设计性实验开设原则及规范化教学过程探索

张旦旦，李 会，史劲松

(江南大学 药学院 制药工程实践教育中心, 无锡 214122)

设计性实验开设原则及规范化教学过程探索

张旦旦，李 会，史劲松

(江南大学 药学院 制药工程实践教育中心, 无锡 214122)

设计性实验作为实验教学的高级形式，在整个高等教育中具有重要地位。设计性实验教学过程应遵循实验命题必须基于已有的知识体系、实验过程以学生为主体以教师为督导、考核须“过程”与“结果”并重3个基本原则；规范化教学过程包括设计性实验选题与任务下达、资料查阅与实验方案拟订、调整优化实验方案、设计性实验的操作过程、实验报告撰写5个方面。以一堂生物制药工艺学设计性实验为实践案例，探讨设计性实验的开设原则和规范化教学过程。

设计性实验；开设原则；规范化过程；案例分析

实验教学作为高等学校教学工作的重要组成部分，是培养合格人才的基本环节，在学生能力培养和综合素质提高方面有其独特的作用[1]，尤其是工科类专业，面向的就业方向多为生产型企业，通过实验教学，可以培养学生的动手能力，为更好地适应日后的工作环境做好准备。设计性实验是指结合或独立于课程教学而进行的一种由学生自主完成的探索性实验[2]，其特点在于实验内容的探研性与学生学习的主动性，其目的在于培养学生的系统性科学思维和开拓创新意识，激发学生的参与性和创造性，提高学生分析问题和解决问题的能力[3]。

作者基于长期的教学实践经验，以一堂生物制药工艺学设计性实验为实践案例，探讨了设计性实验教学的开设原则以及规范化教学过程。

1 设计性实验的开设原则

1.1 实验命题必须基于已有的知识体系

设计性实验的实施过程是学生利用所学理论指导实践的过程，因此在选择设计性实验项目时必须充分考虑学生已有的知识体系，项目内容以及所涉及的实验技术应难易适中，过易则知识面太窄或难度太低，难以达到培养学生创新思维的目的；过难则学生无从下手，无法在规定时间内独立完成或完成度较差[4]。简而言之，选择实验项目时应基于学生已有的知识体系，但绝不是照搬已做过的实验方法，而是对所学知识的有机整合、灵活运用，即实验课题应有一定的综合性。

1.2 实验过程以学生为主体、以教师为督导

设计性实验是学生根据给定的实验任务和实验条件，搜集相关资料、自行设计实验方案，并自己动手准备实验、实施实验方案、处理实验数据、总结实验结果，最终独立完成实验报告或研究论文的过程。因此，学生是整个设计性实验的实施主体，而教师则发挥监督和引导的作用。

鉴于学生个体差异，尽管所受的前期教育相同，但专业技术水平和动手能力仍然参差不齐，且多数学生思想活跃，在缺少约束的设计性实验教学过程中，容易出现课堂纪律涣散、实验操作不规范、仪器设备错误使用等意想不到的状况，这就需要实验指导教师善于引导、加强监督。1)实验教师要具备扎实的业务能力，大到专业知识，小到各个仪器设备的使用维护，才能在资料查阅、方案审查修订、结果分析讨论等整个实验流程中全面的指导学生完成实验任务，并取得良好的教学效果；2)实验教师要有较好的师德素养和教学相长的思想，在教学过程中要根据每个学生的具体情况，区别对待，耐心指导，鼓励并引导学生主动思考、大胆创新[5]；3)实验教师要具备“眼观六路耳听八方”的能力，随时关注学生的实验进程，对于操作过程中出现的问题及时纠正；发挥组织管理能力，保证课堂纪律和实验安全，谨防学生的自主学习变成自由学习。

1.3 考核须“过程”与“结果”并重

在设计性实验教学过程中，对学生进行综合考核以确保实验教学的质量，考核的内容应包括设计方案的可行性、实验操作的规范性、数据处理的全面性、实验报告的完整性以及良好的实验习惯等几个方面[6]。基于设计性实验的主要目的是锻炼学生的思维能力和解决问题的能力，考核重点应放在实验操作的规范性、对实验过程中遇到问题的处理方式或突发事件的应变能力、对实验结果特别是失败结果的分析讨论、溯源失败原因并提出可行的改进方案等方面。总之，指导教师须在学生实验过程中认真观察，根据每一个学生的表现给出合理的成绩，这不仅是对学生的考核，更是对教师专业素养的考验。

2 设计性实验的规范化教学过程和案例分析

设计性实验要求学生具有一定的基础知识、实验技能以及数据处理能力，对所需实验设备的功能、适用范围、操作方法等有一定程度的掌握，因此，应在相关理论学习与验证性实验教学的基础上开展设计性实验。作者经过几年的实践改革，整理了设计性实验教学的规范化流程，并以一堂生物制药工艺学设计性实验为实践案例进行深入探讨。

2.1 设计性实验选题与任务下达

设计性实验的命题应遵循“基于已有知识体系”的原则，同时为调动学生的探索欲和积极性，命题应具有启发性、趣味性和实用性。指导教师可直接下达实验项目，亦可下达总体研究方向，由学生自由选择具体的实验项目；对于已分专业的高年级学生或研究生教学，设计题目应在考虑前期验证性实验中相关知识和技能应用的同时，结合专业方向，以利于巩固所学知识，做到活学活用。

确定选题后，指导老师应立即向学生下达实验任务书，以生物制药工艺学实验中的一堂“重组干扰素α2b的分离纯化”实验课为例，主要内容如下：

实验题目：大肠杆菌源重组干扰素α2b的分离纯化

课程基础：该课程应在学习蛋白质分离纯化相关理论知识的前提下开展，要求学生对微生物相关知识，尤其是重组蛋白的表达有一定的了解，并已完成生物化学相关验证性实验课程。

相关背景：该重组蛋白的生产菌株为大肠杆菌(Escherichiacoli)pET 28a-α2b，所得重组蛋白α2b为干扰素，分子质量约为18 ku，等电点(pI)为6.0。

目的意义：掌握重组蛋白质提取和分离纯化的一般流程，强化巩固蛋白质纯化相关知识与实验操作。

实验条件：充足的化学试剂、玻璃器皿、蛋白电泳系统、AKTA蛋白纯化系统、以及实验所需其他设备。

任务要求：根据背景资料查阅相关文献，以发酵所得重组大肠杆菌为原料，设计一条工艺路线，提取重组干扰素α2b，并对其进行纯化精制。

预期达到主要技术指标：得到电泳纯的重组蛋白，总回收率在10%以上。

2.2 查阅资料、拟订实验方案

该阶段属于学生自主学习阶段，学生根据实验课题，明确关键知识点并进行资料查阅，期间要加强培养学生的文献调研能力、自主学习以及相互学习的能力、团队协作精神等。如学生为首次开展设计性实验，为避免学生在资料查阅上的手足无措，教师可教授文献查阅的方法，帮助设定文献查阅关键词等。资料查阅主要途径有：1)学校图书馆馆藏纸质资料；2)网络搜索引擎；3)利用关键词在各类数据库查阅最新文献资料；4)利用专业论坛进行交流咨询[7]。本实验课题文献调研的方向有：大肠杆菌表达载体pET28a所表达的重组蛋白的性质；蛋白质纯化从粗提到精制的一般流程；常用的细胞破碎的方法；常用的蛋白质分离纯化的方法；蛋白质检测方法等。关键词包括干扰素，重组蛋白，纯化等。

学生在深入理解课题并广泛收集资料的基础上，按照实验任务要求，结合实验室现有条件，构思一种或多种可能的设计方案，该方案应解答如下4个问题：该实验课题的总体思路是什么？实现该思路需要哪些单元实验支撑？如何完成各单元实验(包括实验原理与具体的实验方法)？完成各单元实验需要配套哪些硬件设备？即要将重组蛋白纯化的总工艺路线，每一步实验的原理、详细的实验步骤及所需实验设备一一列出。这时拟定的仅仅是实验方案的初稿。

2.3 调整优化实验方案

学生初步拟定的实验方案通常会存在一些违背实验原理或是实验安全的问题，导致方案的可行性较差，这就需要教师发挥督导的作用，对方案进行全方位的审阅指导。以两次审阅为例。

第一次审阅在实验方案初步成形后。指导教师要从实验方案的基本架构、实验原理、具体操作等各方面对方案初稿进行全方位的审阅，对每一步实验操作进行批注，并与学生面对面的沟通，肯定其精华，指出其不足，对于实验室现有条件无法实现的实验操作以及设计方案中存在的主要问题，提供相关参考文献由学生自主改进方案。教师对学生的设计不宜过多干涉，对方案的指导作用是启发性、方向性和建议性的，要注意培养和鼓励学生的独立思考和创新能力，充分调动学生的积极性和主观能动性[8]。为防止安全事故，教师应对某些违反实验原理和基本操作规程的操作步骤进行纠正。

第二次审阅在第一次实验方案经过修改、充实后。我们认为没有完美的实验方案，实验过程中的某些弯路正是学生自我学习和探索的必经阶段，因此，第二次审阅除了对某些违反基本操作规程及有可能造成安全事故的操作步骤进行纠正之外，不再建议指导教师对学生实验方案提出修改意见。

针对本实验案例，此次评阅的重点，一是明确该重组蛋白是胞内可溶性表达、包涵体表达、还是分泌型表达，这是该方案能否顺利实施的关键，后续所有实验方案均基于此；二是蛋白层析填料的选择，根据蛋白质性质选择层析填料，根据填料制定具体操作流程等。

2.4 设计性实验的操作过程

实验操作过程是学生利用现有的实验条件、实施实验方案的过程。操作过程中学生会遇到许多问题，如某步实验不能顺利进行，所得结果与预期偏差较大甚至背道而驰，对某些未使用过的试剂性状不了解，对某些仪器和耗材的使用方法不清楚等。针对这些问题，教师一般不直接回答，而是引用相关文献或已有知识，引导和鼓励学生深入分析问题，大胆思考、勇于尝试，自行找出解决问题的办法。

针对本实验方案要求，学生须对每一步样品进行检测以评价纯化效果，必要时根据结果优化调整后续实验方案。操作过程中，教师应加强对学生实验操作技能的指导，尤其是蛋白电泳过程中部分试剂有神经毒性，教师须关注学生操作的规范性。不管实验结果如何，学生必须坚持严谨的实验态度，实事求是地记录所有数据。

2.5 实验报告撰写

实验报告是设计性实验的总结思考，报告形式可按一篇常规科研论文的格式撰写，内容包括：引言(实验背景，查阅的实验资料总结等)、材料与方法、结果(所有实验数据，包括失败的实验数据)、讨论(对实验结果的分析，个别实验失败的原因，以及改进的方法探讨等)。设计性实验与验证性实验最大的区别在于结果的不确定性，即实验可能失败，因此，最后的结果讨论是整个实验报告的重点，教师可辅助学生对结果进行分析，对于失败或者有偏差的结果，做成因分析并探讨改进的方法。学生通过一次设计性实验发现问题、找到解决问题的办法也不失为一个成功的实验教学案例。如果学生有意在失败的基础上重新设计实验方案、完成实验项目，可开始新一轮的设计实验流程。

3 结语

大学改革的一项重要内容就是教学理念的改革，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020 年)》[9]指出：“要以学生为主体，以教师为主导，充分发挥学生的主动性，把促进学生健康成长作为学校一切工作的出发点和落脚点。”“以学生为主体”的教育理念如今已经成为现代大学教育思想的主流[10]。设计性实验作为实验教学的高级形式，既充分体现了“以学生为主体”的教学理念，又训练了学生的科研素质，是学生科研能力成型的重要考核指标。近年来，设计性实验教学已在各高校推广并被师生广泛接受，在整个高等教育，尤其是理工科类专业的教育中具有重要地位[11]。秉承培养具有较好的科学素)养及研究基本功的生物技术专业人才为目的，我们在生物制药工艺学实验课程中开设部分设计性实验教学内容，提高了教学质量，取得了较好的教学效果，真正做到了在教学实践中进行改革与创新，在改革与创新中不断进步[12]。

[1]张小林, 周美华, 李茂康. 综合性、设计性实验教学改革探索与实践[J]. 实验技术与管理, 2007, 24(7):94-96.

[2]梁喜龙, 方淑梅, 左豫虎, 等. 关于高等学校综合性、设计性实验教学的思考[J]. 高等理科教育, 2007(5):125-127.

[3]王忠印. 高校实验室开展设计性实验探析[J] .通化师范学院学报, 2006, 27 (2): 136-137.

[4]卢 琼, 陈荟婷, 尹 立, 等. 开放式设计性实验教学对医学生创新思维能力的培养[J]. 当代医学, 2010, 16(10):160-162.

[5]陈怀侠, 蔡火操, 黄建林, 等. 设计性实验教学的实践与思考[J]. 实验技术与管理, 2006, 23(11):105-107.

[6]王海燕. 药学实验教学中合理开设综合性设计性实验探讨[J]. 实验室科学, 2013, 16(3):158-161.

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[8] 宋卫星. 设计性实验教学过程规范化的思考与探索[J]. 实验技术与管理, 2009, 26(7):125-130.

[9]刘献君. 论“以学生为中心”[J]. 高等教育研究, 2012(8):1-6.

[10]伍冠一, 赵铁建, 韦燕飞, 等. “以学生为中心”生理学设计性实验教学模式实践与探索[J]. 教育现代化, 2017, 16(1):38-48.

[11]朱铁群, 成庆利. 微生物学设计性实验教学个案分析[J]. 微生物学通报, 2007, 34(5):1011-1013.

[12]谢 苗, 甘纯玑. 生物化学设计性实验教学规划与实践[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(5):119-122.

Explorationofestablishprinciplesandnormalizationprocessforthedesigningexperimentalteaching

ZHANG Dan-dan, LI Hui, SHI Jing-song

(Practice Education Center of Pharmaceutical Engineering, School of Pharmaceutical Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

As an advanced form of experimental teaching, designing experiment plays an important role in the whole higher education. The principles of designing experimental teaching include that the experimental proposition must be based on existing knowledge, students-leading and teachers-steering during the experimental process, examination should be equal to the process and results. The designing experimental teaching based on five standardization processes, including topic selection and task assignment, data access and experimental programming, optimization of the experimental scheme, operation of designing experiment process and experimental report. Taking a pharmaceutical technology designing experiment as a study case, we discussed the establish principles and normalization process for the designing experimental teaching.

designing experiment; establish principle; normalization process; case analysis

2017-03-15；

2017-04-07

江苏省高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015B146);江南大学教改项目(JG2015032, JG2015120)

张旦旦，实验师，研究方向为微生物与生物制药， E-mail: zhandd2006@126.com

史劲松，教授，研究方向为微生物与生物制药， E-mail: shijs@163.com

10.3969/j.issn.2095-1736.2017.06.120

G642.423

C

2095-1736(2017)06-0120-03