“从头到尾”的主动参与式核心实验课程教学改革

康海仙,陈伟杰,陈维春△

(1广东医科大学基础医学院生物技术系, 东莞 523808; 2广东医科大学检验学院临床生化教研室; △通讯作者)

广东医科大学的生物技术专业兼具医学背景,在培养学生的科研思维和实验技能方面偏向基础医学。目前,我校生物技术专业核心实验课程主要包括基因工程和生物技术综合实验,二者均具有全面性、系统性和连贯性的特点,整体以解决医学问题为导向,目的是提高学生的实验技能和创新能力,为学生继续升学深造或从事相关专业工作打下坚实基础。教师通过对六届生物技术专业学生的实验教学效果分析发现,目前以教师为中心的标准实验流程式教学模式存在诸多不足,主要表现在学生的自主能动性不足,不能充分训练学生解决实际问题的能力和创新能力,学生对整个实验原理及实验过程理解不深刻,整体教学效果仍有很大的提高空间。本文对目前核心实验课的教学内容、教学中存在的不足之处进行全面分析,在项目式学习教学方法的基础上[1-3],提出主动参与式教学模式改革。

1 实验教学现状分析

1.1 核心实验课开设情况

基因工程和生物技术综合实验为本校生物技术专业的两门核心实验课程,其开设旨在培养学生将所学专业知识通过实验操作加以巩固和深入理解,还能够运用所学知识灵活解决科研问题。基因工程实验课内容包括PCR获取目的基因、载体及目的基因的酶切、T4 DNA酶连接、连接产物转化至大肠杆菌、单克隆的挑取及阳性克隆鉴定、目的基因的表达检测等。从实验内容设置上,该课程旨在使学生能独立完成一项原核表达目的蛋白的小型课题,通过整套的实验训练获得自主科研的能力。生物技术综合实验则重点训练学生将表达的目的蛋白进行浓缩、纯化及活性测定的下游技术,是将生物技术专业核心课程分子生物学、生物化学、基因工程等理论专业知识综合应用于实践的一门核心实验课,使学生熟练掌握酵母真核表达系统,蛋白诱导、蛋白质纯化方案的设计和操作,理解蛋白质纯化的基本理论和操作,并体会蛋白质纯化技术的进展,巩固离心、层析和电泳等生物化学核心技术,它对于培养学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力、创新能力以及综合分析能力都具有十分重要的作用[4-6]。两门核心实验课程的开设将使学生全面掌握生物技术专业的核心技术[7-9]。

1.2 核心实验课在生物技术专业中的作用

作为一个实践性很强的专业,培养学生良好的实验技能和过硬的专业知识无疑是本专业教学的主要目标,也是学生考研升学及就业的主要科目。我校生物技术专业自2016年招生以来,每届约60名学生,每年考研率约30%-40%,比起其他兄弟院校60%以上的考研升学率,我校考研升学率亟待提高。核心实验课程的内容设置虽然全面合理,但总体实验教学效果欠佳,实验技能掌握不足。我校每年举办的卓越人才培育计划使少部分学生在课程之外进行了良好的科研训练,一定程度上弥补了核心实验课教学的不足,但每年仍有较多学生(约40人)没有机会进行提升。生物技术专业核心实验课程的教学效果严重影响着我校的考研升学率及就业率。

1.3 核心实验课的教学现状

我校生物技术专业核心实验课的教学效果欠佳,主要表现在学生的自主能动性不足,学生解决实际问题和自主科研的能力低下。目前以教师为中心的标准实验流程的被动教学模式不能充分训练学生的动手能力和创新能力,导致学生对整个实验原理及实验过程理解不深刻,整体教学效果仍有很大的提高空间。

2 教学实践中存在的问题

2.1 学生只知实验步骤不明实验原理

实验教学中发现,多数学生可按照教师给出的标准实验流程完成实验,但不少学生不能充分理解实验原理,只是简单地按照教师给出的步骤进行操作,实验过程存在操作时间长、看错步骤、漏加试剂等现象;实验结束后很快忘记实验内容,不能准确说出实验目的,没有达到巩固和深入理解相关知识的目的。以教师为中心的标准实验流程式教学模式中,教师完成了所有的实验准备工作,直接给出了具体的操作流程,学生只需用现成的试剂完成给定的操作即可。这种机械式的教学方式,使学生习惯了被动接受给定的流程,不会主动思考实验的设计和原理,也不会根据实验结果优化实验流程。科学实验是一个繁琐、细致的过程,每一步都至关重要。学生若不能亲自参与实验设计,没有经历主动的探索过程,则不能激发其进行深入思考,完全处于一种被动接受的状态,教学效率不高。认知学习理论的观点认为人的认识不是外界刺激直接给予的,而是外界刺激与人的内部心理过程相互作用产生的,学生必须发挥主动性、积极性,才能获得有效的认知[7-11]。

2.2 不能完全独立地完成实验

由于实验内容的完整性,每次教学只能完成其中一部分,且相互之间环环相扣,每次教学效果都会影响到最终的实验结果。教学中发现,只有三分之一的学生能够独立地得到成功的实验结果,剩余三分之二的学生需要教师提供至少一个环节的实验样品(如纯化片段、阳性单克隆、诱导成功的目的蛋白等)才能继续完成实验。教师经过分析后发现,成功完成实验的学生平时都积极主动参与实验操作训练,且多数学生已在卓越人才培育计划中进行过日常的科研训练。而只在课堂教学中进行训练的学生,实验过程总会出现各种失误,导致实验结果不稳定。因此,目前的课堂实验教学训练仍显不足,应加强实验操作训练的时间和强度。

2.3 不会分析实验结果

许多学生不能对自己的实验结果做出正确且充分的分析,既不能对影响实验结果的关键因素进行深入剖析,亦不能找出导致实验失败的具体原因。他们在书写实验报告时很容易出现抄袭现象,常表现在直接抄写实验指导中的实验目的、实验原理、实验材料(仪器设备、实验试剂)等,不重视实验结果的分析,实验结果的呈现及描述常是极其简单的一两句话。实验报告的撰写无法激发学生的积极性。实验结果的分析本是学生对专业知识再次深入认识的过程。对实验结果进行深入分析,找到原因所在,提出下一步的实验计划,恰恰是提升实验技能的关键。但事实上,当实验结果与预期实验结果不一致时,多数学生会将其解释为加样不准确等笼统性的原因,难以找出导致实验失败的真正原因,进而忽略实验结果分析与讨论的重要性,不能提高独立分析问题、解决问题的能力。作为一个比较成熟的实验流程及技术,学生应当具有更深入的理解和掌握。

2.4 存在不能规范使用实验仪器的现象

在分子生物学实验中,核酸测定仪、移液器和离心机是最常用的实验仪器,正确使用和维护对于实验结果的准确性及实验安全至关重要。然而,在教学实践中,尽管教师多次强调,还是会有不少学生出现超量程调节移液器的旋钮、吸液不正确、离心机不配平等错误操作。这些错误操作不仅直接导致实验结果差,如DNA扩增效率低、质粒浓度或纯度不高、T4 DNA酶连接效率低等,更为严重的是损坏仪器,影响到其他学生的正常教学。究其原因,是由于这些学生的教学参与度不高,在小组实验,甚至单人实验中请同组其他成员代劳,对仪器使用和实验流程不熟悉。这些教学现象提示,教师在教学中应督促每一位学生都能积极参与操作训练,努力提高每一位学生的动手能力。因此,让学生重视基本的实验操作也是提高教学效果重要的一环,有必要增加实验操作的考核,重视良好实验习惯的培养。

3 教学改进措施

3.1 优化教学模式

目前教学实验中所用的目的基因、引物等均由教师选定后设计好序列,并直接给出具体的实验步骤,学生只需根据给定的实验流程操作即可。这种教学模式下,学生没有主动思考的必要,不会亲身经历实验探索和解决问题的过程,不能体会到将所学理论知识应用于实践的过程,实验过程不深刻。这也是各高校基因工程和生物技术综合实验课中普遍存在的问题[12-14]。显然,从头到尾的主动参与式实验教学模式能更有效地培养学生的科研能力[15,16],引导学生运用所学知识,经过独立思考,以解决实际问题为目的,将知识+独立思考+主动参与贯穿整个实验教学过程中。具体改进方法:我们将学生分为每2人一组,引导学生自主查阅文献,选择目的基因并设计引物,完成从获取目的基因、酶切连接至表达载体、目的蛋白诱导表达、目的蛋白鉴定等整个实验过程。这样,每组学生拥有个性化的目的基因,大小不同的连接片段,不同的酶切位点及不同的连接效率,更容易激发自身自主思考、解决实际问题的能力。学生在规定的时间段内,灵活安排自己的实验。教师可留守实验室进行及时指导。鉴于基因工程实验是一个完整连贯的实验项目,学生应尽量连续完成,最终通过实验报告将每次实验结果呈现出来。

3.2 开设操作培训班,并增加实验操作的考核

在教学实践中,尽管教师反复强调和演示各种仪器设备的使用规范,结果却不尽如人意。究其原因,除了授课时这部分学生注意力不集中,也反映出我们的实验操作训练未能落实到每个学生。尽管启动了卓越人才培育计划,但最终只有不到半数的学生进入课题组进行日常科研训练,未能进入课题组的学生得不到充分的锻炼。这部分学生在日常实验教学中也表现不积极,经常出现“不听”“不动”或者“乱动”的现象。在实验课前1-2周,教师为部分未进入培育计划的学生单独开设操作培训班,对离心机、酶标仪、核酸测定仪,化学发光/紫外成像仪、移液器等重要仪器的使用进行系统培训,落实到每一位学生。特别是微量移液器的正确使用,对于实验结果的准确性至关重要,如此可极大提升实验教学效率。

教师增加实验操作的考核。以往的实验教学中主要以实验报告作为本课程的成绩依据,教学改革后增加实验操作的考核,包括单克隆接种、扩大培养、质粒的提取、PCR体系的配制、琼脂糖凝胶电泳、PAGE电泳、WB检测、移液器的使用、离心机的使用、亲和层析纯化操作等。实验操作的考核是为了在实验教学中加强对学生的综合能力培养,使他们逐步养成良好的实验习惯和掌握微生物学实验操作扎实的基本功。课堂上,教师详细讲解实验操作过程及注意事项并进行示范操作,然后学生按照教师的示范独立完成实验任务,教师则不断地巡回指导,解答学生操作中遇到的各种问题,并根据学生的实验习惯和操作熟练程度给出打分[4]。

3.3 重视实验记录

教师在实验教学中鼓励学生重视实验记录。实验记录是对具有科研性质的实验操作和原始实验数据进行真实描述和记载,越详细越好。实验记录不是对实验流程的简单抄写,而是将实际操作过程中每种试剂的实际加样量、实验样品的浓度及纯度、工程菌的扩增时间、原始实验数据以及实验现象的描述等全部加以记录和描述。

详细记录实验操作的过程可加深对课程内容的理解,这也是科研工作者的重要工作之一。详细准确的实验记录可为科研活动提供正确的思考方向,是正确分析实验结果的依据,也是进一步提出改进措施的依据。对于本科生来讲,规范的实验记录可提高其科研素养,在教学科研活动中少走弯路。教师也可通过查看学生的实验记录给出正确的意见和指导。因此,在实验教学改革中,将学生的实验记录作为实验课考核的内容之一,对于加强学生对实验结果的分析能力,训练学生的逻辑思维和培养良好的科研习惯十分重要。

3.4 实验报告中提高结果分析的分值占比

撰写实验报告时,教师需强调对实验结果进行深入分析的重要性,让学生意识到结果分析甚至比漂亮的实验结果更为重要。学生应在充分理解实验原理的基础上将影响实验的因素尽量列出,再根据自己的实验记录对实验结果进行科学合理的分析,通过小组讨论,或者在教师的指导下对结果进行深入思考和分析。结果分析可帮助学生巩固和加深对课程内容的理解。学生需在报告中指出自己在实验中操作中存在的问题和不足之处、下次实验时的改进措施,并提出进一步的实验计划,只有经过充分的思考及分析,才能对所学知识及实验技能进行进一步的梳理和提升。实验课成绩由实验操作、实验记录、实验结果、结果分析与讨论作为本门实验课程的主要评价指标,分值占比分别为20%、20%、30%、30%。

3.5 鼓励学生参与教学实验的准备工作

通常情况下,教学实验所用的试剂、培养基、菌种、高压物品等均在课前由实验教师准备好,学生在课堂实验中直接使用即可。这种模式的教学尽管加快了教学进度,但学生对于试剂的来源和配制过程不清楚,影响了对整个实验流程的理解和把控;部分主动参与了实验准备的学生,可更深刻地理解实验内容,这部分学生甚至可以帮助教师指导其他学生进行实验。因此,学生全程参与实验课程的所有环节,包括目的基因选择、引物设计、实验材料的准备和试剂的配制等过程,可极大地提升实验技能和科研思维。本次教学改革鼓励甚至要求学生主动参与实验课前准备,使主动参与式教学模式贯穿整个实验教学过程。

教学改革必须以学生为中心,以提高学生实验技能为目的。教师通过教学实践不断总结经验,建立持续改进的质量保障体系。目前为止,生物技术专业的基因工程、生物技术综合实验课程已开展了6届。学生经过这两门专业课程的训练,掌握了利用原核和真核两套表达系统表达、鉴定、纯化及检测目的蛋白活性的技术。生物技术专业的主要核心技术,如:PCR获取目的基因、大肠杆菌的扩增及保种、质粒提取、目的蛋白的诱导、核酸提取、琼脂糖凝胶电泳、免疫印记杂交、浓缩及纯化蛋白、抑菌实验等均进行了系统的实验训练。学生在大三的理论课学习完成之后,及时通过这两门核心实验课程的实践,对所学的理论知识进行巩固。

我们对教学中存在的问题进行了全面总结,发现学生对实验原理的理解不透彻、不能完全独立地成功完成实验、不能正确分析实验结果、实验操作不规范、主动性不足等是目前存在的主要问题。针对这些问题,我们对专业建立之初建立的被动教学模式提出了改进措施,引导学生自主选择目的基因、设计引物、主动参与实验准备、独立完成整个实验教学内容的教学方式,希望通过不断改进,培养出更多、更为优秀的本科生。