“生物學實驗基礎”課程建設與實踐

廖鵬飛, 蔡奇英, 余 潮, 薛喜文, 葛 剛

(南昌大學 生命科學學院 生物學實驗教學中心, 江西 南昌 330031)

培養高素質創新型人才是當代高校人才培養的重要目標,本科生科研素養是現代高等教育目標的重要組成[1-3],實踐教學是培養和提高學生綜合素質和創新能力的重要手段[4]。生物學是一門實踐性很強的學科[5-6],學生對生命現象的深入探討與研究和對生命規律的認知與掌握都與實驗緊密聯系,要使學生具備嚴格、規范的生物學實驗技能和較強的實踐動手能力,就要規范學生的實驗基本操作,這是生物學實踐教學內容的重要組成部分[7]。

隨著生物科學的快速發展、生物學教學理念不斷更新,以及教學大綱不斷改進,綜合性、設計性實驗在低年級學生課程中逐步開設。近年來,為了培養學生的實踐動手能力和科研素養,各類課外科技項目和競賽活動不斷推出,如創新創業訓練項目、學科競賽、科研訓練項目及“挑戰杯”大學生課外科技活動等。但是在高考應試教育背景下,由于普遍的重理論、輕實驗觀念,以及受限于高中階段學校實驗條件等原因,使得剛升入大學的生物學科新生普遍存在實驗安全觀念淡薄、實驗習慣不規范、實驗動手能力差等突出問題,嚴重影響學生的專業實驗課學習和課外科研訓練活動。

2012年,我校對生物學實驗教學體系和大綱進行改革,構建了“生物學實驗基礎—基礎生物學實驗—專業系統綜合和設計實驗—研究創新訓練—綜合實習”為基本框架的實踐教學體系,針對一年級新生開設了“生物學實驗基礎”課程。一方面通過生物實驗室安全教學培養學生實驗室安全防范意識,另一方面通過實驗技能和基本儀器使用培訓,規范學生實驗基本操作,培養學生良好的實驗習慣和科研素養,為今后的專業課實驗和科研訓練打下良好基礎。該課程實施多年來,取得了良好的教學效果。在省級本科教學改革項目支持下,對該課程建設進行了一些有益的嘗試。以下是我們在課程主要教學內容設置、網絡輔助教學平臺建設、實驗考核評價體系構建及實驗講義(教材)編寫等方面的一些做法和體會。

1 課程主要教學內容設置

本課程的教學內容主要包括實驗室安全教育、實驗操作和儀器使用規范及學生科研能力培養3部分。

1.1 加強安全教育,培養學生實驗室安全防范意識

高校實驗室是教學活動的重要場所,其安全性關系到整個高校的穩定,是建設平安校園、構建和諧社會的重要內容[8]。相對于其他類型的實驗室,生物實驗室安全不僅涉及常規的水、電、火及化學藥品的使用安全,同時還涉及生物安全,還可能涉及野外實驗或者實習安全等。為此,我們的安全教育內容包括以下方面：

(1) 常規實驗室安全操作規范：實驗室安全準則；實驗人員穿著規范；水、電、火等操作規范；消防設備操作規范；通風櫥使用規范等。

(2) 化學藥品實驗操作規范：化學藥品的標志和等級；危險化學藥品操作規范和安全防護措施等。

(3) 生物安全知識：生物實驗室安全等級介紹,包括一級生物安全實驗室(BSL-1)、二級生物安全實驗室(BSL-2)、三級生物安全實驗室(BSL-3)等；個人防護規范等。

(4) 野外實驗(或實習)安全操作規范：基本準則；必備物品；急救措施；緊急求救信號表示方法等。

在課堂教學中,首先對生物實驗室安全操作規范進行講解,其間結合一些實例,然后通過動畫或視頻演示,加深學生對實驗室安全知識的認識和了解,最后是對學生進行實驗室安全知識測試,鞏固學生對實驗室安全知識的掌握。

1.2 嚴格實驗操作和儀器使用規范,培養學生良好的實驗習慣和動手能力

實驗操作的規范性是得到可靠、準確實驗結果的重要保證,對剛進入大學的生物科學專業新生的問卷調查發現,只有30%左右的學生在中學期間做過簡單的生物學實驗,很多學生對普通的光學顯微鏡都不能進行正確、規范使用。為了盡快提高大學新生的生物學實驗技能和動手能力,以適應今后專業實驗課的學習,并隨教師進入科研實驗室進行科研活動,根據專業實驗中常用的實驗基本技能和實驗儀器,系統設置了生物實驗基本技能和儀器操作規范的教學內容,主要包括：

(1) 常規玻璃儀器的介紹和規范使用；

(2) 常用定量工具(如容量瓶、移液管、移液器(槍)和天平等)的介紹和規范使用；

(3) 常規儀器設備(如光學顯微鏡、體視鏡、分光光度計、離心機、超凈工作臺、高壓蒸汽滅菌器、PCR儀、pH計和電泳儀等)的介紹和規范使用。

在教學實施過程中,先用課件詳細講解規范的操作方法和注意事項,然后讓學生觀看實驗操作視頻,再讓學生自己動手操作和練習。當學生掌握這些實驗操作之后,我們把這些知識整合成具體的實驗項目。例如,開設的“植物愈傷組織培養實驗項目”,就是把無菌操作、超凈工作臺使用、pH計使用、高壓蒸汽滅菌器使用及培養基配制和滅菌等內容進行整合的結果。通過這些實驗項目,不僅能夠提高學生對實驗技能和實驗儀器操作的熟悉程度,還能使學生懂得這些儀器和實驗技術的內在聯系和使用范疇,達到牢固掌握這些技術和方法的目的。

1.3 注重科學研究能力訓練,引導學生科研素養養成

本科生科研素養的培養問題一直備受重視[3, 9-11]。近年來,為了培養大學生的實踐動手能力和科研素養,各類創新創業訓練項目、學科競賽、科研訓練項目等大學生課外科技活動蓬勃開展,各高校都非常重視。一般來講,本科生科研訓練項目從一年級第二學期或二年級第一學期開始,因此有必要在一年級新生中進行科學研究能力引導和訓練,為此我們設置了以下教學內容：

(1) 文獻資料檢索和文獻管理,包括文獻資料檢索方法、常用文獻查詢數據庫、文獻管理相關軟件等；

(2) 實驗設計和數據統計與分析,包括常用實驗設計方法和常用數據分析方法與軟件,如單因素方差分析方法、多因素方差分析方法及SAS、SPSS等數據分析軟件；

(3) 實驗報告和科技論文寫作。

在教學過程中,首先對以上教學內容進行講解,然后在網絡輔助教學平臺上傳相關學習資料,學生可在網站上自主學習,還可通過網絡教學平臺反饋學習情況,學生在規定時間完成教師布置的課程作業。比如對于文獻資料檢索和管理,教師給出一些關鍵詞或主題詞,要求學生根據關鍵詞在數據庫中查找近5年來的相關文獻資料,并將文獻用文獻管理軟件(如Endnote、NoteExpress等)進行分類。教師還會布置一個課后作業,如請學生選擇感興趣的生物相關領域,在查找文獻資料基礎上按照科技論文寫作格式,撰寫一篇綜述性的小文章,引導和訓練學生的科研能力,培養學生的歸納、分析和綜合能力。

2 實驗講義編寫及PPT多媒體課件建設

由于該課程目前尚未有相關的教材,我們根據多年的課程教學內容和教學實踐,以及生物學專業學生必須掌握的基本實驗技術要求,并借鑒和參考眾多生物實驗技術教材,編寫了“生物學基礎實驗技術與規范”講義,該講義包含以下方面的內容：

(1) 生物實驗室的基本規范與安全；

(2) 生物學實驗技術基礎；

(3) 生物組織和細胞培養技術；

(4) 生物標本制作及顯微觀察技術；

(5) 生化與分子生物學常用實驗技術；

(6) 野外調查與觀測；

(7) 科學問題發現與文獻研究；

(8) 實驗設計和數據處理；

(9) 實驗研究報告的寫作和匯報。

“半天，我站起來，去推其他人。在這片屋頂上，至少躲著兩百個居民，全死了，只有我活著。雪花落在他們身上，積了厚厚一層，使他們看起來，都跟一個人似的?！?/p>

其中的每個實驗項目都包含詳細的相關知識或實驗技術原理,并附有規范的實驗項目操作步驟、相關實驗注意事項和思考題。我們還針對每一章節制作了圖文并茂的PPT課件,可以幫助學生快速、系統了解和掌握進行生物實驗所需的基本技術和規范。

3 網絡輔助教學平臺建設

網絡教學可以打破傳統實驗教學在時間和空間上的限制,學生可在任何時間、任何地點,通過網絡進行自主學習、交流討論、問題答疑等,該教學手段已成為目前本科教學中一個非常重要的環節[12]。由于本課程的課程教學學時有限,既要完成教學內容,又要達到良好的教學效果,除了要加強課堂教學外,還必須充分利用學生的課余時間。我們將近年來制作和收集的該實驗課程教學PPT、實驗視頻、電子實驗資料等教學資源,上傳到網絡教學平臺上。該平臺可與手機移動終端共享,學生通過手機、電腦等工具,隨時可自主地預習、復習相關知識,如有疑問,還可實時在線提出問題。教師可在平臺上布置作業,學生可在線答題。通過網絡教學平臺建設,我們解決了該課程教學內容多而課時不足的矛盾。

4 改革實驗考核評價方法,提高教學效果

對學生實驗課程的考核一般包括實驗操作和實驗報告2部分。在本課程中,為了更好地評價學生對實驗技能的掌握情況,我們分別從4個方面對學生進行考核：

(1) 教學過程實驗操作。教師講解實驗操作后,學生分組進行實驗操作練習,練習結束后,教師會隨堂測試每組學生的實驗操作情況并進行評分,該部分成績占總成績的30%。

(2) 作業完成情況。每次實驗課結束后,教師會在網絡教學平臺上布置學習任務和作業,并對學生作業完成情況進行評分,該部分成績占總成績的20%。

(3) 實驗報告。教師對學生實驗報告撰寫情況進行評分,該部分成績占總成績的20%。

(4) 期末實驗考試。課程結束后,教師會準備若干套實驗試題,其中包含實驗理論知識和一道實驗操作題,每個學生隨機抽取試題進行作答和實驗操作,教師根據每個學生的實驗操作情況和答題情況給出成績,該部分成績占總成績的30%。

5 教學效果和教學體會

5.1 教學效果

(1) 學生進入生物實驗室的行為規范了。學生以往帶食物和飲料進入實驗室,以及喧嘩、穿拖鞋或不穿實驗服的現象不再出現,代之以嚴謹、整潔的實驗教學氛圍。

(2) 常規實驗操作水平和動手能力有了顯著提升,同時提高了專業實驗課的教學效果。專業實驗課教學中,教師普遍反映學生對實驗儀器操作比較熟練,不必像以前那樣花很多時間講解實驗中涉及到的實驗儀器設備操作方法,而可以將重點放在講解實驗原理和實驗內容上,提高了專業實驗課教學效果。

(3) 學生的主動意識和科研素養得到加強。在實驗課程中,對學生進行有針對性的鼓勵和引導,大大提升了學生的自信心、主動性和思考能力。通過課程科研引導,許多學生在大一期間就著手尋找自己的興趣點,進入各專業實驗室進行科研活動,并參與到各個專業的科研訓練、創新創業及“挑戰杯”等課外科技活動中,學生的科研興趣和科研素養得到很大提高。

5.2 教學體會

(1) 目前該課程主要采取多媒體實驗課堂教學方式,但隨著教學手段和方法的不斷發展,可以對該課程的部分教學內容實施仿真實驗教學建設,譬如對有毒或有危險的實驗操作、實驗室安全教育消防演習等,能夠使學生的感受更加形象和直觀。由于這種方式使得在課堂外就可進行操作學習,更加有利于該課程實驗教學效果的提升。

(2) 實驗項目要兼顧教學目標和學生興趣,要照顧大多數學生的實際水平,注意中學與大學生物實驗內容廣度和深度的銜接問題?？蛇x擇學生有興趣但中學階段又難以實現的項目,將多個單獨的小操作項目融入一個可執行的綜合實驗項目之中,這樣學生很容易上手,也能在稍加努力后看到他們想看到的實驗結果,培養學生學習生物的興趣。

(3) 大一新生對專業領域和未來發展還比較迷茫,該課程作為他們接觸的第一門生物實驗課程,在課程教學過程中,可穿插講解學生當前關心的內容,如介紹學院內各專業、研究所及導師情況,介紹各專業面對的就業需求等,有意識地鼓勵學生大膽接觸專業教師和高年級學生,讓他們明確將來就業和升學所必備的基本素質要求,激發學生主動學習的精神。