生物技术专业实验独立设课实践思考

摘要:生物学以理论研究为基础，是一门实践性很强的学科，提升学生的综合实验技能对创新型人才的培养有重要的促进作用。对生物技术专业独立设置《生物技术综合实验》实验课，实验内容包含基因工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质工程四个模块，实验项目设置以综合性实验为主，考核方式中加入了科技论文写作，学生参与科学研究的全过程，提高了综合素质。通过《生物技术综合实验》独立设置实验教学实践，取得了良好的教学效果，增强了本科生的自主学习、主动思考、分析问题、解决问题的能力，为培养生物科学创新型人才奠定基础。

关键词:生物技术专业;生物技术综合实验;独立设置实验课

随着当今生物技术产业的蓬勃发展，对生物专业人才的专业素质要求不断提升。生命科学领域的发展要求生物技术本科毕业生不仅具有较扎实的生物技术基础理论知识，更强调具备较强的实验技能、动手能力以及独立分析问题和解决问题等综合科研能力。当今时代技术发展要求大学素质教育与创新创业相结合的背景下，对生物技术专业实验课程的教学模式和实验内容进行改革大有必要，以适应形势发展的要求。山西中医药大学(以下简称“我校”)基础医学院生物技术专业为四年制本科，为学生开设了遗传学、细胞生物学、生物化学、分子生物学、发育生物学、微生物学等专业课程，且上述理论课中均设计有紧扣理论的实验课，目的是用理论知识指导实验实践，并在实验中加深对理论知识的理解。在第6学期，为学生开设了生物技术概论，该课程是一门实践性、综合性很强的学科，包括基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程和酶工程中重要理论和技术的概述，重在突出五大工程在农业、食品、工业、医学、药学等方面的综合应用，所以该课程理论课后安排有一定学时的实验课。目前，各高校该课程的实验课通常是紧随理论课的进度安排，实验课内容相对分散、孤立，实验教学运行中教师指导学生在指定时间内完成既定实验，实验方法和手段固定，实验结果单一，通常是对理论知识或者实验方法的验证［1－2］。因此学生在很大程度上处于被动学习的状况，兴趣和积极性不高，学生缺乏学科间实验技能的交叉连贯性。针对目前生物技术概论实验教学环节中存在的一些不合理和不足因素，探索新的设计方案，进一步加强实验技能的培养，针对生物技术专业学生开设独立的《生物技术综合实验》课。该课程独立开设在第7学期，依托于生物技术概论教材，但独立设置课程，单独考核并可获取5个学分。学生通过前面的专业课理论及实验理论学习已了解基本的实验方法，具备独立完成综合性实验的能力，通过独立设置的《生物技术综合实验》课程可以充分发挥学生的主观能动性和自主探索性，鼓励学生在独立思考中发现问题，自主完成实验过程进而解决问题，从而全面应用本专业理论并提高实验技能，使理论知识尽可能与生产实践、科研相结合。通过综合实验课的探索和训练，为培养和提高学生综合分析和解决实际问题的能力打下坚实的基础。

1独立设实验课在生物学相关课程中的开展情况

生物学是注重实验技能，综合应用的一门学科，实验技能的培养对于理论知识的验证、巩固和掌握起到重要作用。全国各大高校均鼓励并要求独立设置实验课程。如吉首大学已独立设置《分子生物学实验技术》《微生物学实验》《分子医学技能实验》;广西大学独立设置《生物工程综合实验课程》［3］;中南大学独立设置《生理学实验课》［4］;长春师范学院独立设置《普通生物学实验》［5］;内蒙古包头医学院独立设置《医学生物化学与分子生物学》［6］;广西医科大学的《生物技术综合实验》［7］等，各大高校的实验课独立设课后陆续向生物相关本科专业开放，这些实验课程具有一定的积极作用，取得了良好的效果。

2独立设生物技术综合实验课程的探索

2．1围绕培养目标，制定教学计划

我校《生物技术综合实验》课程对象为本校生物技术专业四年制本科生，课程为限选课，课程设置80学时，5个学分，在第7学期开设，授课时间范围2～9周，课程连续安排。根据培养目标和本专业学生知识背景，实验内容分四个模块进行，分别是基因工程、细胞工程、蛋白质工程和发酵工程。结合学科背景、所学理论知识、实验室现有实验条件、学生将来科研训练及就业目标等综合考虑设置共22个实验。实验内容以综合性实验为主，尽可能地涵盖相关课程的主要理论和实验方法，同时适当设计加入一些相对前沿、热点和时效科学问题，基础实验课程中未曾涉及的实验。实验内容贴近现实生活和生产实际，目的在于激发学生的兴趣和实用性，引导学生主动深入学习和思考。例如基因工程模块中，包括了基因工程的切、接、转、增、检等基本理论和操作，共计7个实验，涵盖了绿色荧光蛋白基因的克隆及表达的全过程，实验具有连续性和衔接性，前一个实验的结果密切关系到后续试验的开展。细胞工程模块设计7个实验，从培养基的选择和配置开始，到细胞复苏、原代、传代细胞培养和细胞融合等实验内容。培养基配置及细胞复苏等实验属于基础实验，巩固了基本理论和技能，细胞原代、传代培养培养了学生的综合实验分析能力。发酵工程模块设计3个实验内容，主要设置了液态发酵和固态发酵两种类型的实验。蛋白质工程模块包括两部分内容，一部分是等电点法提取酪蛋白，包括了等电点测定，酪蛋白提取，蛋白含量测定等;另外一部分为westernblot实验，让学生了解抗原与抗体发生反应的基本原理。整体来看，实验内容以自主发现问题，解决实际存在的问题为主导，验证性实验的比重适当调低，适当增加探索性实验设计。本课程的综合性和设计性实验内容占总项目数的72．7%。由于该课程属于独立设置实验课，没有现成的教材，课题组成员负责编制和修订实验教学大纲。在选定实验题目后，任课教师查阅文献，并结合各自科研优势和相关性，从而制定实验教学大纲具体内容和实验指导手册，教学团队根据现有的实验条件，共同讨论实验方案的而科学性、可操作性及其合理性，征集修改意见，逐步完善和优化，直至达到完整的系统性。

2．2独立设《生物技术综合实验》课堂教学的组织管理

实验安排中增加教师和学生的互动性，以2017级生物技术专业为例，分为两个大组，分别在分子生物学实验1室和实验2室，各由一名教师授课。在每一个模块实验开始之前，教师介绍本模块设计的理论知识和实验目的及实验安排，使学生对该实验模块形成一个整体思路。每一节实验课前一天下发实验指导手册，让学生提前预习相关知识点和理论。教师根据教学内容选择不同的教学手段，例如westernblot实验，课堂讲授与多媒体技术相结合，教师参照实验指导手册讲授实验操作注意事项，接着利用多媒体播放westernblot操作流程，使学生在操作等各方面有更感性的认识，提高他们动手操作的能力。例如绿色荧光蛋白基因的克隆及表达实验，教师用10min详细介绍本节实验课内容，基于学生已掌握的专业知识和技能基础，先开展实验，随即翻转课堂，随机提问，让学生复述本节课实验目的、原理、步骤和初步结果。教师随后进行知识点补充和拓展，例如获得目的基因的方法除了PCR还有哪些，细菌转化的方法除了本实验中使用的CaCl2诱导转化，还有哪些细菌转化的方法，为什么选择感受态细胞?感受态细胞的特点等，该转化分别适用于什么类型的细胞，转化子和重组子鉴定中本试验使用的是引物PCR产物和菌落PCR，除此之外还有哪些，通过反复提问和补充，让学生对即将开展的实验做到理论和实验相结合，深刻理解实验原理和结果。实践操作过程4个人一小组，以学生为主体，教师监控整个实验过程，对操作规范的学生，加以鼓励并倡导现场示范性展示，引导其思考观察实验现象和结果，分析实验结果。对于动手能力相对较差的学生，教师要鼓励并指导他们正确操作，直到完成实验。实验过程中要求学生认真动手，详细记录实验结果，保留原始实验记录。在综合性实验中，因本次实验操作误差导致没有得到应有实验结果时，为不影响后续实验进行，学生可以申请在教师指导下重复实验，或者与下一小组实验时重新进行实验，以保证每个小组能够完成一次完整的实验。实验完成后要求学生总结实验过程，整理实验数据，分析并记录实验结果，按照规范书写实验报告。实验报告包括实验原理、实验器材、实验步骤、实验结果、实验预案和思考题六个部分。实验报告于每节实验课下课前交回，教师收回评阅并在下节课返还学生，并告知实验报告中记录的实验过程哪里存在问题，点评上一堂课实验操作中存在问题和改进方法，有利于更清晰地理解实验教学的目的及意义，从而规范后续开展的实验操作，以期得到更好的实验效果。因为好的实验结果容易让学生产生成就感，学习兴趣更浓，有助于在实验教学巩固并掌握理论知识。

2．3考核评价体系

通过文献调研和比较分析［8］，确定该独立设置生物技术综合实验的考核分为两部分，包括形成性评价(40%)和期末成绩(60%)两部分。形成性评价成绩依据课前预习、实验操作和实验报告综合评价。学生缺勤达80%者课前预习科目小于60分，能够基本完成实验，但实验操作不规范，结果不理想者60～70分，得到正确实验结果者70～80分，得到预期良好的实验结果并能完整表述结果与思考题者90～100分。期末成绩主要体现在科研小论文的撰写上。课程结束时教师随机分配学生科研小论文的题目，选题为本课程做过的四个模块实验中的一个。要求学生按照科研论文的格式进行撰写，提交电子版论文，然后教师进行评阅和评价，并反馈给学生进行修改完善，同时参考学生修改论文的态度及最终呈递的论文进行评分，期末论文同时考查学生运用本专业理论和专业术语书写表达能力、查阅文献能力、正确合理地引用文献的能力和科学思维讨论能力等。论文评分标准如下，按照规范的论文格式，完成论文者60～70分，写作规范且正确合理地引用文献者70～80分，论文的基本格式规范，并能结合参考文献合理分析实验结果并进行讨论者80～100分。成绩组成见表1。

3教学效果评价

该实验课已经在我校生物技术专业四届学生中进行了探索性实践，分别是14级(46人)、15级(49人)、16级(47人)和17级(46人)。四届学生本课程及格率均为100%，无缺勤现象。大部分实验都能顺利完成，在难度较大的绿色荧光蛋白的克隆及表达实验中个别小组因实验操作失误，存在重复实验或者借用其他小组材料的情况，而80%的小组顺利一次性获得实验结果，未能获得最终实验结果的小组通过观察别小组实验结果，积极参与同学之间和师生之间的分析和讨论，对自己的操作环节进行了反思，在实验报告中对失误导致结果不理想进行了分析。课程成绩显示良好的正态分布，综合评价后80～90分(良)的学生人数占总人数60%以上，该数据表明大部分学生基本知识和基础技能掌握良好，并在该课程中能够运用理论指导并达到了训练综合实验技能和创新能力，达到了实验课程教学目的。随着该独立设置实验课的开展，在学生中形成了良好的口碑，激发了他们的学习兴趣。学生提交的期末论文水平逐年提升，学生该课程的平均成绩也呈现逐年升高的趋势。本课程结束后采用问卷调查方式对独立设置实验课进行评价，问卷统计分析表明大部分学生对这种独立设置实验课表示认可，认为独立设置实验课系统性好，引起兴趣且记忆深刻，且通过课程的学术论文写作，有助于对整个实验过程进行梳理，形成科研训练的完整流程。通过独立设置实验培训，学生加入校内各科研团队，得到老师们的肯定，在各类大学生创新创业大赛中也取得了优异的成绩，例如，“参芪胶原纳米复合纤维面膜开发”获第二届全国中医药高等院校大学创新创业铜奖，“抗光老化中药纳米复合纤维”获第十二届“兴晋挑战杯大学生创业计划铜奖”等多项荣誉。

4改进策略及方法

在发酵工程模块实验中，学生学习了培养基配置的基本原则和操作，锻炼了学生的实验动手能力。因为课时限制以及充分利用材料，其他实验中的材料和常规试剂均由实验员和小组的个别学生共同配置，只有个别学生参与其中，这对培养学生独立自主完成实验的能力来说存在一定欠缺。在课时有限的前提下，为了锻炼学生相对独立的科研能力，并保证课程进度相步，我们在积极探索实验室开放，由学生通过组团网络预约，并于课后自行准备实验，这样保证整个实验均由学生独立完成，以期达到锻炼学生独立解决问题的能力。目前本课程的实验内容由教师组拟定，随着独立设置《生物技术综合实验》的探索、实践与改革，建议设立开放性实验。由学生自行查找资料，选择自己感兴趣的实验项目，或者由学生向指导老师提出构想，在指导老师的指导下设计完整的实验项目，通过与代课教师沟通，商定实验进度及课时安排，从而取代本课程中实验技术相近的课时。开放实验项目的评价方式与其相对应课堂实验项目采用相同的标准。近几年，我们正在尝试让低年级同学提前观摩高年级学生的实验过程和毕业设计实验，积极推动学生较早了解和参与科研，极大地提高了课程的实践性和学生的兴趣，从而提高综合专业素质。

5小结

《生物技术综合实验》独立设置实验课的仍在继续摸索和推进之中，我们将在实践中不断总结经验，完善《生物技术综合实验》的课程设置，尝试新模式和新方法，全面提高教学质量。我们遵循教学有法，但无定法，贵在得法的公理。我们相信在培养创新意识、创新能力为主的实验教学体系的道路上没有固定模式可走，只有从实际情况出发，通过不断的探索、实践、思考和总结，逐步形成完善成熟的教学模式，才能获得良好的效果，培养出专业性更强的学生，同时推进学科建设。

参考文献

［1］邵文尧，何宁，姚传义．生物工程专业实验课融合创新创业教育的探索与实践［J］．高等理科教育，2020(4):78－82．

［2］王莹，李佳楠，周理红，等．“生物技术综合实验”多元化考核体系的探索与实践［J］．教育教学论坛，2020(34):226－228．

［3］粟桂娇，莫祺红，阎欲晓，等．生物工程综合实验独立设课及教学改革［J］．实验室研究与探索，2008(7):107－110．

［4］管茶香，罗自强，易露茜，等．开设学生独立设计生理学实验课的探索［J］．中国现代医学杂志，2004(11):152－153．

［5］倪秀珍，莫金钢．普通生物学实验课程教学改革尝试［J］．长春师范学院学报(自然科学版)，2008(6):136－137．

［6］魏春华，苏燕，闫巧梅．医学生物化学与分子生物学实验技术独立设课的实践［J］．当代医学，2015，21(2):163－164．

［7］崔兰玉，孙健，凌敏．《生物技术综合实验》课程改革研究［J］．广东化工，2020，47(23):205．

［8］张庆芳，迟乃玉．微生物学实验教学考核评价体系的建立及实施［J］．微生物学通报，2009，36(9):1432－1435．

作者：岳慧英 吴娜 蔡东晖 胡丽丽 单位：山西中医药大学