细胞生物学综合性实验的教学设计与应用

覃永华+徐鑫+余光辉+唐仙英+程旺元

摘要：细胞生物学是生命科学类的核心专业基础课程，实验教学是培养学生基本实验技能和创新思维的重要平台。本文立足于提高细胞生物学实验教学质量和效果，针对现行实验教学的弊端，从教学内容、教学模式等方面探索开放式、研究型的综合性实验教学，引导学生进行探究性学习，激发学生自主学习和探索的动机来调动学生自身参与知识建构的主动性和创新性。

关键词：细胞生物学实验；综合性实验；研究性实验；开放教学

细胞生物学作为生命科学中的一门重点学科，其实验教学在课程教学中起着举足轻重的作用，不仅有助于学生对细胞生物学中重要知识点的学习和理解，同时对培养学生的细胞学实验技能与创新思维起至关重要的作用。但现行的实验教学由于诸多因素很难行之有效，主要表现在以下两点：第一，单一的实验教学枯燥，很难让学生积极主动地去学习；第二，实验内容简单过时，基本上是验证性实验，缺乏综合性、设计性。在实验教学中开展综合性实验内容、实行开放式管理的创新实验教学模式是高等教育培养创新人才、实现素质教育目标的重要途径，也是为学科专业竞赛提供人才、为教师科研提供助手的重要途径。为了更好地发挥综合性实验的教学特色，教师要以培养学生的创新意识为主，鼓励学生探索知识，提高学生的整体素质。笔者针对细胞生物学综合性实验的安排和实施、存在的问题和解决方案等环节进行一定的探索，以期探索一套开放式、研究型的综合性实验教学模式。

一、开放式、研究型的综合性实验教学模式

1研究型教学内容的安排

细胞生物学作为生物学的专业基础课，实验教学的开设与之相辅相成，是对理论教学的重要补充和巩固。在以往的教学中，由于实验条件等硬件设备的限制，实验课程的开设局限于显微观察等较为简单的内容。对于那些推动细胞生物学快速发展的新技术、新方法，特别是在现今实验室广泛采用的实验技术等，由于实验教学平台的不足而导致综合性实验无法开设，客观上造成了学生在实验课堂上仅能学到较为简单的实验操作，而对先进技术方法的认识和理解停留在书面上，造成实验教学与理论教学的脱节。

细胞生物学作为生物学的专业基础课，实验教学的开设应与理论教学相辅相成，并作为理论教学的有力补充和巩固。我校细胞生物学的理论课往往在大二第一学期，学生刚刚接触专业课，并且生物学相关知识和实验技能缺乏，甚至连显微镜的基本操作都不熟练。因此，综合实验的开设应建立在基础实验的基础上，而且不能脱离学生对理论知识的理解。

基于上述相关情况，笔者在细胞生物学实验教学后期针对不同专业提供一系列相关的综合性实验，教师可以针对学生的不同兴趣来制订实验方案；学生则可以自由模拟实验的内容和方案；实验中的缺点和漏洞必须由教师指点后，方可开展。综合性实验开设在课程后期，具体完成由学生自由支配时间，在学院实验室内完成实验。比如，基于水稻原生质体转化的亚细胞实验。原生质体转化实验在各实验室里广泛应用，已成为一种非常重要的细胞生物学类实验技术，但由于该实验操作时间长而且实验教学不具备荧光共聚焦显微镜平台等局限，导致此类实验很难在实验课上开设。但是，这些条件可以在科研实验室内得到满足，因此，综合性实验的开设首先从地点上由传统的实验教学平台转移到科研实验室。水稻原生质体转化实验是依赖纤维素酶进行酶解水稻幼苗分离原生质体，后续利用PEG将外源片段转入原生质体15～20小时，观察荧光蛋白在原生质体中的表达情况。该实验的重点是如何增加外源片段的转化效率，其影响因素很多，包括培养的幼苗生长状态、选取的幼苗部位、纖维素酶酶解时间、PEG浓度以及转化时间等。这些影响因子能够给予学生更多的思考空间，使原本枯燥、简单、机械的实验操作变得更具有研究性，能够很好地激发学生的创造性思维，利于培养学生分析问题、解决问题的能力。另外，外源片段的选取来自于已经报道的融合荧光蛋白的各类细胞器标志性蛋白，如内质网、细胞核和质膜等，最终通过荧光蛋白的观察可以更形象地帮助学生认识植物细胞中各种细胞器的形态。本实验跟理论课中介绍的细胞培养、细胞转化、荧光蛋白标记和细胞器结构等知识点有机地联系在一起，更深刻地加深学生对理论知识的理解。

2教学内容的实施

（1）课前准备。综合性实验的开设应基于过硬的基本技能和扎实的理论知识，不能忽视学生的接受能力，一味地追求创新性、研究性试验的开设而放弃基本技能的培养，因此，综合性试验开设应基于一些基本实验，如显微操作和细胞培养等。同时，实验课内容的选取也应与理论课的开设保持一致，这样既能避免知识的重复讲述浪费时间，也有利于学生对实验内容的更好理解，增强实验课的实验质量和课堂效果。同时，针对学生对综合性实验相关理论与技术上的欠缺，一方面，教师可以加强学生的课前预习，针对实验内容督促学生加强文献阅读，根据自身情况制订具体的实验方案，并提前准备实验材料和试剂；另一方面，教师可以充分利用多媒体教学手段，制作规范的操作视频，并在课前展示给学生，直观生动地阐述实验难点。这样既有助于提高学生的实验积极性，还能增大课堂教学的信息量，提高课堂效率，为开放式实验模式的顺利采用打下基础。

（2）实验分组。为了既能培养学生的独立思维能力，又使其具有相互协作的团队精神，要求每4～5个学生为一组。教师按照学生拟定的实验计划充分提供实验试剂和操作平台，最大限度地给学生创造实验操作机会，争取每一个实验环节都由学生亲自动手，包括课前实验试剂的配制和实验材料的准备，充分锻炼学生的动手能力。

（3）实验操作。综合性实验在科研实验室中的开设是开放式的。实验开始时，学生自己动手，依靠教师的机会减少；教师也不能像平时上课一样随时指点学生，因此学生自己动手创新的时间增多，以此来看，实验式教学的效果有效。学生的实验操作规范是否正确，直接影响实验教学质量和教学效果。针对上述问题，除了课前多媒体教学视频的示范，实验室中的研究生会为学生及时提供技术支持和实验安全监督，保证实验的顺利进行。

3课后反馈

实验结束后，实验结果的总结和实验方法的优化是综合性实验开设的重要环节，是研究性实验的重要体现。由于各种因素的影响，各组实验效果不尽一致，甚至会因某些实验环节考虑不周、操作不当而导致实验失败，比如，在溶液配置过程中，仅仅考虑了融合剂的浓度而容易忽视溶液PH值的调节，影响质粒的转化效率而导致实验效果均不理想；还有没有考虑水稻幼苗的生长状态，导致分离的水稻原生质体状态不佳影响实验效果，等等。而通过实验课后的分析和总结对实验设计的优化，不仅使学生了解到科研实验的基本流程，同时也培养了学生严谨的实验态度和思考分析问题的能力。学生对这种能使自己主动实验的课程持欢迎态度，实验效果得到极大的提高。

二、结论

笔者利用正常教学周的周末在个别班级探索性地进行开放性、研究型的综合实验教学模式的摸索，在内容上体现从单一实验到研究性实验的渐进，从教学方式上体现从常规教学到半开放教学的转变，以期在教学目标上达到训练基本技能与基本理论到综合实验能力、创新实验能力与素质的提高，取得了一致好评。多名学生因为综合性实验的吸引对生物学实验产生浓厚的实验兴趣，他们在上好课的前提下利用课余时间主动加入本课题组中参与更深入的科学研究，并获得了国家、省和校级创新课题的资助，且所参与的课题部分取得了不错的进展。最令人欣慰的是，学生并没有因为花费大量时间在实验室而影响课程的学习，他们每年几乎都能获得国家等各级奖学金，多人被保送到著名大学和科研院所，并获得导师的好评。

开放性、研究型细胞生物学实验教学体系相对于传统实验教学模式，在教学模式和教学理念方面都有所改进，但随着细胞生物学学科的发展及实验条件的改善，笔者认为还可以从以下几个方面进一步完善这一教学体系：第一，紧跟细胞生物学学科前沿，密切联系科研技术，逐步更新完善实验内容。例如：细胞转化实验可以同时提供烟草表皮细胞农杆菌注射、洋葱表皮细胞基因枪法以及水稻原生质体法等试验方法供学生选择，比较各种方法的实验效果并进行相关改进等。第二，合理加大设计实验在日常教学中的比例。遵循“通”与“专”结合，充分尊重个人专业兴趣，尽可能为感兴趣的学生提供进一步训练的实验条件，充分调动学生的主观能动性和实验积极性，挖掘学生潜能及创造力。

参考文献：

[1]余光辉基于细胞生物学教学的科研创新人才培养模式探索[J]中国细胞生物学学报，2012，34（12）

[2]闰晓梅，王莲芸，秦敏君，林志新试论实验教学中学生科研素质的培养[J]高校生物学教学研究，2013，3（3）：39-44

[3]孟盈细胞生物学实验研究型教学模式初探[J]教育教学论坛，2016，8（35）：276-277

[4]覃永华，徐鑫，余光辉，王春台细胞生物学实验教学模式的探索[J]实验科学与技术，2014，12（2）：127-129

[5]王煜，王亚男，李姣，马丹炜基于翻转课堂的细胞生物学实验教学设计和实例应用[J]中国细胞生物学学报，2016，38（7）：843-849

[6]杨海波，宋巍，陈兰英细胞生物学实验教学的实践与探索[J]科教研究，2013（28）

[7]杨洪兵，张玉喜，侯丽霞，张艳萍关于细胞生物学实验教学的几点建议[J]科技信息，2012（5）

[8]薛雅蓉，刘常宏细胞生物学“半开放设计性实验”教学的意义与实施方法[J]实验技术与管理，2013，8（30）：167-170

[9]薛雅蓉，庄重，康铁宝构建三级细胞生物学实验教学体系的实践[J]高等理科教育，2013，2（108）：92-94

[10]周景明，刘红涛，祁艳华，臧新新形势下细胞生物学实验教学实践与探索[J]大学教育，2015（12）：153-154

[11]徐鑫，覃永華，余光辉，程旺元，唐仙英科学素养与科研为导向的细胞生物学教学方法探索——以中南民族大学为例[J]中国细胞生物学学报，2016（4）：421-425