生物技术大实验课程教学改革与实践

曾 琦， 谢 晖， 陈 丹， 王 福， 詹勇华， 梁继民

(西安电子科技大学 生命科学与技术学院， 西安 710126)

生物技术大实验课程教学改革与实践

曾 琦， 谢 晖， 陈 丹， 王 福， 詹勇华， 梁继民

(西安电子科技大学 生命科学与技术学院， 西安 710126)

生物技术大实验是生物技术专业本科生的一门综合性实验技能课程，涉及众多学科基础知识及技能，主旨于系统性培养学生的科研素养和创新精神。采用复合型的实验内容设计，囊括基础实验技能并组成真正的科研体系；半自选命题授课模式，以学生为实验主导体，教师作为辅助人员，协同完成实验课题；以及多元化的考核体系，从总的实验掌控力、实验操作及论文写作等几个方面来进行考核。从而达到将实验课堂的主动权还给学生，以学生为实验的主导，全面调动学生积极性，综合培养学生科研素养的目的。

生物技术大实验;教学改革;复合型设计;半自选命题;多元化考核

生物技术已成为高新技术发展最快的领域之一，各国在这个领域的经济及科研竞争也越来越激烈。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中将生物技术列为需要大力发展的前沿技术之一[1]。以西安电子科技大学工科背景为依托的生物技术专业是理工并进、理工复合型的专业，注重数学、物理、计算机和电子信息技术基础知识，同时强调生物技术知识、能力、素质的协调发展，强化知识结构的设计与建设，使每一个知识模块构成一个适当的训练系统，并以此为载体来进行能力培养和素质教育。生物技术专业学生本科四年的培养分为3个阶段：1)奠基阶段(打基础、固基阶段，1～4学期)；2)积累成长阶段(知识、能力、素质均衡阶段，4～6学期)；3)能力强化阶段(综合能力培养阶段，6～8学期)。

生物技术大实验是为生物技术专业高年级学生开设的一门重要的综合性实验技能课程，隶属于培养大纲中的能力强化阶段。该实验课程以微生物学、细胞生物学、生物化学、细胞生物学及分子生物学等实验课程为基础(图 1)，主要涉及生物技术领域具有代表性的实验方法和研究技术，目的是让学生灵活掌握和综合运用各种生物技术实验技能，理解实验原理及方案，掌握生物技术领域常用参数的测定方法，提高学生的实践动手能力和综合素质，系统性培养学生的科研素养和鼓励学生的创新精神。

我院生物技术大实验课程自2012年开课以来经历了3次教学方式改革和调整，最终建立了一套把主导权交予学生，主旨于培养和锻炼学生科研素养的教学体系。本文将总结4年以来生物技术大实验教学探索中的经验与不足。

图1 生物技术专业实验教学体系一览表

1 实验内容的构建

实验内容的编撰采用复合型设计，使得实验内容既基于基础又高于基础。开课初期，教研组根据学院开设的基础实验课程，综合考量学生掌握的实验技术，以及相关院校开课的教程[2-10]，最终选定“功能性基因克隆”、“植物色素提取及定性定量检测”及“蛋白提取和活性检测”这3个主题的实验模块(表 1)。

在“功能性基因克隆”模块学生需要完成包括引物设计、RNA提取、逆转录、PCR、电泳检测、基因回收、基因测序等实验项目；此前，学生已在分子生物学实验中掌握RNA提取、PCR、电泳检测及基因回收等技术；而本模块增加的引物设计、逆转录、基因测序以及分析等实验则能够将如上的基础实验串接成一个完整的实验故事，使学生对功能性基因克隆实验有一个宏观的认识。在“植物色素”模块，需要学生完成黄酮的单因素提取水平分析、黄酮类物质的纯化和定性定量检测；生物化学课程已囊括黄酮的提取、定性检测技术和柱层析技术；本模块侧重的是锻炼学生的实验设计能力，包括掌握单因素水平实验设计及对于一个提取分离实验的总体把握。“蛋白”模块的整体内容则侧重于引导学生探索未知实验结果；该模块包括鸡蛋清原始样品处理、纯化及抑菌活性的检测，其中柱层析技术、紫外分光光度计检测等实验技术在基础实验课程中均已教授，而无菌操作和微生物实验则已涵括在细胞生物学实验、分子生物学实验及微生物学实验中；该模块引导学生探究提取分离的蛋白是否能产生抑菌活性并对结果进行辩证分析。

表1 实验内容一览

综上所述，生物技术大实验课程的内容设计，不但囊括了基础实验的实验技术及操作，还从宏观上将基础实验串联组成完整的实验体系，有背景有目的模拟一个完整的科研项目。此种内容设计，既能够帮助学生巩固基础实验技能，又能够培训学生的实验思维，方便学生整体把握实验课程，并系统地培养学生的科研素养。

2 教学模式的革新

在生物技术大实验授课初期，教学模式依然遵循传统实验教学方式。例如：将“功能性基因模块”分为9个章节：细胞培养基础、细胞RNA的提取、总RNA变性琼脂凝胶电泳检测、逆转录反应、PCR反应的引物设计、聚合酶链反应扩增DNA、琼脂糖凝胶电泳、DNA切胶回收及检测和DNA的测序；讲授方式为：先进行原理教学，再分析实验步骤，最后学生依照教案的实验步骤在教师的指导下完成实验。这样的教学模式存在以下弊端：1)课程重复性大。虽然打着综合性实验的名头，做的却依然是基础课程已经安排过的实验内容，等于让学生做重复工作；2)学生积极性不高。整个教学过程中学生处于被动状态，依照教案及教师的指导完成任务，缺乏主观能动性；3)教学效果欠佳。虽然很多实验技术都是以前学习过的，在实验课程中学生依然会犯很多操作性错误，此外学生在实验报告的撰写方面也十分草率，授课效果欠佳。

意识到课程教学中出现的问题，教研组利用3年的时间摸索出了一套以半自选式命题为核心的新教学模式，至今已实践两次，基本达到理想的教学效果。该半自选式命题的教学模式以学生为主导，每一个设计的环节都需要学生自主自律的完成，层层引导学生发现问题并培养创新精神；此模式下，教师在授课过程中作为辅助者、耗材供应商及技术顾问，为学生完成实验项目提供辅助。具体的课程实施流程图见图2。

图2 生物技术大实验半自选式命题教学模式流程图

首先，第一节课设定为讲授课程，由教师以板书及PPT的模式为学生介绍课程的基本概况，组织学生完成分组工作，并列出6个课题命题及基本要求；6个基本命题分别为“自选功能性基因克隆及序列测定”、“目的基因获取及生物信息学分析”、“植物色素的提取”、“总黄酮的纯化及定性检测”、“鸟卵蛋白的提取及纯化”及“蛋白的微生物学活性特征”。

接下来，先预留一周时间给每个实验组查阅所选课题的基本资料，设计实验方法和流程，并分组召开组会；在组会上，教师聆听学生的准备情况，解答学生对于实验步骤或者原理的问题疑点，讨论出最优的实验方案，以便后续实施；学生在组会后3天内需要提交耗材申领单和包含有时间节点的实验设计书。

然后，教师将利用两周的时间来订购学生所申领的耗材试剂及RT-PCR引物；两周后开放本科生实验室，每组将分配到实验台、实验柜，并根据耗材申领单领取试剂及耗材。为了考查学生对实验的整体掌控能力，原则上不允许补领大量耗材，补领耗材列入成绩考核项目之中。

本科生实验室开放时限为两周，开放时间为每天的下午2点到6点，如有特殊实验情况予以延长每天开放时间。教师在这两周的实验室开放时间内，均需待岗，随时观察学生的实验进度，排除因为操作不当而引起的事故隐患，并及时解答学生在实验过程中产生的疑问，解决学生不会的技术难题。两周后关闭实验室，不再对学生开放，此项也考察了学生对实验安排的掌控。

最后，除了需要递交实验报告及实验论文以外，还安排了实验答辩环节。参考本科生毕设答辩的相关设置，要求每个小组以PPT的形式进行15 min的课题答辩，外加5 min的提问环节。

新的教学模式提前模仿科研课题研究流程，设置实验设计、实验安排、耗材申领、组会、实验、论文及结题验收环节，旨在综合培养学生的科研素质。

3 考核方法的多元化

一般实验课程的考核模块基本包括：课堂表现、实验报告以及实验结果3部分，其中实验报告占的比重很大。这样的考核方式不能综合考评学生在实验中表现出的能力，实验报告写得工整规范印象分就容易偏高。因此，本课程实施时从9个方面考核学生的表现 (表 2)。由表 2可见，每个模块所占的分数比较均衡，力求从实验实施的每个环节来考核学生的表现，然后给出综合性的评判。从总成绩看来，学生的分数差距并没有那么明显，以15级为例，最高分为94分，最低分为76分。然而，通观整个的分数模块表就能够辨别每个学生在哪一模块表现的突出，从而为辩证的评判学生提供依据。如表 3所示，学生1号和2号都获得最高的94分，学生1号的综合表现更为突出，而学生2号是在耗材规划和实验记录中完成得很优秀；获得85分的学生3号，虽然在其他模块的成绩较为平均，但是在论文的写作中却表现得很优异，说明该学生很好地掌握了论文写作的技巧；学生4号的成绩虽然是最低分，但在实验记录中表现得也存在亮点。由此可见，将考核模块细致的分类，能从分数中分析出每个学生的优缺点，做到辩证地看待学生的表现。

表2 生物技术大实验考核模块

表3 学生分数实例

4 问题与展望

西安电子科技大学是以工科为主的学院，其电工电子等工程类的综合性实验已具备成熟的教学体系。生物技术大实验开设4年以来，参考参照电工电子等综合性实验的教学体系设置及教学经验，经过一系列的摸索与改善最终形成了现有的适合生物技术系学生的教学体系。以学生为主体，教师为辅助，让学生课程开始就占据主导性，在每一个环节充分发挥学生的创造力，多方位的考查和培养学生的实验科研素养。

然而，在课程实施方面仍出现一些值得注意的问题。1)分组实验仍会导致学生的参与度不均一。由于场地、耗材及配套仪器的限制，不可能让每个学生得到完整的实验机会，每组学生之间仍存在着分工差异甚至有些学生可以偷懒，虽然这种差异能从组内分数上得到体现。因此，在后续的教学工作中，在人力财力物力上还需要进行配备，使得让每个学生都能够得到锻炼。2)实验安全隐患的监管。课程的设计就是把主导权归还给学生，并且已经默认学生具有一定的实验安全知识。但在实验过程中，主讲教师仍发现出现诸如水浴锅开到80℃没人盯或者离心机不配平等问题。因此，仍需培养学生对安全隐患的认识。

总之，新的课程教学体系使得教学质量明显提高，学生普遍反馈在整个课程过程中实验技术及解决问题的能力得到了提升。此外，学生在课程中还锻炼了团队协作能力。通过对学生科研素质的综合培养，生物技术专业学生在近些年来在科研领域也取得了不少的成绩，参与发表SCI文章1篇，国内核心期刊1篇，获得授权专利1个以及受理专利1个，这些成绩都与生物技术专业科研素质培养体系密不可分。一个学生在其论文的致谢一栏里这样写道：“在这次的实验过程中，小组遇到了各种问题，期间指导老师给了我们很多的帮助，不厌其烦地为我们讲解方法和原理，在此对指导老师表示由衷的感谢。小组成员都能积极参与实验，互相帮助，及时提出问题和意见并讨论和解决，这也是实验能按时完成的主要原因，感谢小组成员对这次实验所做的种种付出。通过探究性生物技术大实验的开展，总的来说收获颇丰受益匪浅。”

[1]国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)[Z].国发[2005]第044号. http://www.gov.cn/zwgk/2006-02/14/content_191891.htm.

[2]肖福英，蒋林彬，吴群英，等. 研究型和创新型人才培养的尝试[J]. 中国高等医学教育，2013 (5)：47-48.

[3]王凌宇，吴群英，黄 江，等. 生物技术大实验课程教育模式改革与探索[J].中国现代教育装备，2014(7)：49-51.

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[6]韦日明，蒋林彬，吴群英，等. 医学院校生物技术大实验课程教学改革探讨[J]. 高教学刊，2015 (18)：131-132.

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[10]宗宪春，张晓军，陈 鑫，等. 生物技术创新实验教学体系的构建与实践[J]. 牡丹江师范学院学报(自然科学版)，2012(2)：68-69.

Innovationandpracticeofbiotechnologyexperimentcourse

ZENG Qi, XIE Hui, CHEN Dan, WANG Fu, ZHAN Yong-hua, LIANG Ji-min

(School of Life Science and Technology, Xidian University, Xi′an 710126, China)

Biotechnology experiment is a comprehensive experiment course for the students of biotechnology. It covers a series of basic knowledge and experimental skills, and aims to systemic train the scientific literacy and innovation spirit of students. In order to give the initiative back to students, the course adopted compound content design, half customize proposition teaching mode, and diversified evaluation system. In that case, students could hold the dominance of experiment, and become more activity in the course; their scientific literacy could be trained.

biotechnology experiment; teaching reform; compound content design; half customize proposition; diversified evaluation

2016-10-10；

2016-11-08

西安电子科技大学实验教学研究与改革项目JG1512

曾 琦，博士，讲师，从事天然药物生物药物等相关教学与研究工作，E-mail: qzeng@xidian.edu.cn

梁继民，博士，教授，从事信息融合、医学影像处理和模式识别基础理论与技术应用等相关教学与研究工作，E-mail: jimleung@mail.xidian.edu.cn

10.3969/j.issn.2095-1736.2017.06.116

Q81;G642.0

C

2095-1736(2017)06-0116-04