基于数字资源的本科创新性综合实验研究

唐淑榕，李光文

(福建医科大学药学院实验中心，福建福州350108)

基于数字资源的本科创新性综合实验研究

唐淑榕，李光文

(福建医科大学药学院实验中心，福建福州350108)

针对药学专业本科生设计开展一项有关药物中重金属检测的综合实验，通过引导学生利用丰富的数字资源选择实验项目、设计方案、开展实验、分析数据并撰写实验报告，有效提高本科生的综合素质并促进实验教学的深化改革。

创新性综合实验；数字资源；文献数据库；图像与数据处理软件

随着科技的不断进步，当今社会对人才的需求日益趋向于集深厚的理论知识与良好的实践能力为一体的综合型人才。传统实验教学所采用的教学方法、实验内容与操作过程基本是固定的，学生主要根据实验教材按部就班地进行实验操作。在这种教学模式下，学生往往处于被动地位，无法发挥自身的主观能动性，学习的积极性大大降低，从而使综合能力无法有效提升。因此，开发新型的实验教学模式成为高等院校实验教学改革的必然趋势[1]。

创新性综合实验以学生为主体，通过交叉使用各学科的知识，对实验内容与方案进行改进和创新，让学生自主设计并完成实验，从而培养学生良好的创新精神与团队合作精神，有效提高实验操作技能及综合运用知识进行分析与解决问题的能力。创新性综合实验的开展将在培养高素质综合型人才，促进实验教学深化改革中发挥重要的作用[2-3]。笔者针对药学专业本科生开展一项检测药物中重金属残留量的创新性综合实验，研究探讨如何将丰富多样的数字资源与实验的设计与实施过程相结合，以达到培养学生良好综合素质的目的。

一、数字资源与实验教学相结合的必要性

数字资源是将计算机技术、通信技术及多媒体技术相互融合而形成的以数字形式发布、存取、利用的信息资源总和[4]。常见的数据库、电子期刊、电子图书以及多媒体资料等多种网络资源都属于数字资源，由于其具有不受时空限制、存储空间小、资源丰富、形式多样等特点，得到人们的广泛关注与使用。如果能够将丰富的数字资源与实验教学紧密结合，有望充分调动学生自主学习的积极性及主观能动性，让学生在实验过程中体会到学习的乐趣，有助于更好地掌握理论知识并提高操作技能，从而更顺利有效地完成实验任务。

(一)利用多媒体教学，提高学生学习兴趣

传统灌输式的教学方法内容单一、形式固定，缺乏吸引力，学生只能被动地参与学习过程，因此学习效率低下。随着教育信息化程度的不断深入，一些集多媒体和网络功能于一体的新型教学手段被开发利用，如多媒体课件、超链接、实验操作视频、BBS 论坛等。通过多媒体教学将文字、图形、声音、动画等素材有机整合，不仅丰富了教学内容且表现形式生动多样，能够形象直观地展示客观事物，从而吸引学生注意力并调动学习积极性。在实验教学中利用文字处理、图表处理等数字化工具对知识点进行重组，有利于提高学生的创造力与认知能力。

(二)整合网络教学资源，优化实验教学体系

教师在课堂上向学生口头传授知识的教学方式，其学习资源主要来自课本，学习内容受到教学大纲的限制。由于实验教材更新速度慢，一些实验内容与技术手段陈旧、落后，已经无法满足当今社会的需求。互联网有丰富的数字资源，信息量大且更新速度快。教师应从教学目标与学生实际需求出发，对数字化的网络教学资源进行优化。通过完善教学方法，帮助学生更好地掌握理论知识与操作技能。利用互联网的开放性与共享性，教师可实时跟踪了解学科进展，通过资源整合将先进的实验方法、仪器设备等信息作为实验课的教学素材，从而不断更新教学内容，拓宽学生的知识面。

(三)建设虚拟实验教学系统，节约教学资源

由于课时有限，仪器设备、实践场地等教学资源短缺，在传统实验教学中只能开展操作简单的基础实验，一些相对复杂的综合性、设计性实验则难以顺利进行，从而影响学生实践创新能力的培养。将数字资源与实验教学相结合，可减少对硬件设施、上课时间与空间的依赖性，增加实验操作的灵活性。借助基于计算机与网络技术的虚拟仿真实验教学系统，学生可演示反应条件苛刻而无法在常规实验室完成的复杂实验，且可反复进行模拟实验而无须担心污染环境或发生危险，从而大大节约教学资源、实验时间与成本。

(四)构建数字化实验教学平台，提高教学质量

传统实验教学模式存在教师与学生缺乏互动、学生主体地位无法充分体现、难以实行因材施教等缺陷。通过建立数字化实验教学平台，在教师和学生之间搭建了一个友好的沟通媒介。教师可将多媒体课件、仪器操作视频、课后习题、模拟试卷等上传到教学平台，便于学生随时对实验内容进行预习与复习。学生可在“讨论区”与老师、同学交流学习在实验中遇到的问题，增强师生互动，提高学习兴趣。通过在线测试系统，教师可了解学生的薄弱点并采取针对性的辅导，从而有效提高实验教学质量。这种以学生为中心的互动教学模式，可充分激发学生的积极性与创造性，显著提高学习效率。

二、数字资源在创新性综合实验中的应用

创新性综合实验具有内容丰富、信息量大、新颖性与实用性强等特点，可将不同学科分散的知识相融合，使学生能够综合运用，从而激发学习热情并促进实验技能提高。药学是一门综合性的学科，通过开展创新性综合实验提高药学专业本科生的创新意识、学习与实践能力，对学生将来从事药品检验、新药研发、临床用药等研究工作具有重要意义[5]。一项完整的实验主要由选择实验项目、设计实验方案、开展实验过程、分析数据并撰写实验报告等部分组成，下文笔者将进一步深入探讨如何引导学生利用数字资源顺利开展创新性综合实验。

(一)选择实验项目

实验项目的选择应注意以下几个方面：(1)以学生为主体，在教师指导下根据个人兴趣独立选择实验项目，以提高学生独立思考、发现问题与解决问题的能力。(2)选题应科学，并有一定的创新性、可行性和实用性，研究内容与范围应适中。(3)结合多门基础实验课的知识，锻炼学生综合运用知识的能力。(4)充分利用各实验室现有的仪器设备，使有限的实验教学资源得到共享。

以指导药学专业本科生设计一项用于检测药物中重金属残留量的创新性综合实验为例。首先，指导学生利用网络资源搜集和查阅相关文献资料。网上获取文献的途径主要有学校数字图书馆(含有CNKI中国知网、万方数字知识服务平台、医学多媒体数字资源库、Wiley在线期刊数据库、SpringerLink外文期刊等数据库丰富的电子文献资源)、搜索引擎(维基百科、百度、谷歌学术等)及各类专业论坛/网站。由于学生刚开始独立探索创新性实验项目，应引导他们先通过查阅中文文献初步了解该实验项目的研究现状，以便更好地理解外文文献并从中找到创新点。建议学生先下载一些综述类的文献以了解当前研究的热点与难点，再从中选择一些感兴趣的研究方法，进行二次搜索找到相关具体文献并详细研读。通过这一阶段的自主学习，使学生总体了解目前已有分析方法的优缺点，决定开展名为“新型生物传感技术在中药重金属检测中的应用研究”的实验项目。然而，生物传感技术多样，中药种类繁多，对每种重金属都进行检测工作量大，因此建议学生进一步查阅文献以确定所要采用的具体传感技术、中药类型及检测的重金属，使研究内容更加科学化、具体化[6]。通过新一轮的网络信息检索及师生相互讨论，最终确定实验项目名为“建立高灵敏可视化核酸传感技术用于冬虫夏草中汞离子的检测”。在此过程中，学生的主体地位得到充分发挥，不仅体会到自主学习的乐趣还掌握了从大量的数字资源中获取有用信息的技能。

(二)设计实验方案

在实验项目选择过程中，学生对可视化传感技术在重金属检测应用方面有了一定的了解。接下来，应根据研究内容进一步设计严谨而具体的实验方案。与中文文献相比，外文文献具有较快的出版速度、较高的影响因子及较强的创新性，可在线获得最新录用的文章而无需等到正式发表[7]。指导学生通过数据库查阅专业的外文文献，以 Wiley数据库为例，首先从学校图书馆网站找到数字资源中的外文资源，点击 Wiley数据库进入搜索页面。点击“Advanced Search”，在检索框中输入相应的关键词，如“colorimetric sensor” “metal ion” “signal amplification”等。然后在“SPECIFY DATE RANGE”中输入文章发表时间，最后点击“Search”即可获得近年发表的最新文献。通过仔细研读、分析比较找出这些方法的亮点及需要改进的地方并提出解决策略。经过反复推敲，认真分析方案的可行性，最终确立创新性及可行性强的实验方案。

(三)绘制实验原理图与技术路线图

学生在查阅文献的过程中发现，许多传感新方法的报道中都附有一张精美的图片用于阐述实验原理。色彩鲜明的实验原理图能够将实验方案、检测原理、主要步骤等形象生动地表示出来。因此，通过指导学生绘制实验原理图有助于更系统深入地了解实验原理与操作事项。首先，从网络上下载ISIS Draw 2.5(化合物结构图)、ChemSketch 8.0(化学结构、反应和图形)、SmartDraw 6.04(化学实验式流程图)、Adobe PhotoShop(图像处理)等专业画图软件[8]。引导学生查看动态的网络操作视频学习各软件的使用技巧，然后根据喜好选择一种软件或将多种软件联合使用以获得更佳的显示效果。鼓励学生充分发挥想象力，将各传感组件以不同颜色、形状的图形表示并进行合理、有序地组合，从而获得理想的实验原理图。在绘图过程中可培养学生创造性思维与逻辑思考的能力。

利用Microsoft Visio、ConceptDraw或PPT等软件绘制技术路线图可以让学生了解实验的整体流程。参照实验原理图将实验拆分成几个主要部分，如识别分子的固定化、放大技术的研究、纳米材料的合成、传感性能考察等，在技术路线图上按照实验的先后顺序进行排列，并注明各部分实验所采用的主要技术手段。技术路线图可为学生进行分组实验提供参考依据。

(四)设计核酸探针识别元件

建立高灵敏传感体系的关键在于采用有效技术放大待测物产生的信号，同时尽可能降低背景信号。其中，核酸识别探针的设计尤为关键，探针稳定性过高或过低均不利于实验的顺利进行。因此，有必要指导学生利用生物学软件对核酸序列的构型、解链温度、热稳定性、杂交时间等进行分析[9]。以Oligo Tutorials核酸分析软件为例，在各功能分析模块首页输入碱基序列、核酸及盐离子浓度，点击“Analyze”即可自动列出所有可能存在的二级构型及解链温度等信息。根据分析结果，学生可以判断所设计的核酸探针是否合适并对实验条件进行调整，若不合适则进行修改后再进一步分析，直至获得符合实验需求的探针。

(五)开展实验过程

实验方案确定后，即可开始准备所需试剂及核酸探针。指导学生通过查阅说明书及观看操作视频熟悉各仪器(紫外可见分光光度计、红外光谱分析仪、原子力显微镜等)的操作过程。实验前，将学生分成几个小组，按照技术路线图上的各主要实验部分进行分工。安排一组学生采用传统的原子吸收光谱法对汞离子进行分析。利用仪器自带的分析软件进行样品测试，保存测试结果并将实验原始数据以ASSCI/TEXT的格式导出，以便用于进一步分析。在实验过程中，需要各组学生之间相互合作才能保证整个实验项目的顺利完成，因此有助于培养学生良好的团队合作精神。

(六)分析数据并撰写实验报告

采用科学的方法对实验数据进行处理和分析，对确保实验结果的准确性具有重要作用。在传统的实验教学中，学生通常利用计算器与坐标纸进行手工制图来处理数据。这种手工处理数据的方式不仅枯燥繁琐、计算量大而且准确度较低、易出错。Origin是一种用于数据分析和绘图的专业软件，具有操作简单、分析速度快、准确度高、绘图美观等优点[10]。因此，指导学生使用 Origin软件处理数据可大大提高实验效率和准确度。以 Origin 8.6版本使用为例，首先启动软件，点击工具栏“New Workbook”图标，在弹出的工作表中输入“波长”(X)及“吸收值”(Y)等数据，或通过点击“File”，选择“Import”将实验数据直接导入。接着选中相应数据列，点击“Plot”选择所需的图形样式，绘制紫外吸收曲线则选择“Line”。点击“Plot”中的“Import”，选择“Insert Images From Files”可将外部图形导入而实现叠加作图，选择“Export Graphs”可将所作的图导出并保存。绘制标准工作曲线则选择“Symbol”中的“Scatter”获得散点图，选中散点后点击“Analysis”选择“Fitting”中的“Linear Fit”即可获得汞离子工作曲线及线性方程、线性相关系数等拟合信息。在图形空白处点击鼠标右键选择“Add Text”可输入文本。通过进一步编辑图形，如调整坐标轴刻度范围、字体格式与大小、曲线/点的粗细与颜色等，可使图形更美观。利用柱形图、折线图等可形象直观地体现出实验规律，便于学生对实验结果进行分析与整理，从而培养学生运用科学方法处理问题的能力。

实验结束后，组织各小组学生对实验结果进行讨论并交流实验心得，将建立的生物传感新方法获得的检测结果与传统方法进行比较，分析优缺点。应用所学的理论知识对实验现象进行分析，开始撰写实验报告。指导学生使用 EndNote、NoteExpress、Reference Manager等文献管理软件可方便的将引用的参考文献按要求以统一的格式插入实验报告中，避免手动输入可能产生的格式错误并节约了时间[11]。掌握了这些技巧有利于提高撰写毕业论文或期刊论文的效率。

实践表明，数字资源与创新性综合实验相结合的新型实验教学方法，有利于激发学生学习热情，提高实验效率及增强操作技能。通过国内外数据库查阅文献，学生可以实时了解最新科研动态；专业的画图软件、数据处理软件及文献管理软件的运用，使学生作图更加规范，实验数据分析更加科学，实验报告撰写更准确高效。这些技能的掌握为日后科研工作的顺利开展奠定了良好的基础。在选择实验项目到撰写实验报告的整个过程中，学生始终处于主体地位，创新意识、逻辑思维、独立思考等能力均得到充分锻炼和提高。因此，作为新时代的教师，应充分利用现有的数字资源以促进高素质综合型人才培养与实验教学改革。

[1]杨 玲，沈海龙.谈高校实验教学的综合创新性实验设计[J].教书育人:高教论坛，2010(6):46-47.

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[3]黄品梅，黄道平，梁 锦.开发综合设计性实验促进创新人才之培养[J].实验室研究与探索，2010，29(6)：93-95.

[4]陈红星，张淑芳.网络原生数字资源:概念，特征与类型[J].图书馆建设，2010(5)：1-4.

[5]闫淑莲，唐静成，何深知，等.药学专业综合性实验的设计与研究[J].中国医学装备，2015，12(6):21-24.

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(编辑：陈 越，马川建)

2016-05-05

唐淑榕(1985-)，女，实验师，医学博士。研究方向：药物分析。

R9-45

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1009-4784(2016)04-0044-04