生物技術專業綜合性和設計性實驗教學改革與實踐

錢 潔, 房健民, 陳志宏

(同濟大學 生命科學與技術學院，上海 200092)

0 引 言

新世紀以來，生物技術成為許多國家科研開發和資金投入的戰略重點和國際科技競爭的重點之一，生物產業正在成為全球新的經濟增長點。《國家中長期生物技術人才發展規劃(2010—2020年)》指出：在我國加快調整經濟結構、轉變經濟發展方式的進程中，發展生物技術及推動戰略性新興產業，迫切需要培育創新型生物技術人才，迫切需要建立具有較強國際競爭力的生物技術人才隊伍。

自2006～2011年，我院參照國家規范設置生物技術專業課程，增加了實驗總學時并提高獨立設課實驗課程比例。按照知識單元(課程群)統一開設實驗課，更加注重知識單元中各門實驗課程之間的銜接和綜合性技能培養，大幅增加綜合性和設計性實驗的比重(見表1)，全面推進綜合性、設計性實驗的教學改革，切實提高學生的綜合素質及創新能力[1-2]。改變以往以驗證性實驗占主導的局面，形成基礎性實驗、綜合性、設計性實驗約為1∶1∶1的分層次實驗教學體系。2011年培養計劃中綜合性實驗學時為212，比2006年增加1倍多，設計性實驗學時為204，比2006年增加10倍多。

表1 2006～2011年生物技術專業實驗學時一覽表

作為首批“國家生命科學與技術人才培養基地”，我院在生物技術本科實驗教學中以社會需求為導向，加強實驗課程體系建設，深入研究綜合性、設計性實驗教學的設計原則、案例來源、教學方法和考核體系，充分發揮實驗教學在人才培養過程中的重要作用[3]。我們作如下介紹。

1 生物技術專業綜合性實驗的教學改革

綜合性實驗是分層次實驗教學體系的重要組成，介于培養基本實驗技能的驗證性實驗與培養創新實踐能力的設計性實驗之間，其最大的特點是將多種基礎知識和基本實驗技能有機地結合[4]，用于培養學生綜合應用能力[5-6]。實驗內容涉及知識單元(課程群)多門相關課程知識點，具有實驗內容綜合、實驗方法綜合和實驗手段綜合的內涵[7]。以“單克隆抗體制備”實驗項目為例。

1.1 設計原則

(1) 綜合性。綜合性是實驗案例設計的首要原則?！皢慰寺】贵w制備”實驗中學生需要綜合細胞生物學、細胞工程學、免疫學等多門專業課的理論知識。在掌握動物細胞原代培養和腫瘤細胞傳代培養、細胞融合、抗體檢測等基本實驗技能的前提下，完成實驗動物免疫、細胞融合、雜交瘤篩選、抗體檢測、克隆化培養等一系列大實驗。

(2) 實用性。案例要具有實用價值?！皢慰寺】贵w制備”實驗的內容采用了代表當前主流的一項生物技術，該項技術是目前抗體藥物研發、生物檢測以及蛋白質功能研究的常用技術，實用性極強。掌握該項技術不僅有利于提高學生的就業能力，也為其今后的科研工作打下堅實基礎。

(3) 趣味性。興趣是最好的老師?！皢慰寺】贵w制備”技術于1984年獲得諾貝爾獎，選擇該項技術作為實驗內容充分調動了學生的興趣，學生在實驗中積極性非常高。

(4) 可擴展性。綜合性實驗案例設計要具有可擴展性，可根據學科建設、專業發展、學生能力培養的需要以及實驗室建設的發展進一步擴展和優化?！皢慰寺】贵w制備”實驗可以與上游與分子生物學實驗銜接，讓學生從目的基因克隆開始，經過融合蛋白表達與純化，再進行動物免疫，是一項可持續發展的實驗項目。

1.2 案例來源

在案例的設計和選擇上既要體現綜合性、能夠培養學生的創新意識和實踐能力、提高學生的綜合素質，同時也要考慮到實驗的課時安排和難度控制。

(1) 優質科研成果轉化。學院承擔大量的科研項目，可以將其中某些項目進行簡化、修改、轉化成本科生綜合性實驗案例[8]?！皢慰寺】贵w制備”實驗即為依托同濟大學蘇州研究院的技術優勢而開出的高水平實驗，實現了教學與科研實踐“無縫對接”，保證學生學以致用?？蒲信c教學的良性互動，對提高實驗教學水平發揮了重要作用。

(2) 選擇有關科技論文的內容?？萍颊撐耐ǔＪ菍Ρ緦I內最新的前沿科技的介紹、論述和總結。根據實驗室的條件，選擇其中合適的內容進行改進，豐富了生物技術專業綜合性實驗的案例內容。

(3) 對部分基礎性實驗內容進行優化和重組。充分利用現有的實驗資源，對實驗內容和方案進行優化、重組，從而設計出符合當前教學要求的綜合性實驗。

1.3 教學方法

采用了分層次的教學方法。針對實驗項目中基本實驗技能培訓時，教師要手把手教，力求學生熟練掌握細胞培養的實驗技術，幫助學生牢固樹立無菌操作的概念，確保細胞不污染，能順利進行后續實驗。而在綜合實驗階段，為提高學生分析問題和解決問題的能力，采用提高性的實驗教學方法，要求學生根據實驗指導書獨立進行實驗操作，教師分階段進行點評和指導。

1.4 考核體系

設計多個指標對實驗進行綜合考核。實驗考核內容主要包括實驗素養、書寫實驗報告水平、實驗動手能力、綜合分析和解決問題的能力以及實驗理論知識考核等5方面。由于“單克隆抗體制備”綜合實驗持續時間比較長，除了結果考核，更加強實驗過程考核，其中實驗素養包括實驗過程中的按時出勤、按時記錄、實驗室環境維護等考核內容；實驗報告主要包括是否按時提交、如實記錄、合理分析等考核內容。從學生對實驗的重視程度、獨立完成研究報告、獨立操作儀器設備、科學分析實驗結果等方面綜合考察學生的實驗技能和實驗素質，培養學生實事求是的科學態度。

1.5 實驗教學改革效果測評

每學期實驗課程開設過程中會編制“細胞工程“實驗調查問卷，及時了解學生對所開設實驗的意見和建議，以利今后改進。在設計調查問卷選項前召開部分學生座談會，收集學生最關心的問題，作為選項。通過分析調查問卷，可以了解綜合性實驗的開設是否達到了設計的目的。是否對學生的能力培養、綜合素質提高有幫助。從問卷調查結果來看，學生對綜合性實驗給予了充分的肯定，認為“單克隆抗體制備”實驗內容新穎、有趣，體現了實驗技術的多樣性和先進性；實驗技能、科研素養、知識儲備、交流合作、分析問題解決問題等方面有所提高；也反映出由于實驗周期比較長，信心不夠等問題。提示教師在實驗初期應多鼓勵學生，樹立信心。該實驗是同濟大學精品實驗建設項目。目前，與實驗配套的教材即將在正式出版發行。

2 生物技術專業設計性實驗的教學改革

設計性實驗位于三層次實驗教學體系的頂層，建立在驗證性實驗和綜合性實驗基礎上，要求學生在教師的指導下，根據給定的實驗目的，自主設計實驗方案[9]、選擇實驗方法和實驗器材、擬定實驗操作程序，自主進行實驗操作并對實驗結果進行分析處理，完成實驗項目研究。設計性實驗是在發現問題和解決問題的過程中培養學生科研能力和創新精神的實驗教學活動[1]。以“細胞凋亡誘導與檢測”實驗項目為例。

2.1 設計原則

設計性實驗具有研究性學習的屬性，是調動學生學習主動性、培養創新精神的重要手段[10]。

(1) 研究性。設計性實驗教學中，堅持教學與研究相統一的教學理念?！凹毎蛲稣T導與檢測”校級精品實驗項目就是把科學研究融入本科實驗教學的例子。圍繞細胞凋亡誘導熱點問題，組織學生在查閱文獻的基礎上，自主設計實驗方案，選擇感興趣的方法或藥物誘導腫瘤細胞發生凋亡，然后綜合運用多種實驗方法進行細胞凋亡的形態學或生化特征檢測，實驗完成后撰寫研究小論文。設計性實驗沒有現成的實驗步驟，實驗教學的過程不再是簡單的“按方抓藥”[11]。通過設計性實驗訓練，學生可以接觸到科技前沿，從中學到科學研究的方法，而且師生共同參與知識發現的過程，有利于激發學生學習的積極性，從而使實驗教學環節真正成為培養學生實踐能力和創新思維的重要途徑[12]。

(2) 整合性。在設計性實驗項目設置中重視學科交叉與融合，對一些專業基礎和專業課知識點進行整合。實驗教學從一個科學問題出發，將實驗內容根據研究對象統一和集中，突出實驗教學的系統性[13]?！凹毎蛲稣T導與檢測”實驗教學以研究小組為組織形式，重視學生之間以及師生之間的相互配合和思維碰撞。學生不僅可研究不同藥物對腫瘤細胞增殖的抑制效果，也可用細胞生物學實驗方法觀察凋亡細胞的形態學特征，還可利用分子生物學手段研究特定凋亡相關基因的表達。在實驗教學體系中，注意理論、技術與思維的結合；在實驗內容設計上，加強先進科研手段與經典實驗內容的聯系和多種實驗技能的綜合應用，從而為學生提供一種整合的、相互關聯的知識體系。

(3) 開放性。傳統實驗教學內容和方法過于單一的特點[14]已經不能完全滿足社會對生物技術人才的需求。設計性實驗教學中堅持以提高學生的綜合素質為目標，堅持以學生為主體的教學理念，在實驗教學內容、實驗過程、實驗室管理、實驗成績評定方式上實現全方位的開放[15]?！凹毎蛲稣T導與檢測”設計性實驗在小學期集中開設，在為期1周時間里為學生自主學習、自主研究提供開放的實驗室空間。學生可根據師生互動確定的實驗方案，系統組合實驗儀器、合理安排實驗進度，獨立完成實驗。讓學生自主選擇教學內容，主動解決在探索過程中出現的問題從而獲取知識、發展技能、培養能力，特別是創新能力。通過建設本科生開放實驗室和開放管理機制，保證實驗過程的開放。

2.2 案例來源

(1) 科研與教學結合?？鼓[瘤藥物的研究是當前熱點之一，是教師科研部分內容，而細胞凋亡的形態學檢測是細胞生物學的經典實驗項目?！凹毎蛲稣T導與檢測”設計性實驗是二者結合并精心設計的產物。

(2) 選擇有關科技論文的內容?？萍颊撐耐ǔＪ菍Ρ緦I內最新的前沿科技的介紹、論述和總結，可以根據實驗室的條件，選擇其中合適的內容進行改進，作為生物技術專業設計性實驗案例，選題時需要教師把握實驗難度和實驗學時。

2.3 教學方法

在生物技術專業本科實驗教學中開創以“模擬科研任務”為情景的實驗教學方法，使得學生在學習基本操作技能的前提下，科研的思維和系統組合各種實驗技術來實現科研目標的能力得到培養。在“細胞凋亡誘導與檢測”設計性實驗中，通過研究藥物的抗腫瘤作用，學生不僅學習到比較系統的細胞凋亡的形態學和生化、分子生物學檢測的實驗操作技能，還系統掌握了藥物誘導細胞凋亡研究的常規思路和方法，尤其是通過實驗，學生模擬了一次相對完整的科學研究的過程，培養其科研素質。教師在設計性實驗中“放手但不放任”，除提供詳實的書面實驗指導外，還精心拍攝制作了關鍵實驗步驟的教學錄像(《細胞生物學實驗》，已由高等教育出版社出版)，為學生自主學習提供素材。

2.4 考核體系

設計性實驗的教學目的在于培養學生的綜合素質，因此僅以實驗結果和實驗報告來評定學生的實驗成績已不能順應時代發展的要求。設計性實驗考核評價體系針對實驗過程中實驗方案設計、實驗進度、實驗完成質量、科技論文撰寫等諸多方面進行綜合考評。考核的內容側重于對實驗過程的考察和對學生能力的評定。

2.5 實驗教學改革效果

自2006年開設“細胞凋亡誘導與檢測”設計性實驗以來，已取得了大量的教學成果，其中包括學生論文集；建設2項校級精品實驗項目；參編出版實驗教材1部；發表教學改革論文3篇。2008年本實驗被評為首批校級精品實驗項目。

3 結 語

我院生物技術專業自2002年招生以來已培養7屆本科畢業生。綜合分析歷年本科畢業生的成長出路發現，升學和出國的人數占總人數的65%，就業人數占總人數的32%，其中2010～2012年的就業率均達100%。連續3年100%的就業率顯示了我院培養的生物技術專業本科生在社會上具有較強的競爭力和美譽度，畢業學生的專業水平能夠滿足用人單位的基本需求，可作為生物技術產業發展的中堅力量。

3年來，隨著教學改革的不斷推進，我院在生物技術專業高端人才的培養和輸送中也取得了可喜的成績。除了每年近50%學生免試讀研外，有越來越多的學生經過專業知識和實驗技能層層選拔進入包括清華、北大、中科院和國際一流大學進行深造，成為生物技術高端人才的后備力量。例如，2005級本科畢業生中有18%的學生進入國內外一流大學，到2007級本科畢業生中有33%進入國內外一流大學讀研。

通過跟蹤調查和分析生物技術專業本科生畢業后的發展方向，結果顯示加強綜合性、設計性實驗的教學改革，適應生物技術產業快速發展的需求，對培養未來有望成為國際生物技術研究領域領軍人物的后備人才具有積極作用。

[1] 劉萬宏，姚 波. 生物化學設計性實驗教學實踐與效果評價[J].安徽農業科學,2012,40(1):533-534.

LIU Wan-hong, YAO Bo. Teaching practice and teaching effect assessment in biochemistry designed experiment[J]. Journal of Anhui Agri Sci, 2012,40(1):533-534.

[2] 郁 達，盧祥云，吳金男，等. 加強綜合性和設計性實驗 培養學生創新能力-生物科學(師范)專業實驗課程體系改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2002,21(1):15-17.

YU Da, LU Xiang-yun, WU Jin-nan,etal. Strenthening the comprehentive and design experiments and cultivating students’ creative ability-practice of the experiment curriculum of biology science[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2002,21(1):15-17.

[3] 黃大明，秦鋼年，楊春蘭，等. 提高實驗教學人才培養功能 適應創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2011,30(6):126-129.

HUANG Da-ming, QIN Gang-nian, YANG Chu-lan. Improving the functions of experimental teaching to accommodate the requirement of innovation talents training[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(6):126-129.

[4] 王少剛，劉仁培，封小松. 開發綜合性實驗 培養創新能力[J].實驗室研究與探索，2009,28(9):117-120.

WANG Shao-gang, LIU Ren-pei, FENG Xiao-song. Developing comprehensive experiment to cultivate innovation ability[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2009,28(9):117-120.

[5] 吳開新，朱承志，鐘義長. 綜合性實驗的綜合原則[J].實驗室研究與探索，2007,26(6):89-91.

WU Kai-xin, ZHU Cheng-zhi, ZHONG Yi-chang. Synthesizing principIes of comprehensive experiments[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2007,26(6):89-91.

[6] 邢紅宏，梁承紅，張紀磊. 充分利用綜合性實驗培養學生的綜合素質[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):165-167.

XING Hong-hong, LIANG Cheng-hong, ZHANG Ji-lei. Development of studengts’ comprehensive quality using comprehensive experiments[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2013,32(2):165-167.

[7] 沈忠悅，商亮節，潘小青，等．精心設計綜合性實驗 培養學生的創新能力[J]. 實驗室研究與探索，2012,31(5):92-94.

SHEN Zhong-yue, SHANG Liang-jie, PAN Xiao-qing,etal. Cultivating students’ innovative ability by comprehensive designative experiments —a case study of crystallography and mineralogy[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(5): 92-94.

[8] 譚羽非，姜寶成，趙金輝. 科研與教學結合 構建“菜單式”實踐教學立體訓練體系[J].繼續教育研究，2010(9):162-163.

TAN Yu-fei, JIANG Bao-cheng, ZHAO Jin-hui. Combining research and teaching building ‘menu-style’ practice teaching three-dimensional training system[J]. Continue Education Research, 2010(9):162-163.

[9] 王 虹，李 鶯，馮 航，等. 遺傳學綜合實驗的教學改革實踐[J].生物學雜志,2009,26(4):89-92.

WANG Hong, LI Ying, FENG Hang,etal. Practice teaching reform of integrated genetics experiment[J]. Journal of Biology, 2009,26(4):89-92.

[10] 付彩霞. 開設醫用化學設計性實驗 培養學生的綜合能力[J].實驗室科學,2010,13(4):4-5.

FU Cai-xia. The traning of student’s comprehensive ability by opening the medical chemistry designing experiment[J]. Laboratory Science, 2010,13(4):4-5.

[11] 張躍華，李佳琳，牛佳田，等. 生化實驗教學中應注重學生能力的培養[J].生物學雜志,2007,24(3):73-74.

ZHANG Yue-hua, LI Jia-lin, NIU Jia-tian,etal. Biochemical experiments teaching should focus on students’ abilities[J]. Journal of Biology, 2007, 24(3):73-74.

[12] 錢 潔，石嘉豪，費 儉. 模擬科研情境開展研究型實驗教學[J].實驗室研究與探索，2010，29(1):132-134.

QIAN Jie, SHI Jia-hao, Fei Jian. Investigation of research-oriented experimental teaching under a simulated researching environment[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(1): 132-134.

[13] 馬金柱，王彥杰，王兆艷. 高校生物類實驗教學的思考[J].黑龍江教育(高教研究與評估),2013(7):25-26.

MA Jin-zhu, WANG Yan-jie, WANG Zhao-yan. Biological experimental teaching at university[J]. Heilongjiang Education(Higher Educational Research and Evalution), 2013(7):25-26.

[14] 張海芳.新課程理念下化學實驗教學內容和方式的選擇[J].實驗教學與儀器,2004(9):12-13.

ZHANG Hai-fang. New curriculum chemistry experiment teaching content and mode selection[J]. Experiment Teaching and Apparatus, 2004(9):12-13.

[15] 徐 寧，牟建明. 實驗室全方位開放形式的探討[J].實驗技術與管理2007,24(12):159-160.

XU Ning, MOU Jian-ming. Discussion on the opening form of laboratories in all aspects[J]. Experimental Technology and Management, 2007,24(12):159-160.