微生物学实验教学改革与探索

张颖 耿莉 刘佩勇 崔振波

摘  要：为了使学生扎实地掌握微生物学实验基本技术和培养学生的科学思维和创新能力，在微生物学实验教学中设置了基础实验和综合实验两个部分。基础实验包括细菌、放线菌、霉菌和酵母四个模块，在这一部分中学生主要学习使用微生物学实验基本技术。为了帮助学生更快更好地掌握微生物学实验技术，在基础实验的教学中通过录制小视频的方式充分发挥移动设备在辅助实验教学中的作用。综合实验部分采用课题式教学，学生通过完成一个小的科研课题学习将微生物学实验技术用于解决实际问题和开展科学研究。改革考核方式，提高实验操作考核在成绩评定中的比例。

关键词：微生物学实验;实验模块;课题式教学

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）18-0143-04

Abstract： To make students grasp primary microbiological technologies and develop scientific thinking and innovation capability of students， a basic experiment and general experiment were designed in microbiological experiment teaching. The basic experiment included bacteria， actinomyces， mould and yeast， and in this part students exercised primary microbiological technologies. In order to help students grasp primary microbiological technologies fast， mobile devices were used widely in aided teaching by recording teaching video. In the general experiment， project-based instruction was applied. Students applied primary microbiological technologies to solve practical problems and scientific investigation by completing a small scientific study. Also， the assessment for the course was improved by increasing the percent of experiment operation in the final score.

Keywords： microbiological experiment; experiment module; project-based instruction

一、存在问题

（一）教学内容分散，不利于学生科学思维养成

微生物学基本的实验技术包括显微镜技术、细菌制片染色技术、培养基制作与高压灭菌技术、微生物分离培养技术和微生物生理生化鉴定技术。以往的教学主要围绕上述实验技术开展，例如，在显微镜技术学习中，学生学习使用显微镜，并观察大肠杆菌和金黄色葡萄球菌两种细菌，在此基础上学习微生物大小测定方法;在细菌制片染色技术学习中，同样使用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌学习染色技术;在微生物生理生化鉴定实验中，使用大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、普通变形杆菌和产气肠杆菌学习了大分子水解实验、糖发酵实验和iMViC实验在微生物鉴别中的应用。另外，在整个微生物学实验课程中，学生观察和认识的细菌仅有两种（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌），放线菌（链霉菌）、霉菌和酵母也都仅有一种。总之，在以往的课程中，相对于种类极其多样的微生物来说，学生认识的微生物种类太少，不利于学生建立微生物多样化的认识。更重要的是，每个实验内容之间相互分散独立，不是连贯的实验，导致学生不能将实验目的、实验内容和实验技术联系起来。最终，学生仅仅学习和掌握了某一实验技术，但该实验技术的适用对象以及在微生物研究中的功用都不清楚，因而对微生物学实验技术不能形成系统的认识[2，3]。因此，分散独立的实验内容不利于学生科学思维的形成和创新能力培养。在原有的课程设置中水中总大肠菌群的测定实验在一定程度上弥补上述缺陷，该实验包括选择性培养、观察和鉴定总大肠菌群等几部分内容，遵循了发现和培养、认识和鉴定微生物这一科学逻辑。另外，学生也可了解培养基以及其他实验技术的功用。该实验在一定程度上有利于培养学生的科学素养和逻辑思维能力，但在实际教学中存在大多数学生得不到充分锻炼的问题。导致这个问题出现的原因在于，水中总大肠菌群测定的实验是综合性实验，步骤较多，工作量大，需要3-4名学生协作完成。在实际的实验操作中，学生就会自行对操作内容进行分工，每个学生分担不同的内容，这样每个学生只是完成了某一个环节的操作，因此不能保证每个学生都能从整体上深入理解实验内容。甚至，缺乏主动性的学生完全不参与实验。由于学生人数较多，教师不能有效对不参与实验的学生进行督促。最后，课程中原有的教学内容与生活实际联系较少，学生学习兴趣不足，也是学生缺乏主观能动性的原因之一。

（二）教學方法陈旧，不利于学生掌握扎实的实验操作技术和激发学习兴趣

传统的实验教学的核心是教师。教师和实验技术人员在课前完成器皿、材料和菌种等准备工作，在课堂讲解实验目的、方法和原理，并示范相关的实验操作，然后学生被动地照着做。在课堂上学生只是完成了一个验证性的环节，这就导致学生不能从整体把握整个实验过程，没有通过连贯的实验过程和思考，从而形成科学的逻辑。课程结束后考核的结果也表明，大多数学生已经遗忘了所学习的理论知识和实验操作技术，这是学生被动学习的结果。

微生物学实验是实践性很强的课程，对于一种实验技术，学生很难通过一次学习就能熟练掌握，需要反复强化练习。由于课时的原因，教师在课堂通常只示范操作一次，学生通常只有一次学习的机会。然而，只通过一次课程的学习，学生很难掌握操作要领。对于需要协作完成的大型综合性实验，动手积极性不高的学生可能连一次操作都没完成。因此，教学质量不能得到保证。

（三）考核方式单一陈旧，学生缺乏学习的动力

以往考核方式是实验报告成绩，这种考核方式存在两个问题：一是实验报告主要记录实验结果，不能反映学生实验技能掌握的情况;二是实验报告存在抄袭情况且很难区分抄袭者，不能客观区分学生在本门课程中的表现。因此，实验报告成绩不能实际反映学生的表现。更重要的是，通常情况下实验报告成绩很难出现成绩不合格的情况，这就导致大多数学生学习积极性不足，缺乏主观能动性，严重影响教学质量。

二、微生物实验教学的改革探索与实践

（一）实验模块教学

采用实验模块化教学可以实现相互独立的实验技术的整合，有助于学生了解和理解实验技术在生产和科学实践中的应用[4]。产蛋白酶和天然酵母的筛选、培养和鉴定等内容已用于模块化教学[5，6]。这样整体性的实验是一个小型的科学研究，可以锻炼学生的思维和动手能力。然而，如此综合性实验的完成要求学生具备基本微生物实验操作技能。本门课程的开课时间是第三学期，学生刚刚完成了前两个学期的公共基础课的学习，在生物学相关的实验操作方面他们是初学者，不具备完成这样大型综合实验的实验能力。因此，为了既培养学生基本实验技能，又培养学生的微生物操作上科学逻辑思维和创新能力，我们将教学内容进行整合，分成四个模块，分别是细菌、放线菌、霉菌和酵母模块，这四个模块是微生物实验教学中的经典内容，通过这几个模块的学习，学生学习和掌握微生物学实验基本的操作技术（表1）。除了酵母模块以外，细菌、放线菌、霉菌三个模块的内容分别是从人体和土壤中分离筛选和鉴定细菌、放线菌和霉菌。

1. 细菌模块

实验分为六次完成，学生从自身的皮肤、口腔以及鼻腔等人体表面采集细菌，并将其无菌接种到牛肉膏蛋白胨培养基上，随机选择某一单菌落，采用划线平板分离技术对菌种进行两次纯化，通过斜面培养保存菌种。然后，在对菌株革兰氏染色后，使用油镜观察菌株的形状、形态和染色结果，并同时测定菌株大小。最后，通过大分子水解、糖发酵以及iMViC等实验对菌株进行生理生化鉴定。因为来自一些人体球菌（如血球菌）能够溶血，因此，如果菌株在显微镜下呈球形，则选做溶血实验。结合上述实验结果，学生可通过查阅资料初步推测所得人体细菌的种属。

2. 放线菌模块

实验分为三次完成，内容是从土壤中分离得到形态多样的放线菌，观察放线菌菌落和菌丝。第一次实验完成100mL培养基的配置、空玻璃器皿的包扎、倒培养基、土壤菌悬液的梯度稀释和10-3菌悬液涂布培养;第二次实验中，随机选择紫色或白色的菌落进行扦片培养;最后在显微镜下观察菌丝形态，区分基内菌、气生菌丝以及孢子丝。

3. 霉菌模块

实验分为三次完成，内容是从土壤中分离得到形态多样的霉菌。第一次实验的操作同放线菌模块一样，培养基更换为察氏培养基;第二次实验中，首先观察不同颜色霉菌菌落的形态特征，挑取菌丝进行固定，然后显微镜下观察菌丝形态，并挑选青霉和曲霉进行划线分离培养。第三次实验内容是观察青霉和曲霉的分生孢子头。

4. 酵母模块

实验一次完成，首先采用碱性美蓝染液对酵母细胞进行染色，在显微镜观察酵母的死活细胞以及酵母的出芽生殖。然后学习使用血球计数板对酵母菌悬液中的细胞进行计数。

综上，在细菌、放线菌和霉菌模块中，学生通过使用无菌接种、培养基配制、培养基灭菌、空玻璃器皿包扎、梯度稀释技术、涂布培养、扦片、菌种纯化和保存、显微镜观察、革兰氏染色以及微生物生理生化鉴定等微生物学基本技术，从样品中分离得到形态和颜色丰度多样的细菌、放线菌和霉菌，并对其进行观察和鉴定。酵母模块中通过染色和显微计数技术观察认识了酵母，并对其进行计数。上述实验内容相对比较简单，所有学生均需独自完成全部实验，这样就保证每个学生都学习和掌握所有的实验技术，并且有些技术反复使用（例如，培养基配制和灭菌、梯度稀释技术以及菌种纯化等），学生可以得到反复锻炼，实验操作技能得到巩固和提高，教学效果得到了明显改善。学生可以观察到形态更为多样的这几类微生物，例如来自于自身的各种细菌、不同颜色特征的放线菌和霉菌菌落等，从而扩宽了对微生物的认识，更容易掌握这几类微生物的基本特征，并且激发了学生的学习兴趣和主观能动性。同时，细菌、放线菌和霉菌这三个模块均是一个小课题，每个是一个综合性实验，教学内容围绕微生物的分离筛选-菌落观察-纯化-显微镜形态鉴定和生理生化鉴定这一经典技术路线展开，这样学生可以从整体上了解微生物实验过程，理解各微生物学实验技术的原理、方法和应用，培养学生微生物学研究方面的科学思维。

（二）课题式教学

课题式教学（project-based learning，PBL）是学习者针对课程内容自主选择感兴趣的专题，通过与他人协作的方式确立实验技术路线和方法，并最终完成实验和提交成果。通过这种教学方式，学习者可获得解决问题和终身学习的能力[7]。课题式教学已在一些课程的教学中得到实施[8，9]。在以往的教学中，我们已经开展了几年的小型自主性设计实验[10]，积累了一定的教学经验，为我们开展课题式教学奠定了基础。在学生已经完成了基础性实验的基础上，在综合性实验部分采用课题式教学，每个课题由3-4人完成，每组设课题组长，全面负责课题的组织工作。在兼顾传统微生物学实验教学大纲、微生物学实验课程的特点和课题式教学法的特点与共性的基础上，选取那些探索性、实践性和可行性强的课题作为开展课题式教学的内容，开设的专题有纤维素降解菌、解磷微生物、氮循環微生物、发酵食品中微生物以及产酶微生物的分离与鉴定等。学生查阅资料确定实验方案，开展预实验和开题，合作完成实验，并最终提交结题报告。课题式教学的教学效果有三：一是锻炼了学生的知识和技术的应用能力，将从前期的基础性实验部分学习中掌握的微生物学实验原理和技术应用到具体的科学研究中;二是通过开展和生活生产相关的微生物的研究充分激发了学生的学习兴趣、调动学生学习的主动性和积极性，使学生成为了学习的主体;三是提高了学生收集整理资料、分析和解决问题、与他人协作等方面的能力，培养了学生科学研究的素养，教学效果得到了明显的提高。

（三）利用移动设备和数字化课程辅助实验技术示范教学

移动设备和电脑在大学生群体已经达到普及，因此可以充分利用移动设备和电脑在课前辅助实验技术示范教学。教师将基本的微生物实验操作技术使用手机录制成短视频，在课前上传至微信群，学生下载后可以反复观看，在课前做到充分了解基本操作要领。在课堂上，教师通过多媒体设备再重新播放一次视频，再一次把操作过程重复讲解一次。这样，学生在独自进行操作时，整个实验过程基本可以做到标准操作，避免了以往出现的很多学生不会操作或操作不规范的情况出现。同时，我们也参与完成了由国家级实验教学示范中心联席会生物和食品学科组联合建设的《生物学实验基本技术与方法数字课程》中微生物学基础技术部分，今后将充分利用数字化课程辅助微生物学实验教学。

（四）改革考核方式

微生物实验教学的主要任务之一是培养学生的动作操作能力，因此应该将学生实验操作能力的考核加入到课程考核中，建立符合微生物实验教学目标要求的科学全面的评价体系。改革后的微生物学实验的课程评定分成以下几个部分：

1. 预习成绩评定。考查实验原理、步骤的预习情况，占总成绩10%。预习情况的考查1-2个小问题的测试进行。

2. 实验报告成绩评定。考核报告的完整性、实验结果的准确性和可靠性、数据分析以及对结果展开的讨论等，占总成绩50%。实验报告分为实验目的、实验用品、实验原理与步骤、结果、结果分析与讨论、思考题以及思考与建议，报告的完整性体现了学生在课堂的认真和投入程度，认真完成全部实验过程的学生，其实验的完成性好;实验结果的准确性和可靠性、数据分析以及对结果展开的讨论等则体现了学生对实验原理的理解和实验操作掌握的程度。

3. 闭卷考试。考查对实验原理的掌握情况，在课程结束后进行，占总成绩的15%。

4. 实验操作的考核。选择基础的实验操作，包括接种、菌种纯化、革兰氏染色、微生物大小测定、微生物显微计数法等进行现场考核，学生抽签选择考核内容，在限定时间内独立完成实验内容，教师现场给出成绩，占总成绩的15%。

5. 平时成绩考核。主要考察学生平时的出勤，占总成绩10%。

上述考核方式改变了以往学生重视实验报告而轻视实验操作的情况，从整个教学过程强化实验的考核，增强了学生动作操作的积极性和主动性，有利于学生的科学素养和实践能力的养成，为社会输入懂原理、会操作、会应用的微生物学实验技术人才。

三、结束语

改革后的微生物实验教学使学生深刻体会了微生物学实验技术在生活和生产实际以及科学研究中的应用，极大地激发了学生的学习兴趣，转变了学生以往轻视实验课、只为拿学分的思想，引导学生通过观察引发思考，进而培养学生分析问题、解决问题以及科学探索的精神。

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