植物生產(chǎn)類專業(yè)微生物實驗教學(xué)的改革與實踐

王中梅 (長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北荊州434025)

郭靈芳 (長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北荊州434020)

周 燚,張長青,魯紅學(xué),趙明敏,章松柏 (長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北荊州434025)

微生物學(xué)不僅是生命科學(xué)領(lǐng)域中一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科,而且與生產(chǎn)實際密切相關(guān)。如可以通過微生物發(fā)酵工程進(jìn)行各種重要產(chǎn)品生產(chǎn),例如抗生素、疫苗、維生素、氨基酸、酸奶、生物菌肥等等。環(huán)境的修復(fù)、資源的再生、發(fā)酵食品的生產(chǎn)也是通過微生物的作用進(jìn)行的[1～3]。由此可見,微生物學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域中的重要地位。只有具備微生物研究能力的高素質(zhì)人才,才能適應(yīng)未來微生物研究乃至生物研究工作[4]。對于植物生產(chǎn)類專業(yè)來說也是如此。微生物學(xué)是植物生產(chǎn)類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課,并為后續(xù)的植物病理學(xué)、土壤微生物學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)病理學(xué)、病蟲害防治學(xué)等課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[5]。微生物學(xué)實驗課是微生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分,提高微生物學(xué)實驗課教學(xué)質(zhì)量對加深學(xué)生對微生物學(xué)理論知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能,提高學(xué)生獨(dú)立操作能力及分析問題和解決問題的能力至關(guān)重要[6]。而傳統(tǒng)的微生物學(xué)實驗課多以驗證型、演示性和示范性的實驗內(nèi)容為主,只注重教師的主導(dǎo)作用,忽視了學(xué)生的主體作用,不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),不符合現(xiàn)代教育的目標(biāo)[7]。因此,為提高學(xué)生的實踐能力,筆者所在教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合教學(xué)與科研實際,以連續(xù)三屆植物保護(hù)、園藝、農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等4個植物生產(chǎn)類專業(yè)的學(xué)生為實施對象,進(jìn)行了微生物實驗教學(xué)的改革與實踐,即將設(shè)計性實驗的思路、方案引入實驗過程中,將分散的幾個實驗整合和優(yōu)化成一個綜合性設(shè)計性的實驗,構(gòu)建科學(xué)的設(shè)計性實驗教學(xué)體系。這些改革措施激發(fā)了學(xué)生興趣,有效地培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力,訓(xùn)練了學(xué)生的科研思維。

1 微生物實驗教學(xué)改革的必要性

培養(yǎng)高素質(zhì)的微生物學(xué)人才,實踐是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。微生物學(xué)實驗不僅要讓學(xué)生掌握微生物實驗技術(shù)和方法,更重要的是通過實驗訓(xùn)練學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)設(shè)計實驗?zāi)芰涂蒲幸庾R,使學(xué)生具備初步的科研能力。在生命科學(xué)急速發(fā)展的今天更是如此。而傳統(tǒng)的微生物學(xué)實驗課多以驗證型、演示性和示范性的實驗內(nèi)容為主,只注重教師的主導(dǎo)作用,忽視了學(xué)生的主體作用,雖然能夠加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解、培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,但由于實驗都是按照事先安排的內(nèi)容與形式進(jìn)行的,學(xué)生沒有充分的思考時間,不懂得實驗本身的思想內(nèi)容,無法參與實驗的創(chuàng)造性思維過程,盲目性較大,不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),不符合新時代要求學(xué)生全面發(fā)展的教育目標(biāo)與理念。如改革以前在傳統(tǒng)實驗中安排了顯微鏡油鏡的使用和微生物細(xì)胞形態(tài)觀察、細(xì)菌的革蘭氏染色法、芽孢與莢膜染色法、鞭毛染色法與活菌體運(yùn)動性的觀察、微生物細(xì)胞大小和數(shù)量的測定、酵母菌形態(tài)觀察及死活細(xì)胞的鑒別、培養(yǎng)基的配制與消毒滅菌、從自然界中分離和純化微生物以及環(huán)境因素對微生物的影響等實驗,在開設(shè)的這些實驗中,它們之間關(guān)系較為松散、跨度較大,除了最后2個實驗外其他幾個實驗都是驗證性實驗。由于實驗結(jié)果是已知的,學(xué)生覺得做實驗只是一種形式,很難激發(fā)他們的興趣和熱情,更不用說創(chuàng)造性了,也就難以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和科研意識。

此外,隨著大類培養(yǎng)模式的推廣,很多專業(yè)課程的學(xué)時都有一定程度的壓縮,如微生物學(xué)實驗課時由推廣大類培養(yǎng)模式之前的20學(xué)時壓縮至10學(xué)時。如果按照傳統(tǒng)的實驗體系來做,只能做幾個基礎(chǔ)實驗,如2005級學(xué)生的微生物學(xué)實驗項目 (表1,10學(xué)時)。由于這5個實驗之間關(guān)系較為松散、跨度較大,學(xué)生普遍反映實驗比較簡單,不用思考,沒有挑戰(zhàn)性,不能充分發(fā)揮主動性,無法進(jìn)行技能的培養(yǎng)。因此,微生物學(xué)實驗教學(xué)改革勢在必行。

表1 2005級微生物學(xué)課程實驗項目

2 微生物實驗教學(xué)的改革措施

2.1 重編實驗指導(dǎo)

根據(jù)人才培養(yǎng)計劃和教學(xué)科研實際,重新確定實驗內(nèi)容。具體要求是:(1)避免與其他課程實驗項目重復(fù)。如刪除了與 《植物學(xué)》中顯微鏡的使用和 《植物病理學(xué)》中真菌的分離和形態(tài)觀察等相重復(fù)的實驗,這樣可以充分利用有限的實驗課時;(2)選用科研團(tuán)隊中比較成熟的分離拮抗微生物的技術(shù)和思路來設(shè)計實驗內(nèi)容;(3)采用科研團(tuán)隊儲存的大量拮抗微生物和病原微生物,以保證實驗正常進(jìn)行。然后根據(jù)實驗內(nèi)容,在參考通用實驗教材的基礎(chǔ)上編寫實驗指導(dǎo)書,把新實驗體系中涉及的實驗分解成各個獨(dú)立的實驗,然后詳細(xì)具體的說明其目的、原理、操作步驟和注意事項等,以便學(xué)生在進(jìn)行實驗時參考具體的實驗步驟,扎實地掌握微生物研究的一整套基礎(chǔ)操作技術(shù)。在指導(dǎo)書中,詳細(xì)和重點介紹實驗設(shè)計的思路和基礎(chǔ),同時增加一些與實驗、生產(chǎn)和生活相關(guān)的思考題或類似實驗設(shè)計題,提高學(xué)生的興趣,激發(fā)學(xué)生思考和探索心理,引導(dǎo)學(xué)生自覺自主地去查閱教材以外的一些相關(guān)資料,設(shè)計一些新的實驗方案。

2.2 規(guī)范實驗過程

在課程理論內(nèi)容開始授課后就布置實驗內(nèi)容,每人發(fā)一本實驗指導(dǎo)書和實驗教學(xué)進(jìn)度表,要求參照實驗指導(dǎo)書和實驗教學(xué)進(jìn)度表進(jìn)行預(yù)習(xí),等到理論課教學(xué)進(jìn)行到一定程度后開始實驗。實驗過程中將自己分離得到的菌株與對照菌株 (枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌等)進(jìn)行比較,描述菌株的特征特性,對其染色、觀察形態(tài),進(jìn)行部分生理性狀以及拮抗能力測定等,對實驗中出現(xiàn)的問題引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料討論解決。實驗結(jié)束后,要求學(xué)生按照連續(xù)實驗的方式撰寫實驗論文和按照實驗報告的形式分析每個小實驗的原理、操作過程和實驗結(jié)果,這樣既能有效掌握和總結(jié)每個知識點,又能感受科研的連續(xù)性和鍛煉科技論文的撰寫能力。對分離得到的優(yōu)良菌種先進(jìn)行保藏,隨后可以通過開放性實驗、大學(xué)生科技創(chuàng)新項目、研究性項目等方式對優(yōu)良菌種進(jìn)行功能性測定和開發(fā)。

2.3 加強(qiáng)實驗考核

以往微生物實驗課程的考核一般以學(xué)生平時的出勤率以及實驗報告的完成情況來打分,但是有一些學(xué)生不認(rèn)真完成實驗,為了應(yīng)付考核,有抄襲他人實驗報告的情況。因此這樣的考核方式并不能完全真實反映學(xué)生的實驗課情況以及實驗實際動手能力。而出勤率只能證明學(xué)生人在實驗室,并不能反映其動手操作以及是否用心等情況。因此,改革后教師在實驗課開始之前就向?qū)W生宣布課程的考核方式,把實驗及相關(guān)內(nèi)容列入課程考試重點。具體做法如下:(1)實驗報告質(zhì)量和實驗過程表現(xiàn)占課程成績的20%,實驗報告質(zhì)量著重考察學(xué)生的實驗結(jié)果和分析結(jié)果的能力,實驗過程表現(xiàn)著重考察學(xué)生實驗過程的操作正確與否;(2)在課程考試試卷中新增實驗綜合題,即將整個設(shè)計性實驗綜合成一個實驗綜合題。在該實驗綜合題中,既考核學(xué)生對實驗操作和實驗思路的掌握程度,又考核學(xué)生對實驗所涉及的基礎(chǔ)知識的理解,也就是把理論和實踐結(jié)合起來考核。考核方式改革的結(jié)果表明,教學(xué)方法和手段上實施改革不僅扭轉(zhuǎn)了學(xué)生輕視實驗課程的現(xiàn)象,而且使學(xué)生更好地掌握了微生物實驗的操作技能,加深了對微生物知識的理解。

3 微生物實驗教學(xué)改革的實踐

綜合性設(shè)計性實驗的開設(shè)是如今高校實驗改革的趨勢,它有效克服了上述弊端,把自主權(quán)交給了學(xué)生,給學(xué)生充分的思維空間和實驗設(shè)計的自主性,有效提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識和實驗技能分析和解決實際問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和科研思維方式[8,9]。基于此,教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合教學(xué)和科研實際,從2006級開始,按微生物學(xué)研究工作的基本程序?qū)⒏鱾€實驗項目進(jìn)行了有機(jī)組合,使每一個實驗項目前后銜接,使實驗內(nèi)容組成互相聯(lián)系的綜合體系 (表2,10學(xué)時),這個體系具有以下特點。

表2 改革后的微生物學(xué)實驗項目

3.1 結(jié)合科學(xué)研究,引入設(shè)計性實驗思維

《微生物學(xué)》課程的教學(xué)團(tuán)隊同時也是一個科研團(tuán)隊,科研團(tuán)隊研究的重點放在魔芋育種和病害生物防治上。經(jīng)過幾年的艱辛摸索,科研團(tuán)隊在魔芋病害生物防治方面取得了突出的成績,找到了打破種植魔芋 “瓶頸”的突破口,得到湖北省重點攻關(guān)招標(biāo)課題、省自然科學(xué)基金、省教育廳重大項目、長江大學(xué)重點項目和校級基金項目等多個基金項目支撐與基金資助,已經(jīng)有多種生防菌劑投入應(yīng)用,取得了良好的市場效應(yīng)。教學(xué)團(tuán)隊在理論課講授時,也向?qū)W生詳細(xì)介紹了團(tuán)隊的科研項目和研究重點。學(xué)生對這個科研團(tuán)隊既熟悉又陌生,熟悉的是該團(tuán)隊的科研成績,陌生的是 “具體在做什么”,后者是學(xué)生特別感興趣的。因此,在遵循實驗教學(xué)大綱的要求下,實驗的具體內(nèi)容參照了魔芋研究過程中的一部分基礎(chǔ)內(nèi)容,重點放在篩選能夠在魔芋體內(nèi)生存的拮抗微生物方面,引入設(shè)計性實驗思維,將5個實驗設(shè)計成一個大的綜合性實驗,前后實驗連貫,即前一個實驗的結(jié)果直接關(guān)系到后一個實驗?zāi)芊襁M(jìn)行。這樣既具有挑戰(zhàn)性,又讓學(xué)生在提高微生物學(xué)實驗基本操作技能的基礎(chǔ)上理解了科學(xué)實驗的設(shè)計性思維。

3.2 結(jié)合教學(xué)實際,有機(jī)組合實驗內(nèi)容

《微生物學(xué)》是農(nóng)學(xué)種植類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課,主要內(nèi)容包括:微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)及其生命活動;微生物的營養(yǎng)、代謝及其生長繁殖;微生物的多樣性及其在自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的作用;微生物與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系;微生物與高等植物的相互關(guān)系和微生物與農(nóng)業(yè)生態(tài)的基本原理及其研究的基本方法。實驗教學(xué)是 《微生物學(xué)》教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過實驗教學(xué),使學(xué)生掌握研究與應(yīng)用微生物的主要方法與技術(shù),將書本知識用于實踐,在實踐中更深地理解書本知識,培養(yǎng)學(xué)生在實踐中綜合應(yīng)用所學(xué)知識去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,增強(qiáng)創(chuàng)新意識,提高創(chuàng)新能力。這是一個較高的要求,在20學(xué)時的條件下,按照通用實驗教材中的實驗項目進(jìn)行可以達(dá)到實驗要求,但在課時壓縮至10學(xué)時的情況下,按通用實驗教材則無法達(dá)到要求,如2005級學(xué)生種植類專業(yè) 《微生物學(xué)》課程學(xué)時壓縮后,選擇通用實驗教材的幾個實驗項目進(jìn)行,實驗跨度較大,缺乏聯(lián)系,沒有挑戰(zhàn)性,不能激發(fā)學(xué)生興趣,同時也沒能達(dá)到實驗教學(xué)大綱的要求。針對這種情況,從2006級開始,根據(jù)教學(xué)和科研實際,在有限的課時下,引入設(shè)計性思維,將所有實驗連貫成一個有機(jī)的大實驗,實驗先從 “魔芋精粉培養(yǎng)基的制備及培養(yǎng)基和器皿的滅菌”開始,接著利用已配制的培養(yǎng)基進(jìn)行 “魔芋精粉中微生物的分離和菌落形態(tài)觀察”,對分離到的目標(biāo)微生物進(jìn)行 “微生物的接種技術(shù)”、“大分子物質(zhì) (葡甘聚糖)的微生物降解實驗和細(xì)菌的革蘭氏染色”、以及 “微生物 (細(xì)菌與細(xì)菌)之間的拮抗實驗”、“微生物 (細(xì)菌與真菌)之間的拮抗實驗”、“拮抗微生物的發(fā)酵實驗”、“拮抗微生物的植物病害防治實驗”等,8個實驗項目包括了微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、微生物代謝、微生物的營養(yǎng)與生長、微生物的分類鑒定、微生物之間的關(guān)系、微生物的發(fā)酵培養(yǎng)、微生物的應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容,與微生物理論教學(xué)相輔相成,形成了一個進(jìn)行微生物學(xué)科學(xué)研究工作基本體系。經(jīng)過2年的實踐,學(xué)生普遍反應(yīng)較好。這樣不僅鍛煉了學(xué)生的微生物實驗技能,而且還訓(xùn)練了其設(shè)計性實驗思維。

3.3 結(jié)合專業(yè)實際,實驗內(nèi)容側(cè)重農(nóng)業(yè)

針對授課對象是種植類專業(yè),教學(xué)團(tuán)隊在理論課和實驗課教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了調(diào)整,都側(cè)重于介紹農(nóng)業(yè)微生物方面內(nèi)容。理論課教材選用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)相關(guān)專家主編的教材,該教材很多方面以農(nóng)業(yè)微生物為重點。在實驗內(nèi)容選擇上,為了讓學(xué)生了解微生物與農(nóng)業(yè)的關(guān)系 (有害和有益),實驗材料選用魔芋軟腐病菌、茄子枯萎病菌、枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌,設(shè)計實驗以拮抗微生物枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌作為對照,讓學(xué)生尋找拮抗魔芋軟腐病菌或茄子枯萎病菌的拮抗微生物。這樣通過實驗,不僅讓學(xué)生掌握了微生物之間的關(guān)系 (拮抗作用),而且理解了生物防治的原理。

3.4 建立開放實驗室,實行開放式實驗教學(xué)

為適應(yīng)大類培養(yǎng)教學(xué)模式的要求,后續(xù)課程必須適當(dāng)壓縮學(xué)時和提高教學(xué)效率,但這勢必影響學(xué)生在有限的課堂時間內(nèi)進(jìn)行更深入的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。為此,教學(xué)團(tuán)隊申請了一定的經(jīng)費(fèi),根據(jù)需要安排一段比較集中的時間 (周末或平時空閑時間)將實驗室予以開放,實行開放式實驗教學(xué),為系列實驗的開展提供了保證。學(xué)生即使課堂實驗失敗了,也可以課后再補(bǔ)做;對 《微生物學(xué)》非常感興趣的同學(xué)在做完必修實驗后,可以申請表2中的選修實驗項目,利用周末或平時空閑時間進(jìn)行。這樣,學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)不能完成或者需要重新再驗證的實驗可以在周末或平時空閑時間去完成,因此有足夠的時間理解實驗方案、研究實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果,讓他們感受科研實驗有得有失,有苦有甜的體驗。開放式實驗教學(xué)改革彌補(bǔ)了微生物課時壓縮的一些不足,還極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和求知欲望,真正讓實驗室成為科研型人才的培養(yǎng)基地。

4 結(jié)束語

在生命科學(xué)研究中,微生物是重要的研究對象和研究工具。微生物學(xué)實驗作為一門實驗技術(shù)在微生物學(xué)學(xué)科發(fā)展中更具有舉足輕重的作用[7]。作為高校教育工作者,只有順應(yīng)時代要求,不斷改革創(chuàng)新,才能造就適應(yīng)21世紀(jì)需要的新型人才。因此,教學(xué)團(tuán)隊在 《微生物學(xué)》實驗課時被壓縮的情況下,結(jié)合科研與教學(xué)實際,對微生物實驗進(jìn)行改革,通過調(diào)整實驗內(nèi)容和設(shè)計思路、編寫配套實驗教材、規(guī)范實驗過程等,將多個實驗設(shè)計成一個綜合性、設(shè)計性實驗,從而激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣,啟迪學(xué)生融會貫通地應(yīng)用微生物學(xué)知識去分析解決一些實際問題,并能使學(xué)生通過查閱資料解決某一微生物學(xué)具體課題的相關(guān)問題,從而逐漸培養(yǎng)其勇于探索的創(chuàng)新精神和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。

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