“生物学实验基础”课程建设与实践

廖鹏飞, 蔡奇英, 余 潮, 薛喜文, 葛 刚

(南昌大学 生命科学学院 生物学实验教学中心, 江西 南昌 330031)

培养高素质创新型人才是当代高校人才培养的重要目标,本科生科研素养是现代高等教育目标的重要组成[1-3],实践教学是培养和提高学生综合素质和创新能力的重要手段[4]。生物学是一门实践性很强的学科[5-6],学生对生命现象的深入探讨与研究和对生命规律的认知与掌握都与实验紧密联系,要使学生具备严格、规范的生物学实验技能和较强的实践动手能力,就要规范学生的实验基本操作,这是生物学实践教学内容的重要组成部分[7]。

随着生物科学的快速发展、生物学教学理念不断更新,以及教学大纲不断改进,综合性、设计性实验在低年级学生课程中逐步开设。近年来,为了培养学生的实践动手能力和科研素养,各类课外科技项目和竞赛活动不断推出,如创新创业训练项目、学科竞赛、科研训练项目及“挑战杯”大学生课外科技活动等。但是在高考应试教育背景下,由于普遍的重理论、轻实验观念,以及受限于高中阶段学校实验条件等原因,使得刚升入大学的生物学科新生普遍存在实验安全观念淡薄、实验习惯不规范、实验动手能力差等突出问题,严重影响学生的专业实验课学习和课外科研训练活动。

2012年,我校对生物学实验教学体系和大纲进行改革,构建了“生物学实验基础—基础生物学实验—专业系统综合和设计实验—研究创新训练—综合实习”为基本框架的实践教学体系,针对一年级新生开设了“生物学实验基础”课程。一方面通过生物实验室安全教学培养学生实验室安全防范意识,另一方面通过实验技能和基本仪器使用培训,规范学生实验基本操作,培养学生良好的实验习惯和科研素养,为今后的专业课实验和科研训练打下良好基础。该课程实施多年来,取得了良好的教学效果。在省级本科教学改革项目支持下,对该课程建设进行了一些有益的尝试。以下是我们在课程主要教学内容设置、网络辅助教学平台建设、实验考核评价体系构建及实验讲义(教材)编写等方面的一些做法和体会。

1 课程主要教学内容设置

本课程的教学内容主要包括实验室安全教育、实验操作和仪器使用规范及学生科研能力培养3部分。

1.1 加强安全教育,培养学生实验室安全防范意识

高校实验室是教学活动的重要场所,其安全性关系到整个高校的稳定,是建设平安校园、构建和谐社会的重要内容[8]。相对于其他类型的实验室,生物实验室安全不仅涉及常规的水、电、火及化学药品的使用安全,同时还涉及生物安全,还可能涉及野外实验或者实习安全等。为此,我们的安全教育内容包括以下方面：

(1) 常规实验室安全操作规范：实验室安全准则；实验人员穿着规范；水、电、火等操作规范；消防设备操作规范；通风橱使用规范等。

(2) 化学药品实验操作规范：化学药品的标志和等级；危险化学药品操作规范和安全防护措施等。

(3) 生物安全知识：生物实验室安全等级介绍,包括一级生物安全实验室(BSL-1)、二级生物安全实验室(BSL-2)、三级生物安全实验室(BSL-3)等；个人防护规范等。

(4) 野外实验(或实习)安全操作规范：基本准则；必备物品；急救措施；紧急求救信号表示方法等。

在课堂教学中,首先对生物实验室安全操作规范进行讲解,其间结合一些实例,然后通过动画或视频演示,加深学生对实验室安全知识的认识和了解,最后是对学生进行实验室安全知识测试,巩固学生对实验室安全知识的掌握。

1.2 严格实验操作和仪器使用规范,培养学生良好的实验习惯和动手能力

实验操作的规范性是得到可靠、准确实验结果的重要保证,对刚进入大学的生物科学专业新生的问卷调查发现,只有30%左右的学生在中学期间做过简单的生物学实验,很多学生对普通的光学显微镜都不能进行正确、规范使用。为了尽快提高大学新生的生物学实验技能和动手能力,以适应今后专业实验课的学习,并随教师进入科研实验室进行科研活动,根据专业实验中常用的实验基本技能和实验仪器,系统设置了生物实验基本技能和仪器操作规范的教学内容,主要包括：

(1) 常规玻璃仪器的介绍和规范使用；

(2) 常用定量工具(如容量瓶、移液管、移液器(枪)和天平等)的介绍和规范使用；

(3) 常规仪器设备(如光学显微镜、体视镜、分光光度计、离心机、超净工作台、高压蒸汽灭菌器、PCR仪、pH计和电泳仪等)的介绍和规范使用。

在教学实施过程中,先用课件详细讲解规范的操作方法和注意事项,然后让学生观看实验操作视频,再让学生自己动手操作和练习。当学生掌握这些实验操作之后,我们把这些知识整合成具体的实验项目。例如,开设的“植物愈伤组织培养实验项目”,就是把无菌操作、超净工作台使用、pH计使用、高压蒸汽灭菌器使用及培养基配制和灭菌等内容进行整合的结果。通过这些实验项目,不仅能够提高学生对实验技能和实验仪器操作的熟悉程度,还能使学生懂得这些仪器和实验技术的内在联系和使用范畴,达到牢固掌握这些技术和方法的目的。

1.3 注重科学研究能力训练,引导学生科研素养养成

本科生科研素养的培养问题一直备受重视[3, 9-11]。近年来,为了培养大学生的实践动手能力和科研素养,各类创新创业训练项目、学科竞赛、科研训练项目等大学生课外科技活动蓬勃开展,各高校都非常重视。一般来讲,本科生科研训练项目从一年级第二学期或二年级第一学期开始,因此有必要在一年级新生中进行科学研究能力引导和训练,为此我们设置了以下教学内容：

(1) 文献资料检索和文献管理,包括文献资料检索方法、常用文献查询数据库、文献管理相关软件等；

(2) 实验设计和数据统计与分析,包括常用实验设计方法和常用数据分析方法与软件,如单因素方差分析方法、多因素方差分析方法及SAS、SPSS等数据分析软件；

(3) 实验报告和科技论文写作。

在教学过程中,首先对以上教学内容进行讲解,然后在网络辅助教学平台上传相关学习资料,学生可在网站上自主学习,还可通过网络教学平台反馈学习情况,学生在规定时间完成教师布置的课程作业。比如对于文献资料检索和管理,教师给出一些关键词或主题词,要求学生根据关键词在数据库中查找近5年来的相关文献资料,并将文献用文献管理软件(如Endnote、NoteExpress等)进行分类。教师还会布置一个课后作业,如请学生选择感兴趣的生物相关领域,在查找文献资料基础上按照科技论文写作格式,撰写一篇综述性的小文章,引导和训练学生的科研能力,培养学生的归纳、分析和综合能力。

2 实验讲义编写及PPT多媒体课件建设

由于该课程目前尚未有相关的教材,我们根据多年的课程教学内容和教学实践,以及生物学专业学生必须掌握的基本实验技术要求,并借鉴和参考众多生物实验技术教材,编写了“生物学基础实验技术与规范”讲义,该讲义包含以下方面的内容：

(1) 生物实验室的基本规范与安全；

(2) 生物学实验技术基础；

(3) 生物组织和细胞培养技术；

(4) 生物标本制作及显微观察技术；

(5) 生化与分子生物学常用实验技术；

(6) 野外调查与观测；

(7) 科学问题发现与文献研究；

(8) 实验设计和数据处理；

(9) 实验研究报告的写作和汇报。

“半天，我站起来，去推其他人。在这片屋顶上，至少躲着两百个居民，全死了，只有我活着。雪花落在他们身上，积了厚厚一层，使他们看起来，都跟一个人似的。”

其中的每个实验项目都包含详细的相关知识或实验技术原理,并附有规范的实验项目操作步骤、相关实验注意事项和思考题。我们还针对每一章节制作了图文并茂的PPT课件,可以帮助学生快速、系统了解和掌握进行生物实验所需的基本技术和规范。

3 网络辅助教学平台建设

网络教学可以打破传统实验教学在时间和空间上的限制,学生可在任何时间、任何地点,通过网络进行自主学习、交流讨论、问题答疑等,该教学手段已成为目前本科教学中一个非常重要的环节[12]。由于本课程的课程教学学时有限,既要完成教学内容,又要达到良好的教学效果,除了要加强课堂教学外,还必须充分利用学生的课余时间。我们将近年来制作和收集的该实验课程教学PPT、实验视频、电子实验资料等教学资源,上传到网络教学平台上。该平台可与手机移动终端共享,学生通过手机、电脑等工具,随时可自主地预习、复习相关知识,如有疑问,还可实时在线提出问题。教师可在平台上布置作业,学生可在线答题。通过网络教学平台建设,我们解决了该课程教学内容多而课时不足的矛盾。

4 改革实验考核评价方法,提高教学效果

对学生实验课程的考核一般包括实验操作和实验报告2部分。在本课程中,为了更好地评价学生对实验技能的掌握情况,我们分别从4个方面对学生进行考核：

(1) 教学过程实验操作。教师讲解实验操作后,学生分组进行实验操作练习,练习结束后,教师会随堂测试每组学生的实验操作情况并进行评分,该部分成绩占总成绩的30%。

(2) 作业完成情况。每次实验课结束后,教师会在网络教学平台上布置学习任务和作业,并对学生作业完成情况进行评分,该部分成绩占总成绩的20%。

(3) 实验报告。教师对学生实验报告撰写情况进行评分,该部分成绩占总成绩的20%。

(4) 期末实验考试。课程结束后,教师会准备若干套实验试题,其中包含实验理论知识和一道实验操作题,每个学生随机抽取试题进行作答和实验操作,教师根据每个学生的实验操作情况和答题情况给出成绩,该部分成绩占总成绩的30%。

5 教学效果和教学体会

5.1 教学效果

(1) 学生进入生物实验室的行为规范了。学生以往带食物和饮料进入实验室,以及喧哗、穿拖鞋或不穿实验服的现象不再出现,代之以严谨、整洁的实验教学氛围。

(2) 常规实验操作水平和动手能力有了显著提升,同时提高了专业实验课的教学效果。专业实验课教学中,教师普遍反映学生对实验仪器操作比较熟练,不必像以前那样花很多时间讲解实验中涉及到的实验仪器设备操作方法,而可以将重点放在讲解实验原理和实验内容上,提高了专业实验课教学效果。

(3) 学生的主动意识和科研素养得到加强。在实验课程中,对学生进行有针对性的鼓励和引导,大大提升了学生的自信心、主动性和思考能力。通过课程科研引导,许多学生在大一期间就着手寻找自己的兴趣点,进入各专业实验室进行科研活动,并参与到各个专业的科研训练、创新创业及“挑战杯”等课外科技活动中,学生的科研兴趣和科研素养得到很大提高。

5.2 教学体会

(1) 目前该课程主要采取多媒体实验课堂教学方式,但随着教学手段和方法的不断发展,可以对该课程的部分教学内容实施仿真实验教学建设,譬如对有毒或有危险的实验操作、实验室安全教育消防演习等,能够使学生的感受更加形象和直观。由于这种方式使得在课堂外就可进行操作学习,更加有利于该课程实验教学效果的提升。

(2) 实验项目要兼顾教学目标和学生兴趣,要照顾大多数学生的实际水平,注意中学与大学生物实验内容广度和深度的衔接问题。可选择学生有兴趣但中学阶段又难以实现的项目,将多个单独的小操作项目融入一个可执行的综合实验项目之中,这样学生很容易上手,也能在稍加努力后看到他们想看到的实验结果,培养学生学习生物的兴趣。

(3) 大一新生对专业领域和未来发展还比较迷茫,该课程作为他们接触的第一门生物实验课程,在课程教学过程中,可穿插讲解学生当前关心的内容,如介绍学院内各专业、研究所及导师情况,介绍各专业面对的就业需求等,有意识地鼓励学生大胆接触专业教师和高年级学生,让他们明确将来就业和升学所必备的基本素质要求,激发学生主动学习的精神。