基于科技竞赛的生物科学专业创新人才培养模式的探索与实践

熊 艳， 和七一

(重庆师范大学生命科学学院,重庆 401331)

从“十二五”国家战略性新兴产业发展规划来看，包括新材料与工程、新能源、生物产业等在内的七大新兴产业已经受到了国家政策的大力扶持[1]。其中以生物产业为例，国内外的生物技术与研发上的交流日益紧密。纵观国内，不仅诞生了华大基因、诺禾致源等世界前列的生物公司，很多以生物试剂、工业制造与科研服务等为不同市场定位的生物公司如雨后春笋般不断涌现。在这样的产业背景下，培养全方面的生物专业人才则体现得至关重要。与此同时，师范类高校的生物专业不仅仅承接着培养生物人才的任务，其培养的毕业生更要承担起下一代生物人才培养的重任。由此可见，在师范院校生物专业中改革与探索生物专业人才的培养模式已成为时代所需、产业进步的重要驱动因素。

1 生物科学专业创新人才培养模式构建的意义

传统教育专指德国教育家赫尔巴特及其学派的教育理论和教学模式，该学派重视课堂教学、教师起主导作用传授系统的科学知识的教学模式[2]。现今我国大多数学校仍实行传统教学，从以下几个方面来分析传统教学的特点。

在教学形式上，每天的课程安排是满档的，学生从8点半至12点，下午从2点半至6点，晚上从7点至9点都被安排了课程；并且每堂课45分钟，教师课堂教学时间为90%左右，剩余10%左右的时间用于学生消化当堂课的内容，这个“填鸭式”教学，使得学生承受过重的学业压力。在教学目的上，教师注重培养学生的认知能力，通过课堂授课及期末考核的形式，使学生从感觉、知觉、记忆等方面学习知识点[3]；学生注重考试成绩，学习知识的目的就是为了取得高分，大多数人不会去探究“为什么”，只会去记忆“是什么”，考完之后仍然对知识点掌握不够，如在学习“心脏的结构”时，教师用PPT、心脏模型讲得绘声绘色，学生死记硬背应对考试，却不能将课堂所授知识与解剖课中的实验动物的心脏结构结合起来记忆，这些知识则会随着时间流逝而忘记。在学习内容上，是由教师安排教学内容，学生被动接受，而对于生物学科来说，是理论与实践一体的，学习理论知识过后，将理论知识运用于实验课中，然而在实验课中，教师是将实验操作步骤罗列出来，让学生按部就班的完成实验过程以实现教学任务，并没有激发学生自主设计实验的思维，学生若将在理论课上学习的专业知识彻底吃透，根据已知的专业基础知识来设计实验，教学效果会更好。

由以上几个方面可知，传统教学方式更注重教师为主体，知识的学习是被动的，传播的方式是单向的。目前，应用广泛的是以传统教学为主、结合探究式教学、启发式教学等的教育模式，从学生的学习成绩、综合能力来看，效果不佳。生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，并以实验为基础的自然科学[4]。这门学科具有理论性和实验性，既要学习生物基础知识，还要学习实验技能，现在的教学方式已经不适用于培养生物科学专业的大学生。为积极响应国家战略性规划，实现培养生物科学素养的综合性人才的目标，教师探究新型培养模式则及其重要。

2 基于科技竞赛的生物科学专业创新人才培养模式的构建

大学生学习时间更为自由、学习方式更为多样化，学校为使学生充分利用时间，开展了大学生创新创业训练项目、“挑战杯”创业计划竞赛、“挑战杯”课外科技作品制作大赛等一系列活动，以吸引学生通过参与科技竞赛的方式进行学习，培养大学生的科技创新能力，提高生物科学素养。探究以“产学研”三级联动为前提，为科研项目提供研究平台、资源及经费；引导学生通过体验式教学明确项目研究方向及内容；通过PBL教学确定实验方案并进行实验，将实验中遇到的困难，未解决的问题记录下来；教师组织项目成员进行Seminar研讨，对每一个阶段的结果及时分析，将实验结果存在的问题及时解决并制定下一阶段的实验方案，最终完成整个项目的培养模式是否适合用于培养生物创新型人才。如图1所示。

图1 大学生生物创新型人才培养模式框架

3 生物科学专业创新人才培养模式的实践

现在大学生的科研竞赛方式有很多种，如：国家级创新创业训练项目、“挑战杯”创业计划竞赛、“挑战杯”课外科技作品制作大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等，在我校还开设了“三春湖”大学生创新创业大赛，给学生更多的机会参与到科研中来，现以本校生命科学学院大学生创新创业训练计划项目《牛奶菜中抗中华眼镜蛇毒功效组分的筛选、鉴定及作用机制研究》为例，探究新型培养模式是否适用于生物科学专业的学生。

3.1 确定项目

仔细阅读学校相关文件后，了解申请项目的过程。根据自己感兴趣的方向找相关教师进行沟通，确定科研项目。

3.2 组建项目成员

项目负责人在班级、年级上组织项目组成员，确定各个成员的分工，提交申请、申请立项。经学校考核立项成功后，将探究的模式运用于项目课题中。

3.3 模式的实施过程

3.3.1 “产学研”三级联动

在《牛奶菜中抗中华眼镜蛇毒功效组分的筛选、鉴定及作用机制研究》这个项目中，与教育部活性物质生物技术工程研究中心、重庆市生物活性物质工程研究中心和毒蛇养殖与深加工协同创新中心合作，解决蛇毒供给的问题，还给大学生提供了科研经费及平台，而学生在完成项目后给企业提供新的思想、新的技术、新的科研成果等以解决企业需要解决的问题，以形成“产学研”三级联动图，并达到双赢的目的，如图2所示。

图2 “产学研”三级联动图

3.3.2 体验式教学

体验式教学是以学生为主体，学生通过各种检索，查阅相关信息，并进行筛选有效信息学以致用[5]。本科学生申请到《牛奶菜中抗中华眼镜蛇毒功效组分的筛选、鉴定及作用机制研究》这个项目后，由于对专业基础知识薄弱，对于整个项目还不了解，因而采用体验式教学的方法，通过查阅相关书籍、检索文献掌握什么是“牛奶菜”、“中华眼镜蛇的分类地位”“中华眼镜蛇毒的成分有哪些”等基础知识，了解这个项目的研究背景、研究意义是什么等等问题。其次检索这个项目的相关文献，如眼镜蛇毒的中英文文献、牛奶菜的中英文文献、牛奶菜抗眼镜蛇毒的中英文文献等等。在看文献时，筛选有效信息，记录有用的内容如目前国内外探究牛奶菜抗眼睛蛇毒的研究有哪些，根据国内外的研究进展明确研究方向及内容。如图3所示。

图3 体验式教学的过程

3.3.3 PBL教学

PBL(Problem-Based Learning)教学又称为问题式教学，其教学过程分为“五步走”[6]，如图4所示。

图4 PBL教学过程

在《牛奶菜中抗中华眼镜蛇毒功效组分的筛选、鉴定及作用机制研究》这个项目中，了解了研究背景、研究意义，掌握了基本的专业知识，明确了研究方向后，思考：“中草药提取方法有哪些？”、“怎么提取牛奶菜中的成分？”、“是用牛奶菜全株、茎、叶提取？”、“如何选择最适的提取方法？”等等问题。带着问题去检索文献，如检索“中草药提取方法有哪些？”，可查阅到相关文献，记录有效信息——中草药提取方法有煎煮法、浸渍法、回流法、渗漉法、超临界流体萃取技术、酶法等等[7]。将想到的问题先自己逐一通过各种手段解决，并将有效信息记录下来之后，项目的每个成员进行小组讨论。小组讨论需要实现的目标是：将每一个问题罗列出来，每个人查到的解决方法进行组内讨论，最终确定最优解决方案及预备方案。在教学当中，可将小组讨论的结果在课堂上与其他小组的成员或者老师进行更深入地讨论，在科研项目中则是与老师讨论以达到完善解决方案的目的。最后教师将讨论的最终结果进行总结，确定最终的实验方案，牛奶菜用全株及其提取方式，如图5所示。这就实现了PBL教学的“五步走”，进一步锻炼学生主动学习的能力、提高学生分析与处理科研问题的能力，有利于学生将知识综合运用，促进知识的迁移，凝聚小组团结力[8]。

图5 牛奶菜分离技术路线图

3.3.4 Seminar机制

Seminar教学法即是将教师及学生置于同等地位，以培养学生的创造精神及创新能力为目标，充分发掘学生的学习潜能的教育模式。该教学法中，教师主要职责是创设一种有力研究、讨论学习的情景和氛围[9]。经过体验式教学、PBL教学初步确定实验方案，进行实验，对实验结果是否达到预期的效果进行分析，老师组织Seminar进行讨论。如经前期研究，我们发现牛奶菜粗提物在体外能够有效的抑制眼镜蛇毒磷脂酶PLA2活性，该酶具有多种生理药理学功能，能够引起神经毒性，是眼镜蛇毒致死的主要因素之一。因此，我们推测牛奶菜组分中存在某种或者某几种能够与眼镜蛇毒磷脂酶PLA2相互作用，从而抑制其活性的功效组分。牛奶菜通过萃取分离，我们对其中功效组分进行了筛选，结合GC-MS对其结构进行了初步鉴定。部分结果如表1所示。

表1 牛奶菜四种提取物的GC-MS成分分析(%)Table 1 Component analysis of four kinds of extracts of Marsdenia sinensis Hemsl based on GC-MS (%)

由表1可得：本研究首先采用醇回流提取法和水回流提取法制备牛奶菜提取物，再采用石油醚、三氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇对水提物依次萃取，结合GC-MS分析，从牛奶菜中共检测出77种组分，其中，醇提物中检测出27种组分；而水提物中检测出56种组分，其中石油醚相检测出22种成分、三氯甲烷相检测出39种成分、醋酸乙酯相检测出18种成分，正丁醇相中未检测出物质。这77种化合物中含有大量具有抑制蛇毒活性的组分，包括十四烷酸、十六烷酸、十六烷酸衍生物、十八烷酸衍生物、十八烯酸及其衍生物、2,4-二叔丁基苯酚、谷甾醇和豆甾醇。

得到这个结果，后面的实验方案又如何来进行呢？在Seminar中，教师与学生以这个实验结果为基础，进行下一步的讨论，制定下一步的实验方案。在完成这个项目过程中，使用Seminar教学法具有以下优点：①有利于更好地培养学生动手操作能力、独立思考的能力及解决问题的能力；②有利于明确研究方向，教师把控研究大方向，以免学生陷入死胡同；③有利于培养学生的科研精神，科研是不可能独立一个人完成的，需要团队合作，以达到共赢的结果。在很多高校，研究生的研究课题，导师也采用的Seminar机制进行课题研讨，制定后续实验方案，以完成整个课题组的科研目标。

在《牛奶菜中抗中华眼镜蛇毒功效组分的筛选、鉴定及作用机制研究》这个项目中，将项目分为“牛奶菜化学组成成分的研究”、“牛奶菜抑制眼镜蛇毒神经毒素功效组分的筛选”、“牛奶菜抑制眼镜蛇毒神经毒素功效组分结构的初步鉴定”、“牛奶菜功效组分对眼镜蛇毒抑制小鼠回肠平滑肌收缩的保护性作用研究”四个阶段进行探究，老师组织Seminar，对每一个阶段的结果进行讨论，及时分析实验存在的问题，并制定下一阶段的实验方案。当项目执行与竞赛完成之后，及时总结分析这次项目或竞赛成功、失败在什么地方，并及时进行调整，最终完善整理出整个的培养模式。

4 总结

教师根据生物这门学科的理论性和实验性，基于科技竞赛构建培养新型生物科学专业创新型人才模式，鼓励学生参与到科研项目中，使学生将课堂上学习的理论知识用于实验中，锻炼学生的思维能力、设计实验的能力、解决问题的能力等，从而激发学生的创新思维，培养高素质生物科学创新型人才。