运用血液指标和杀菌能力测定推进动物学设计性实验改革的实践与体会

张云龙， 袁小琛， 朱若林， 杨启超， 张志强

(安徽农业大学 动物科技学院， 合肥 230036)

课程改革创新行动是新农科建设的一项重要内容，设计有深度、有难度和有挑战性的实验课内容，变“水课”为“金课”，符合一流本科课程建设的改革目标[1]。目前，很多高等农业院校的动物学实验教学正处于以基础性实验内容为主向增加综合性和设计性实验内容的方向转变，但通过结合新兴学科的研究进展来培养和提升低年级本科生创新思维和创新能力的实践很少[2-4]。免疫生态学(Immunological ecology)是一门新兴交叉学科，自20世纪90年代创建以来，随免疫学测定指标的进步和简化而发展迅猛，主要探讨生物在进化和生态学过程中免疫功能变化的原因和结果[5-7]。发展简单实用、便于野外研究使用的免疫学指标是免疫生态学学科发展的重要任务之一[7]。其中，无损伤采血技术可活体获得微量血液，血液中各型白细胞的百分比及血清(或血浆)杀菌能力可从细胞介导的免疫和体液免疫及天然免疫等不同角度反映动物体的健康状态，这为利用动物学实验已有实验材料开设设计性实验奠定了良好的物质基础[8]。本文结合安徽农业大学动物科技学院动物学设计性实验的开设现状，阐述引用新学科研究成果开设设计性实验的可能性和必要性，介绍具体做法，并总结由此引发的一些思考。

1 动物学设计性实验的开设现状

新世纪以来，在动物学实验课程中开设设计性实验的高校多为综合性大学或师范类院校，虽然高等农业院校涉农专业与生产实践结合紧密，且有受众多、覆盖面广的优势，但在严格意义上开设设计性实验的院校很少，这主要与师资力量薄弱、实验课基础设施建设滞后和投入不足等因素有关[2]。

安徽农业大学动物科技学院自2010年开始在本科生动物学实验课程教学中探索设计性实验教学内容改革。学生以小组为单位，采用在教师指导下自行设计课题的方式来完成设计性实验内容，并以不少于3 000字的小论文作为考核指标，受益本科生已超过2 000人，取得了良好效果[2]。然而，也产生了诸多问题，如本科生对设计性实验的认识不到位、投入设计性实验的时间和精力有限，经费投入严重不足，创新性不明显，成果产出较少等[2, 8]。这些不足促使我们思考，设计性实验内容应与时俱进，即通过简单的技术手段解决领域内的重要问题。这一看起来矛盾的说法，随着免疫生态学和保护生理学(Conservation physiology)等新兴学科的兴起，逐渐成为可能。在免疫生态学中，一些可从血液中获得的价格适中、操作简便的免疫测定指标，可在传统的鲫鱼、牛蛙、巴西龟、家鸡和小鼠等解剖实验前获得，这不但为动物学研究提供了新的技术手段和方法[7]，也为动物学实验设置设计性实验指明了新的方向[8]。

2 开设动物学设计性实验的必要性

随着“双创”工程和“新农科”概念的提出，提高本科生的创新创业意识和能力，培养“一懂两爱”的毕业生，正渗透至高等农业院校日常教学的各个环节[9]。动物学实验是动物生产类、植物生产类本科生入学后首门专业基础课的实验课，在专业基础课的实验课中开设设计性实验具有开拓性，也有明显的示范引领作用[2]。至少从下面3个方面，有必要在低年级本科生中增设设计性实验内容。

2.1 讲授新知识,开阔视野

免疫生态学以免疫功能的变化来活体监测动物体的健康状态，强调用简单实用的免疫学技术手段来解决生态学领域的难题，如野生动物的种群动态调节机理、寄主和寄生虫的相互作用关系和生活史进化的机制性基础等[4]，可视为动物学研究领域一个新的学科增长点。以科研促教学，结合免疫生态学学科和教师的科研进展设计设计性实验内容，有利于低年级本科生快速接触学科前沿热点，开阔视野，为大学生科研启蒙奠定良好的理论基础。

2.2 循环使用实验动物，节约实验经费

传统的动物学实验课教学，如以鲫鱼、牛蛙、巴西龟、家鸡和小鼠为实验对象的实验，通常只涉及外形观察、内部解剖和骨骼系统观察，均不包含血液采集技术。通过活体微量采血技术处理过的实验动物，仍可用于后续的解剖操作，无须再次购买；此外，制作草履虫活体或人口腔上皮细胞装片用过的载、盖玻片，经清洗、晾干后也可用于制作血涂片。通过循环使用实验动物和耗材，降低了设计性实验的预算开支，为开展设计性实验奠定了良好的物质基础。

2.3 传授新技能，提升创新创业意识

将最新的采血技术方法融入设计性实验内容，学生通过训练不但能掌握采血技术操作规范和要领，更能举一反三、触类旁通；在掌握鱼类、蛙类、龟类和蛇类等动物类群血液标准值的基础上，可与养殖企业合作，通过血液指标的变化来监测动物体的健康状态，并与特定生活史阶段的环境背景相结合，将为学科进展融入生产实践贡献力量和智慧，促进产学研协调发展，有助于大幅度提升学生的创新创业意识。

3 依托血液采集技术开设动物学设计性实验的具体做法

依托血液采集技术设计动物学设计性实验，对于学生来讲，难在知识储备的薄弱性和视野的局限性，对于教师来讲，难在实验设计的创新性和可持续性。通过下面的两个做法，成功解决了上述难题。

3.1 让“故事”留有悬念，变被动学习为主动学习，充分激发学生求知欲，拓展学生视野

教师在熟练演示鱼类、蛙类、龟类、鸟类和兽类等各种脊椎动物采血技术的过程中，除讲授技术要领外，更需要强调采血时长对动物体应激状态和免疫功能的影响。学生会追问哪些血液指标能反映动物体的应激状态和免疫功能？采完血后如何保存血液？还需要做哪些操作？这时，结合免疫生态学的研究进展以“讲故事”科普化的方式来回答学生的疑惑，循序渐进，能有效激发学生的求知欲和探索精神，提高学生的创新意识和科研素养，拓展学生的眼界。

3.2 点面结合，统筹布局，依托实践教学基地和综合试验站，使设计性实验可持续发展

微量血液采集技术具有活体采血、费用低的优点，可通过血涂片来分析各型白细胞的数量动态，通过嗜中性粒细胞与淋巴细胞的比值来指示动物体的应激状态，通过血清(或血浆)杀菌能力来反映动物体天然免疫能力的变化[7]，适用于鱼类、蛙类、龟类、鸟类和兽类等脊椎动物研究。以采集牛蛙血液为例，针对动物科学和动物医学专业的本科生开设的设计性实验内容简述如下：该设计性实验以小组为单位，全员参与实验始终，记录实验开始和结束时间。牛蛙通过双毁髓法处理后，用一次性注射器从主动脉干处获得血液，测定上述血液和免疫指标，分析实验处理时长与嗜中性粒细胞和淋巴细胞的比值和免疫功能指标的关系。之后，选取操作规范、实验效果好的小组，经再次严格培训后，结合教师的科研课题，赴校企合作实践教学基地或校属综合试验站，运用学习到的采血技术和指标测定方法，监测蝌蚪或蛙类的健康状态，并与其特定的生活史阶段相联系，鼓励学生为企业解决生产上的科学难题。近3年，以动物学实验课上学习到的采血技术为基础，以蝌蚪或成体为研究对象，本团队指导的本科生以第一作者发表了3篇学术论文[10-12]，以并列第一作者被录用1篇学术论文。此外，以龟类采血技术为基础，以王锦蛇、滑鼠蛇和赤链华游蛇等为研究对象，本团队指导的本科生以第一作者发表了2篇学术论文[13-14]、被录用论文1篇，以并列第一作者发表1篇学术论文[15]。以血液采集技术为基础开设动物学设计性实验后，本科生从事科研的热情明显高涨，2019年获批省级大创项目6项，2020年提前结题省级大创项目1项并获评优秀。

4 免疫生态学研究成果融入动物学设计性实验教学引发的新思考

将新兴学科研究进展融入低年级本科生动物学实验教学，与新农科建设注重本科生创新能力培养的要求相匹配，可以达到教学相长的目的，机遇大于挑战。总结近年来的教学经验与体会，有如下思考：

4.1 回归教与学本位

指导教师在实施设计性实验前中后都需要比基础性实验付出更多的时间和精力来处理一些意想不到的问题，除了具备“点燃自己、照亮别人”的奉献精神外，更需要把握学科发展前沿、高屋建瓴，甘当学生成长的人梯，引导学生勇攀科学高峰，善于发现和培养科研“好苗子”，当好伯乐；同时，在教师发挥主导作用教好学生的前提下，学生更需要积极主动配合，扮演好主体角色，发挥主观能动性，勤学勤问，敢想敢做，以“三个臭皮匠赛过诸葛亮”的集体智慧优势，攻坚克难，团结协作完成项目内容。

4.2 以身示范，容错纠错，扶上马再送一程

低年级本科生是实施动物学设计性实验的主体，学生动手能力普遍较差，一些实验操作需要教师多次示范，教师要有足够的耐心矫正和容忍学生的错误操作，并引导学生从失败中总结经验教训，鼓励学生积极探索，让学生克服实验操作失败所导致的心理挫败感，为学生成长、成才创造条件[16]；学生信心增强，由此获得的满足感和幸福感将激发出更强的求知和探索欲望，这为课程结束时申请校级大学生创新创业项目奠定了良好的心理和技术基础。在完成设计性实验项目的基础上，把学生“扶上马再送一程”，让学生对科研产生兴趣，达到了提升创新意识的目标。

4.3 避免陷入反复实验困境，也要杜绝功利化倾向

通过活体微量采血技术，能激发本科生的创新创业意识。通过设计性实验训练，本科生受到了较好的科研训练，一些表现优异的同学获得了校级、省级或国家级大学生创新创业项目的资助，甚至在领域内的重要刊物上发表了多篇第一作者论文。然而，一些本科生只看到了别人成功的一面，并未意识到科学研究是讲传承的，不但存在风险，而且需要投入大量的时间和精力。一些本科生重复做实验，花了很多时间和精力，但实验结果总是不理想；相反，也有些本科生未做很多工作，却期望有文章发表。上述两种情况，都应该尽量杜绝。

在新农科教学改革精神指引下，把新兴学科免疫生态学的科研成果融入动物学设计性实验教学改革，虽然取得了一些成绩，但仍处于起步和探索阶段，仍有漫长的路要走。