教师科研项目在实验教学改革中的应用

汪 波， 李文芬， 颜亨梅

(北京师范大学珠海分校 工程技术学院， 珠海 519085)

作为理论教学配套的教学方式，实验教学注重的是学生亲自体验和观察，是培养学生动手能力和创新思维的主要环节[1]。目前，教学实验的种类主要包括基础验证性实验和综合设计、探究性实验[2]。相比较而言，由于设计、探究性实验在培养学生综合素质、提高科研创新能力方面的独特优势[3]，在教学内容的设置上，各高校正逐渐加大其比例，为培养应用型、创新型人才打基础[4]。

我院生物技术专业作为省级战略新兴产业特色专业建设对象，尤为重视培养学生发现问题、解决问题的能力，对实验教学内容、教学方法、考核方式进行多方面改革尝试，通过对大三学生开设生物技术综合技能训练实验课程，在其前期掌握的知识与技能上，进行研究性实验的设计、开展与总结，培养学生独立思考的能力。基于此目的，实验内容的选择与设置成为关键。教师是教学改革的主体[5]，通过带动学生参与科研项目，既可以让学生了解学科发展前沿[6]，也可以帮助教师完成实验项目内容。因此，我们对此进行了探索和尝试，并将完成过程记录如下。

1 实验项目的选择和设置

生物技术综合技能训练实验课程安排在大三第二学期，学生已经完成动物生物学、生物化学、分子生物学、生物统计学等课程的理论学习，初步掌握了相关实验技能。如何通过该课程的训练，促使学生掌握基本的实验设计、项目执行与开展、数据总结等科研技能，解决实际问题[7]，是实验项目设置需要考虑的首要原则。

主持的国家自然科学基金项目“基于分子生物技术的蜘蛛摄食生态学分析及控虫效能评价”主要通过定性、定量研究蜘蛛捕食猎物的种类和消化速率。定性研究方面，利用形态学观察和DNA条形码技术研究蜘蛛消化道内猎物的种类；定量研究方面，利用常规PCR技术和实时荧光定量PCR技术分析蜘蛛捕食不同数量猎物后的消化速率，详细实验内容如下。

1)定性实验：DNA条形码与物种鉴定。

室内观察拟环纹豹蛛捕食昆虫的种类，分为果蝇组、蚜虫组、稻飞虱组等，将捕食猎物后的拟环纹豹蛛处死，在显微镜下解剖取消化道备用，提取DNA，鉴定DNA质量，设计CO-Ⅰ基因引物，设置退火温度、时间梯度，镁离子浓度梯度等，PCR扩增，凝胶电泳检测基因扩增情况，回收、测序，BLAST，分析拟环纹豹蛛消化道内猎物种类。具体实验内容和要求见表1。

2)定量实验：qPCR技术测定蜘蛛捕食猎物后消化速率。

通过设置进食不同数量猎物的蜘蛛组、消化猎物不同时间的蜘蛛组、不同温度下消化的蜘蛛组，要求学生前期查阅文献和预实验，设置单因子梯度，进行普通PCR实验，利用Gel-Proanalyzer软件对比marker和扩增产物条带亮度，估算基因含量，绘制蜘蛛体内猎物DNA含量和捕食猎物数量、消化时间的关系曲线，选择条件合适的实验组进行实时荧光定量PCR，具体实验内容和要求见表2。

表1 DNA条形码技术鉴定捕食猎物种类实验安排

表2 PCR测定蜘蛛捕食猎物后消化速率实验安排

2 实验项目的实施过程

第1周进行实验分组(按照狼蛛捕食猎物种类分为果蝇组、蚜虫组、叶蝉组、稻飞虱组等，每组5～6人)和教学计划的讲解，要求学生掌握整个学期的大体实验思路与实验流程，安排学生查阅DNA条形码原理和技术、食性分析方法、实时荧光定量PCR原理和技术等方面的文献，并做出读书笔记。

实验项目按照先易后难的原则进行安排，第2至第9周先进行定性分析实验，要求学生熟练掌握动物显微解剖、DNA提取、引物设计和评价、PCR扩增、BLAST等理论知识和实验技术，确认能利用DNA条形码技术分辨蜘蛛体内液态猎物后再进行定量分析实验。

同样，第11至第13周引导学生进行实验梯度设计，利用常规PCR和电泳凝胶定量法分析蜘蛛消化猎物的速率，通过半定量技术鉴定体内猎物DNA模板量差异显著的蜘蛛组作为后续实验样品，要求学生查阅文献，掌握实时荧光定量PCR技术原理，第14至第16周再进行实时荧光定量PCR扩增，保证实验的可行性。

由于课堂教学时间的限制，部分耗时较长的、操作简便的教学内容，被安排在课外执行，作为省级实验教学示范中心，我院一直实行开放实验室制度，这有力地保障了实验教学进度的正常进行。具体实验教学计划见表3。

表3 实验教学计划Table 3 Experimental teaching plan

3 实验教学过程中的质量控制

实验考核方案的合理性严重制约教学质量[8]，为了更好地培养学生创新思维和科研技能，采取了注重实验参与过程和实验总结的多元化考核方式，主要从以下几个方面对学生进行综合评价。

3.1 学生学习主动性考察

蜘蛛捕食猎物种类、蜘蛛可捕食猎物最大数量、蜘蛛消化猎物所需最长时间，PCR扩增条件设置等实验方案均需学生自行设计，在正式实验开始前，要求学生课外先完成预实验，以保证实验梯度设计的合理性。实验报告能有效记录学生完成实验的全过程，要求学生课前完成实验设计、课中培训实验技能、课后分析实验数据，重点是对实验过程中遇到的问题、以及解决方法进行梳理，培养学生解决实际问题的能力。例如学生在进行DNA条形码鉴定蜘蛛体内猎物种类实验时，之前接触的常规PCR扩增普遍是验证性实验，引物设计、PCR扩增条件设定都是按照实验步骤进行，按部就班的实验未能使学生完全理解各项实验条件设置的内涵[9]，对引物设计原则理解也不透彻，导致电泳检测扩增产物时发现多次出现100 bp的非目标条带，查阅文献后猜测其为引物二聚体，于是通过重新设计引物、提高退火温度，降低Mg溶度，降低非特异扩增概率，最终成功解决问题。

3.2 实验技能和科研素质的考察

实验教学基本教学目的是培养学生掌握相关的实验技能，更深一步的是培养学生具备观察问题、分析问题、解决问题的科学素养，其中最关键的是促使学生养成实事求是的科研态度，基于此目的，学生必须记录原始数据、图片等，并于实验结束后立刻提交，类似于凝胶成像系统、实施荧光定量PCR仪等设备中记录的内容要求以“小组+日期+记录人”命名，保留原始数据备案，一来有利于学生在实验受阻后分析问题根源，二来方便教师检查学生实验进展。

3.3 团队协作能力的考察

实验项目都是综合设计性实验，任务量大，部分实验内容还需要课外完成，因此实验内容主要以小组形式完成，这就要求团队成员之间通力合作，通过组员之间互相监督、评价，提高学生参与度；同时PPT汇报时候，小组汇报人由指导教师随机抽取或者组员自己抽签确定，避免个别不主动学生影响全组学习积极性[10]，能够较好地保证每个学生对实验方案设计、实验内容执行、实验数据总结全过程的掌握。

表4 考核方案

4 实验教学改革执行后的教学效果评价

4.1 培养学生掌握基本的实验技能

生物技术综合技能训练实验课程充当着完成生物技术专业大实验的功能，将前期所学的基础验证性实验串联成完整的实验体系[11]，帮助学生巩固掌握基本的实验技能，如动物显微解剖技术、DNA提取和检测、BLAST、实时荧光定量PCR技术等，在此基础上，培养学生具备完整实验设计的能力，从整体教学过程来看，基本达到了教学目的。例如定性检测实验过程中，学生没有意识到对照实验的重要性，扩增CO-Ⅰ基因后，无法分析测序结果，分析实验过程发现只考虑不加模板情况，未设置阴性对照组，导致假阳性结果(扩增产物为猎物CO-Ⅰ基因和蜘蛛CO-Ⅰ基因混合物)的出现， 最终通过提高引物特异性解决问题。

4.2 提高学生科研素质和创新思维

实验教学不单要完成教学目的和要求，锻炼学生掌握基本的实验技能，更重要的是培养学生主动分析问题和解决问题的科研素质，激发学生创新思维。通过实验项目的训练，绝大部分学生基本能够掌握文献检索、资料收集、资料分类和筛选能力；根据实验目的进行初步实验设计；自行合理安排课内、外时间完成实验；对实验数据进行统计、分析；实验受阻时候能够主动分析问题，查阅资料，提出解决方案；项目式的实验内容要求学生合作完成，锻炼了学生的协作能力[12]，更重要的是，提前引导学生进行科研训练，在一定程度上有助于改善学院教学与科研脱节的状况，激发学生的创新思维[13]。例如：半定量的实验方法就是学生在DNA电泳检测时候，观察到Marker条带的亮度和提取的DNA样品亮度不同，Marker浓度是固定的，因此联想到条带灰度不同是否代表DNA浓度不同，查阅文献和资料，发现确实有软件可以根据光密度进行线性分析，估算样品的上样量。

近年来，教学团队指导的学生科研成果提升明显，共获大学生创新训练项目国家级1项、省级4项，省科技攀登计划资金项目2项，学生发表论文5篇，较大程度上激发了学生参与科研的兴趣。

4.3 改善了教师的教学和科研水平

将教师科研项目与实验教学相结合，引入学科发展前沿动态，不仅提高了学生的参与度，而且促使学生融会贯通所学知识，提升了教学效果[14]，课程教学质量评价结果显示，学生评教为优秀，但同时，也对教师提出了更高的要求，教师需要根据专业培养计划的要求，对实验内容进行适当调整，增加学科前沿知识与技术比例，激发学生兴趣，以项目制教学方式改善教师教学水平；另一方面，也督促教师关注学科发展动态，提升教师科研水平。

5 教学改革方案推广的可行性建议

实践证明，通过将教师科研项目引入实验教学内容，达到了较好的“教学相长”的教学效果，既有助于提高学生综合素质和科学素养，也加强了教师的教学科研水平。从整体流程中可以看出，教学改革方案的关键在于实验项目的选取和设计，既要满足学科经典知识点和实验技能的掌握，同时也要引导学生追踪学科前沿[15]，这也是教师科研项目研究的出发点，因此如何把握这两者之间的过渡与衔接关系到教学改革的成败，这个就需要教师与学生之间具有良好的沟通，及时根据实验过程中的反馈进行及时调整与更新，以保障实验教学的顺利进行。