基礎生物技術大實驗教學體系的整合與創新*

◆彭燕飛 韓寶芹 姜明

作者：彭燕飛，通訊作者，中國海洋大學海洋生命學院副教授，理學博士，主要研究方向為糖復合物構效；韓寶芹，中國海洋大學海洋生命學院教授，主要研究方向為生物醫用材料；姜明，中國海洋大學海洋生命學院高級工程師，主要研究方向為組織與細胞超微結構（266003）。

培養創新人才是高等教育面臨的具有劃時代意義的主題，目前國外研究型大學都不同程度地整合教育資源，建構以研究為本的教育理念和教育模式[1]。基礎生物技術大實驗是一門面向生物科學專業高年級學生的必修課程。該課程以教授生物學基礎實驗技術為主，介紹生物體在形態學和功能方面的基礎研究方法，并為在顯微鏡下有效地觀察生物體提供適當的標本。通過本課程的學習，學生能以顯微鏡為主要研究工具，在細胞和亞細胞水平上研究生物的形態、結構、功能并加以討論分析。由于課程實用性強，實驗內容設置新穎，實驗題材廣泛，動手機會多，一直以來學生學習興趣非常濃厚。

近年來新的教學計劃使本課程的實驗課時嚴重壓縮，尤其是在生命科學研究技術迅猛發展、對生命科學研究創新型人才迫切需求等時代背景下，課程的實驗教學也面臨一些問題及挑戰[2-3]。

1）實驗內容不能完全適應學科發展。傳統的實驗教學內容主要圍繞“動植物組織器官石蠟切片的制作與觀察”這一基礎性實驗展開，內容相對貧乏簡單，缺乏與本學科發展前沿的聯系與融合，研究創新性不強。

2）教學模式單一。傳統實驗教學中，由于實驗人數、實驗場地、實驗室安全管理等因素的限制，相對固定了每次課的實驗內容。

3）“灌輸”式的教學方法。為使學生扎實掌握切片制作的相關操作，傳統的實驗教學方法基本上以灌輸為主，教師上實驗課時會對實驗內容進行詳細講解、示范操作，學生因此會習慣性地按照教師的講解，遵循實驗指導書設計好的步驟簡單重復。

4）考核制度不完善。僅僅根據實驗報告來評定實驗成績，不能體現實驗中的其他幾個階段，如實驗預習與準備、實驗過程、科學素養等方面的考核。

面對這些問題，指導教師在課程的實驗教學中，積極轉變觀念、改革創新，在課程教學內容的整合與優化、新型教育教學方法和模式的摸索、科學考核體系的建立等方面進行了研究，以期為研究型和創新型人才培養提供必要條件。

1 綜合創新教學內容

著眼于學科發展實時更新 在保留經典實驗的基礎上，增加具有時代性和實用性的實驗內容。石蠟切片制作已有100多年的發展歷史，技術非常成熟，但由于其制作周期長、步驟繁瑣、影響因素多，初學者很難掌握。因此，很多學生懷疑：現在的大學還要學這種古老的技術嗎？事實上這種切片制作技術并不過時，它依然是科學界進行生物組織細胞的形態學和組織化學研究的有力工具，也是其他切片技術發展的根基。所以在本實驗課程的教學中，保留了這部分實驗內容并且要求學生熟練掌握。

其他的切片制作技術如冰凍切片，因其制作簡便快捷，對細胞內成分保存好，應用日益廣泛；超薄切片是研究生物體超微結構與形態極為重要的媒介。因此在教學內容的設置上，既含有傳統的、基礎性的石蠟切片制作，同時安排了冰凍切片制作和常規電鏡制片的實驗。

顯微鏡的結構與使用部分則重點進行相差和熒光顯微鏡、基于CCD的數碼顯微照相的學習，真正體現了課程“基礎與先進、經典與現代”的特色。

深入整合實驗內容 將實驗內容進行重新改造和創新，使“注重素質培養和能力提高”的教學理念切實貫徹到教學過程中去，同時將培養單一技能的驗證性實驗科學整合為系統化的綜合性實驗[4]。實驗“冰凍切片制作與觀察”就不只是簡單地了解冰凍切片機的操作與使用，而是綜合探討不同實驗條件（如組織冰凍方式、操作溫度、切片固定劑、染色等）對組織結構形態以及組織標志物表達的影響，多角度地啟發學生學習的意識和興趣，也使學生能真正地全面地掌握冰凍切片的制作這一技能。

在“熒光顯微鏡的使用與觀察”這一實驗中，針對學生的基礎與興趣點，一改以往教師提供玻片、學生鏡下觀察的模式，延伸為包括細胞培養、細胞爬片制作、相差顯微鏡觀察、吖啶橙染色、熒光顯微鏡觀察及細胞形態分析等內容的綜合性實驗。這些設計使學生在掌握基本技能的前提下，創新意識和綜合實驗能力得到鍛煉，綜合素質得以提高。

開展研究創新型實驗 本門課程的授課對象是大學本科高年級學生，他們相對來講已經有了較好的基礎理論知識和基本實驗技能的積累，同時學有余力且思維活躍。因此，本課程也鼓勵學生選擇自己感興趣的、跟本課程相關的生物學問題進行研究。學生通常以2～3人組成小組，查閱資料、確定研究內容并設計實驗方案。教師首先根據學生實際能力、研究內容的現實意義和實驗室條件等評價并最終完善設計方案，再在實驗過程中引導其正確使用相關實驗技術。通過設計性實驗，學生不斷發現問題和解決問題，鍛煉培養自己的創新精神和科研能力。

在“動植物組織器官石蠟切片制作與觀察”這一部分，首先啟發學生石蠟切片不僅是用來觀察組織器官的一般形態，更重要的是借此了解組織細胞的活動規律及其變化過程。很多學生都給出了好的設計，如“陰生植物及陽生植物營養器官結構比較”“不同食性淡水魚類的肝臟組織結構比較研究”等實驗均取得預期實驗結果。

經過幾年的課程建設，如今這門實驗課程已具備了基于生物顯微技術較為完備的實驗項目設置，具體包括：1）相差顯微鏡與熒光顯微鏡的結構與觀察（綜合性）；2）動植物組織的石蠟切片制作與觀察（自主創新設計）；3）冰凍切片的制作與觀察（結合實驗一自主設計）；4）電鏡制片技術（實地觀摩）。綜合設計性實驗項目為提高學生基本實驗技能、培養學生科研興趣和養成良好科研素質提供了寶貴機會。

2 改革實驗教學方法和手段

本課程的實驗內容在經過上述整合和優化后，傳統的灌輸式教學方法和以教師為主體的教學模式已不能適應綜合性和創新性實驗的要求，迫切需要針對實驗內容和學生對象實行靈活多樣的教學方法。

分層次教學法 根據實驗項目的性質確定不同層次的教學方法[5]。本課程主要包含綜合性和自主設計性實驗，實驗目的不同，相應的教學方法也有所不同。綜合性實驗最大的特點是將多種基礎知識和基本實驗技能有機結合，具有實驗內容綜合、實驗方法綜合和實驗手段綜合的內涵。因此，實驗中當涉及基本實驗技能的培訓時，指導教師要詳細講解、親自示范、從旁指導，確保學生準確掌握；而在綜合實驗階段，則要求學生獨立進行實驗操作，教師分階段進行指導。

設計性實驗是根據指定的學習目標，自主設計實驗方案，確定具體研究方法，自主進行實驗操作，分析討論實驗結果并得出結論。這種以學生為主體的創新實驗教學模式，調動了學生的主動性、積極性和創造性，同時培養了學生的團隊協作精神。創新設計性實驗首先要求教師透徹了解相關學生的知識背景和對實驗設計方案中涉及的基本實驗技能的掌握程度，以及學生的科研素質等，科學把關，以形成切實可行的具體實驗方案，并在實驗的各個階段進行指導，確保實驗順利進行。

比如在“動植物組織器官的石蠟切片制作與觀察”的自主設計實驗中，為達到預期實驗效果，指導教師首先結合實例講解如何進行實驗設計。在學生開展實驗前則要培訓學生熟練規范掌握石蠟切片制作全過程，并對設計方案中涉及的如試劑配制、實驗動物飼養、動物模型建立、實驗動物解剖、顯微鏡使用、顯微照相、組織細胞形態分析等其他實驗技能進行詳細指導，同時就實驗記錄、實驗結果分析與討論、實驗室安全管理等諸多科學素養進行規范和講解。可以看出，教師對于設計性實驗并不是“放手不管”，而是要實時跟進實驗的每一階段。

制作優質多媒體課件 在實驗教學中根據實驗目的與內容，制作優質的教學課件，有助于嚴格訓練學生的實驗操作，培養學生嚴謹的科學態度。同時課堂教授不應局限于實驗內容本身，而是把與實驗內容密切相關的知識點串起來傳授給學生，使學生建立一種立體的、多維的知識結構，培養他們的發散思維能力[6]。比如在講授組織固定這一操作時，教師除了演示浸泡固定，通過課件和視頻還展示了也較為常用的灌注固定方法；同時介紹不同于動物組織器官，植物組織的固定通常得輔以脫氣處理。這樣學生所學到的知識不再是孤立的，而是互相聯系的。

充分利用視頻資源 在實驗課的教學中，播放自己制作或通過網絡資源獲取的相關實驗技術的視頻資料，非常有利于實現成功實驗教學。視頻可以充實實驗課堂，拓寬學生視野[7]。在實驗課上相繼播放“石蠟切片制作與觀察”“冰凍切片機的使用”“免疫組化染色”“火棉膠切片制作”“熒光顯微鏡的結構與使用”等視頻。其中視頻“石蠟切片制作與觀察”展示了從動物取材到染色后顯微鏡觀察的切片制作全過程，使學生克服了制作石蠟切片繁瑣復雜且容易失敗的恐懼心理，同時激發了他們的學習熱情。

一些因實驗條件限制沒能開設的實驗，也可以通過播放視頻做些彌補。視頻“免疫組化染色”就補充了一種與課程實驗教學不同的操作方式——漂片法，避免學生形成思維定勢。可以看出，規范準確、直觀形象的視頻資源視頻，打破技術、空間、時間上的限制，能很好地調動學生學習的積極性，激發學生的創新思維。

3 建立科學合理的考核方法

實驗考核是檢驗實驗教學效果的有效手段，也是促進學生主動學習的一種激勵手段，建立科學的實驗考核方法至關重要。基于本課程以綜合設計性實驗為主的特點，建立和實施以基本操作技能和科研創新能力并重的多元實驗考核體系，重視對學生實驗過程中各個環節的評價以及對學生良好實驗素養的考察。

課程考核體系由以下幾部分組成。

平時成績 綜合性設計性實驗通常以小組形式進行，導致小組內部分學生過分依賴他人的現象頻發，教學效果大打折扣。平時成績主要考查學生的實驗出勤、實驗預習、課堂紀律、實驗室安全及衛生的維護等方面的表現，以客觀了解學生對待實驗課的態度，同時對于培養學生良好的實驗室工作習慣也至關重要。

實驗設計報告 綜合性設計性實驗要求學生圍繞實驗項目主題提出自己的問題，綜合運用已有實驗技術，查閱文獻資料自主設計實驗方案及技術路線，就實驗中的難點問題及可能的實驗結果進行描述。學生以小組為單位提交含有研究背景及目的、材料方法、實驗步驟、實驗預期結果、實驗難點及其解決辦法、參考文獻等內容的實驗設計報告。教師再對實驗設計報告進行評議，并將修改建議反饋給學生以形成切實可行的實驗方案。通過實驗設計報告的撰寫，學生能真正較全面地了解實驗中涉及的各項技術，其科學思維得到鍛煉。

因此，加入實驗設計能力考核，學生主動獲取知識的積極性得到提高，學生的綜合素質與科研創新能力得以增強。對實驗設計報告的評價中最重要的一點就是嚴禁學生原封不動照抄網絡文獻資料，要求學生要帶著問題查閱相關參考相關文獻，逐步形成完整的科研思路。

實驗實施過程評價 在綜合設計性實驗中，學生可能要經過多次預實驗才能獲得一個較好的實驗結果，甚至是付出更多，僅僅檢驗實驗結果而忽視實驗過程是不科學的，因此，客觀評價學生在實驗實施過程中的表現是課程考核體系的重要內容[8]。實驗實施過程評價包括實驗準備、材料采集、試劑配制、儀器使用、基本操作的規范掌握程度、發現問題解決問題的能力、實驗現象的觀察、原始實驗數據的記錄以及實驗素養等方面。教師通過對學生實驗過程的實時跟蹤和控制，學生的觀察能力、分析問題解決問題的能力、基本技能的學習能力、實事求是的科學素養、獨立思考與團隊合作意識均有大幅提高。

實驗報告 實驗過程結束后，要求學生以小組形式提交相關實驗報告或者實驗論文。實驗報告中必須包含實驗目的、實驗原理、實驗方法、實驗結果和討論等內容。依據實驗報告質量進行評價，如對實驗現象的描述是否真實生動，對實驗結果的分析討論是否正確深入等。重點考查學生能否正確規范地展現實驗結果，能否運用所學的知識分析和研究實驗所得結果，并總結出實驗中獲得的成功經驗或者失敗的原因。堅決杜絕實驗報告抄襲現象，只要小組間發現雷同的實驗報告，相關學生的課程成績均以零分計。

實驗總結和交流 實驗完成后，學生以小組為單位準備幻燈片，對各自的實驗進行總結和交流。分享實驗成果，學習實驗經驗，拓寬實驗視野。通過這一部分的考查，學生的綜合分析解決問題能力得到進一步提高，相關實驗技能得到進一步規范，語言表達能力也借此得到鍛煉。此外，學生在總結中針對實驗的設置、管理和實施等方面提出建設性的意見，可為指導教師以后更好地開展相關實驗提供借鑒和參考。

通過實驗考核方法的不斷改革，學生轉變了學習觀念，不再是等、觀、望、抄，而是更加積極主動地去學習，由此學生的動手能力、綜合思維能力均有了較大提高。

4 教學效果

課程教學體系經過近五年的不斷改革和創新，逐步趨于完善。在新教學體系下，學生的學習興趣濃厚、積極投入，小組各成員討論熱烈、分工明確、團結協作，能較好地完成小組既定實驗項目并取得預期實驗結果。尤其可貴的是，學生在實驗課結束后即能熟練運用在本課程中所學知識，為后續的本科畢業論文和科研工作提供新思路。學生自主設計方案、獨立完成實驗并取得較好的研究結果，深受其他教師好評。這些進步體現了學生對相關實驗技能的熟練掌握、較好的發現問題分析問題解決問題的能力以及科研思維和科研綜合素質的逐步養成。

從向學生發放的針對課程教學內容的設置、教學方法及手段的采用、評價體系的構建等方面的問卷調查中發現，學生普遍反映滿意。反映的問題集中在超薄切片制作及電鏡操作的實驗部分，約有15%的學生希望在這一部分有更多動手機會；其次是學生分組，在實驗條件允許下縮減小組人員至二人一組更為合適。

5 結語

創新型人才培養是現代高等教育的主要任務之一，實驗教學作為實踐教學的主要組成部分，已成為培養高素質創新型人才的重要環節。隨著高校實驗教學改革的不斷深入，實驗教學已成為培養學生創新科研能力的手段。在基礎生物技術大實驗課程教學體系的構建中，優化出一些綜合性強、創新性明顯、具有研究和探索性質的大實驗，真正體現實驗課程“基礎與先進、經典與現代”的特色。同時根據實驗性質和學生個體差異，采用分層次教學方法，借助多媒體、視頻和網絡輔助教學，并在此基礎上建立了完備的多元評價體系。這種新教學體系切實提高了學生的學習積極性和主動性，使學生受到科學研究的初步訓練，并具備良好的科學作風和科學素質，以及學生理論聯系實際、實事求是、獨立思考、團結協作、勇于創新的科學精神。教學團隊將在今后的教學工作中不斷思考和摸索，進一步改革和創新教學體系，以適應新時代對高素質生物學創新人才的培養要求。■

[1]胡戩.基于研究型理念的創新人才培養模式的探討[J].黑龍江高教研究,2012(1):19-21.

[2]高紹璞,陳彥,張震東.現代生物顯微技術的現狀與發展趨勢[J].安徽農業科學,2003(2):243-245.

[3]楊桂蘭,劉瑞,陳雙慧,等.在半開放生物實驗中培養學生的創造性思維[J].實驗技術與管理，2013(5):115-119.

[4]胡鑫,高梅,李紹軍,等.細胞生物學實驗教學改革探索[J].中國細胞生物學學報,2013(1):110-114.

[5]錢潔,房健民,陳志宏.生物技術專業綜合性和設計性實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2014(1):207-224.

[6]段鳳魁,余剛,黃俊,等.環境監測實驗課程教學環節與教學方法[J].實驗室研究與探索,2014(1):173-198.

[7]周莉,韓雪,楊海濤.應用型人才培養的土力學實驗教學模式改革與實踐[J].黑龍江高教研究,2014(3):168-170.

[8]李慧娟,崔志芳,韓秋霞,等.《現代生物技術》綜合設計性實驗教學模式的探討:以基因工程實驗為案例[J].輕工科技,2012(9):157-160.

[9]邢鳳蘭,王麗艷,劉紅霞.設計性實驗的指導思路[J].實驗室研究與探索,2010(7):264-266.