行数据处理和实验总结，撰写论文和专利等；总结完毕通过开展专门的讨论会进行相互交流和展示，实现相互学习和提升表达能力。至此，我们初步建立了能基本适应当前本科微生物学实践教学要求的探究式实践教学模式和平台。

注：虚线框所示为目前尚未开展但拟开拓的实验项目。图1　药用植物内生菌的筛选与活性分析——本科探究式实践教学平台示意图

3存在的困难和不足

虽然近年来我们在微生物学本科生探究式实践教学进行了一些探索，并取得了一点小小的成绩，但是对我们来说探究式实践教学是一种新的尝试，仍然存在诸多困难和不足。

首先，我们对探究式教学的认识和应用还缺乏足够的经验，对探究式实践教学的特点和教学规律的掌握还不全面，例如，探究式实践教学过程的跟踪管理和评价体系的建立。

其次，高校生物学相关专业普遍存在的问题是教学计划涉及课程较多，每门课程学时有限，学生平时课务较重，空闲时间少，且较零散，因此可用于探究式教学的时间有限，一般只能占用暑假和周末。

探究式教学对学生的综合要求较高，为了保证质量，学生团队(小组)的组建和搭配至关重要。探究式实践教学还需要一支来自不同专业背景的教师组成教学团队，以保证学生能得到各方面的指导和帮助。但是当前高校教师科研任务普遍较重，对教学的投入不足、重视程度不够，对探究式实践教学的认识和投入更加欠缺，因此教学团队建设也成了探究式实践教学的最大障碍和困难。

此外，探究式实践教学对实验仪器平台的要求也较高(如天然药物的成分分析)，需要占用一定数量的仪器设备和实验场地，需要教师改变观念，以合理的方式将各种科研平台向本科生开放。

总之，探究式实践教学平台存在的困难很多，问题不少，有待于今后的教学实践中不断改进和完善。

4结束语

培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识是世界各国教育改革的热点问题[25]，也是社会关注的焦点，关乎国家的兴亡和民族的未来。探究式教学是一种被世界各国教育工作者广泛采用，特别适合于理科教育的教学模式。目前，我国很多中学老师积极采用探究式教学法进行教学和研究，但是大学教学中却使用比较少。鉴于诸多的历史和现实原因，我国的大学教育仍以知识传授的教学方式为主。

探究式教学是在教师的指导下，以学生为主体，让学生自觉地、主动地探索，掌握认识和解决问题的方法和步骤，研究客观事物的属性，发现事物发展的起因和事物内部的联系，从中找出规律，形成自己的概念。探究式教学模式特别适合当前大学教育中面临的学生创新意识和实践能力培养的窘境。相信探究式教学法必将在未来的大学教学中被更加广泛地采用，有更多的老师会去深入研究和使用探究式教学法。药用植物内生菌的筛选与活性分析是一个非常理想的本科生的微生物学实验探究式实践教学平台，已经越来越受到大家的关注和重视[18，25]，值得广大教育工作者一起来研究和完善。

参 考 文 献

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收稿日期:2015-04-02； 2015-05-24

基金项目：浙江省2013年高等教育课堂教学改革基金(kg2013107)；浙江省高校生物学重中之重(一级)学科精品网络课程基金(2014)；2014年度校级大学生校外实践教育基地建设项目(2014sj01002)。

作者简介：陈海敏(1976-)，男，博士，副教授，主要从事微生物学方面的教学和研究。

中图分类号G642.0

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.025

Rethinking on Teaching in Inquiry-based Experiment of Microbiology

CHEN Haimin，WU Fangli，LI Ou，NAN Xuying，HU Xiufang，SHENG Qing，LIANG Zongsuo

(School of Life Science，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China)

AbstractInquiry-based teaching is a popular teaching method in worldwide，especially for basic science teaching.To explore the application effect of inquiry-based teaching methods for microbiolgy experiment teaching,by analyzing the features and advantages of the plant endophytes as the objects of Microbiology practice teaching,combined with the teaching case on implementation process and teaching effect of endophytes screening form medicinal plants and their biolgical activity assay,expounds the existing difficulties and problems,and the future of inquiry teaching reform direction is propected.In conclusion,the screening and activity analysis of endophytes form medicinal plants is a platform which is very suitable for the practical teaching of microbiolgy experiment.

Key wordspractice teaching;inquiry；microbiology；endophytes of tradition medicinal plant