生物類本科生綜合實驗設計與實踐的探索

韓宏巖， 許維岸

(蘇州大學基礎醫學與生物科學學院，江蘇蘇州 215123)

0 引言

隨著當今國民經濟持續發展的人口、環境、糧食、能源等全球性問題日益突出。國內外眾多科學家預測，生物科學將是21世紀的領先學科之一，對生命之迷的探索一直吸引著一大批有志學生投身于生物科學研究領域。高等院校的實驗教學是實現創新人才培養目標的重要教學環節，能夠鍛煉大學生科學思維方式和科研探索能力，提高他們綜合分析問題和解決問題的能力，對培養創新型人才具有重要意義［1-4］。

生物類課程具有很強的實踐性，各分支學科相互間緊密交叉。有關生物科學的研究已不再囿于早期以觀察、描述性手段研究生物體和生命現象，而是運用多學科交叉與融合形成的各種實驗技術，通過實驗設計和操作，邁入探索和發現生命奧秘的階段。傳統的生物實驗教學方式是教師準備好實驗所需的一切材料，講清楚實驗步驟，有時還做演示實驗。學生只要按照教師設計好的實驗內容與步驟做就可以了。這樣長此以往就會造成學生被動地應付，完成實驗報告，忽視對實驗現象、結果的深入思考，不能充分發揮學生主觀能動性。這種以教師為中心的“傳授式”實驗教學不利于學生獨立思考、自主創新能力的培養，更容易導致學生失去對生物科學實驗的興趣，最終會造成碰到問題往往束手無策，缺乏應變能力。教師也很難客觀地評定學生的實驗成績。因此，實驗教學方法的改革對于提高整個實驗課程體系效果非常重要。以往的生物實驗教學多以驗證性的、孤立的基礎實驗為主，缺少學生主動參與的設計性和綜合性實驗，這對于提高學生對知識的綜合運用能力非常有限。鑒于上述存在問題，我國各高校紛紛開設綜合性實驗、設計性實驗和研究性實驗，進行一系列研究和探索，并取得可喜成績［5-12］。因此，針對如何對提高學生的動手能力和創新意識是當前實驗教學改革的總體趨勢。

為適應生物類專業大類招生，近年來，蘇州大學基礎醫學與生物科學學院進行一系列生物實驗教學改革，配套出版了生物學實驗指導叢書，除了基礎性和驗證性實驗以外，還包括“生物學綜合實驗指導”［13］。因此，生物綜合實驗課的開設目的旨在提高學生對生物學專業知識實踐應用的能力，以及獨立思考、自主創新的能力。

1 科學安排綜合實驗時間與學生分組

在進行綜合實驗時，要求學生具有較全面的生物學專業基礎知識。因此，開設生物綜合性實驗必須符合學生的認知規律，有一個循序漸進的過程。為體現生物實驗教學的連續性和專業課程之間的銜接，在學生修完基礎性和驗證性實驗教學之后，將綜合性實驗安排在第3學年的第2學期后期并集中在連續6周時間內完成。針對綜合實驗課程特點，實行全天開放性實驗教學，這樣既可以排除其他教學任務的干擾，也有利于學生有充足的時間和精力完成實驗，并能讓學生在這樣的集中訓練中體會到科學研究中時間統籌規劃的重要性，建立他們的科學利用時間的觀念。通過綜合實驗的集中訓練使學生對如何開展科學研究有一定的理解，在實踐操作中鍛煉學生獨立自主地開展實驗研究，為學生即將在第四學年進入畢業設計提前做好準備。實驗小組由學生根據自己的興趣和愛好進行自由組合，通常安排3～5名學生為一組。這樣的分組方式既能充分利用現有的各種實驗教學資源，最大限度地鍛煉學生的獨立實驗能力，又能很好地訓練學生相互協調配合的團結合作精神。

2 實驗內容與教師科研方向和生產實踐結合

2.1 實驗內容與教師科研方向相結合

綜合實驗選題從教師的科研領域進行篩選，以科研成果充實教學內容。實驗題目的選擇根據學生的興趣和特長，由實驗小組自己決定選題。實驗內容涉及動物生物學、植物生物學、微生物學、生物化學與分子生物學和細胞生物學等領域的實踐操作，共選編了24個綜合性實驗課題，涵蓋生物化學、生理學、酶學、分子生物學、細胞生物學、酶工程和基因工程等方面。每個實驗題目之下含有許多小問題，再根據具體要解決的小問題分為若干小實驗。例如，“動物不同組織器官胰蛋白酶性質的比較”、“蝦精氨酸激酶基因的全長cDNA克隆和序列分析”、“綠豆超氧化物歧化酶的分離、純化和純度鑒定”、“α-淀粉酶的分離純化及特性分析”、“趨化因子受體CCR5的真核表達”和“小鼠卵母細胞減數分裂及微管動態的分析”等等。在選題時教師充分考慮到題目所涉及的各種實驗技術原理、方法和手段，優先采用學生在以往學習中已經了解和掌握專業知識和實驗技術，目的是鍛煉學生如何靈活運用這些實驗原理和技術去解決具體問題。在實驗過程中，從試劑選擇、溶液配置、儀器操作乃至結果處理均由學生親自操作，并做好實驗記錄，以備教師查閱和分析總結。充分發揮學生在實踐操作中主觀能動性，旨在讓學生全面理解和體會實施一項科研活動所經歷的主要過程，提高和鍛煉科研素養。

3 實驗內容與解決生產實際相結合

為體現生物專業具有較強應用性和實用性特點，在生物綜合實驗內容中增添了一些與生產實際聯系密切的生物實驗技術。例如，“環境條件對分批發酵的影響及其控制”、“發酵類食品的制作與分析”、“工業微生物菌種的選育”和“雙水相萃取技術及其應用”等等。這樣選題既能使學生學以致用，形成可能具有實用價值的科研成果，又能提高學生將理論知識與生產實際相結合的能力，激勵學生不斷學習和探索，有助于學生與將來可能就業的崗位更好地銜接。

4 以學生為主、實驗教師為輔的實驗教學模式

實驗的構思與設計是關系到能否順利完成實驗目標的關鍵。“所謂構思，就是實驗設計，它是實驗準備階段的另一項十分重要的工作”［14］。正如英國科學家貝弗里奇所指出，“最有成就的實驗家常常是這樣的人:他們事先對實驗課題加以周密思考，并將課題分成若干關鍵的問題，然后精心設計為這些問題提供答案的實驗”［15］。綜合實驗課設計的合理性和系統性對于學生實驗綜合能力的培養起著十分關鍵的作用。在設計生物實驗過程中，緊緊圍繞實驗設計的“三要素”，即實驗對象、實驗因素和實驗效應為主線，教師引導學生開展自主設計實驗方案。首先，提出要探究的生物現象和問題，明確要解決什么問題，確立實驗目標。例如，“環境因素對雞胚胎發育及子代高級認知功能有何影響?”、“不同月齡小鼠心臟谷胱甘肽代謝是如何變化的?”、“檢測哪些生理生化指標能夠揭示植物體氮代謝變化?”以及“如何采用農桿菌介導進行研究煙草的遺傳轉化”等等。其次，要求學生自己動手查閱資料，利用已經掌握的理論知識和實驗技術手段，擬定技術路線流程圖，并對技術路線的科學性和合理性以師生互動的方式加以論證。最后，采用以學生為主與教師為輔相結合方法，制定詳細的實驗實施方案和具體實驗操作步驟。在此過程中，提倡和鼓勵學生多思多問，充分調動學生主動探究的積極性和想象力，對擬采用的關鍵實驗技術方法、實驗要求的條件、對實驗結果有顯著影響的因素進行研究探討，對預期的實驗結果進行預判，實驗具體操作之前使學生做到心中有數。

在綜合實驗課中教師不講述具體的實驗步驟，只強調實驗過程中的關鍵注意事項，教師深入到每一實驗小組去觀察、指導學生的每一個動手、操作方法、規范程度等，發現問題及時糾正，切實保證每個學生實驗基本功達標。通過學生自行設計實驗方案，培養了學生收集信息、分析問題、解決問題的能力，促進了學生對專業理論知識的綜合運用，活躍了學生的思維。在實驗設計和操作過程中，學生始終是實驗活動的主體，充分發揮主觀能動性和創造性;教師給學生提供較寬闊的思維空間和選擇余地，使學生獨立解決實際問題的能力和創新能力得到提高。對實驗中發現的問題通過教師與學生直接交流，營造了良好的師生互動的教學氛圍，為學生充分發揮創造力提供了條件，拓展了學生視野，這一過程對于培養和提高學生的創新意識不可或缺。

在綜合實驗教學中，教師的輔助作用就在于全程跟蹤學生的實驗進程，進行有效地監督與指導。在實驗具體實施過程中學生往往會碰到各種問題，教師采取集中講評與個別輔導相結合的方法進行解答。對于學生中出現的共性問題集中進行交流與解答，而對于個別學生遇到的問題，則先讓學生思考為什么會產生該現象，要求學生自己分析，并提出解決的辦法。教師在分析總結學生意見的基礎上，提出改進的建議和措施，并與學生共同商討制定解決問題的辦法。因此，通過以學生為主、教師為輔的綜合實驗教學模式，可以培養學生獨立思考的能力，促進組員之間密切協作，并在發現問題、分析問題和解決問題的過程中不斷積累經驗、提高實驗技能和創新意識，以適應社會對創新型人才的需求。

5 建立科學學生成績的評價體系

5.1 學生提交書面紙質材料和采取學術報告形式

學生將獲得的實驗數據進行生物統計處理，以圖表展現實驗結果，按照論文的格式，以小論文的形式提交書面實驗報告。最終要求學生完成一篇字數在3 500字左右的課程論文，具體的論文題目根據實驗內容自擬，主要參考文獻不能少于15篇。在課程論文中要求學生充分展示實驗設計步驟和實驗結果，并對實驗過程中出現的結果和各種問題進行討論與分析。這樣可以反映出學生在實驗過程中的得與失，使學生能夠合理地進行自我分析和自我評價，目的是不斷總結經驗，提高實驗技能。該階段有助于鍛煉學生的實驗數據整理和寫作能力。通過規范的實驗報告寫作，一方面可以訓練學生的書面文字表達能力;另一方面，在撰寫報告的過程中，可以促使學生查閱更多國內外相關文獻資料，提高其專業學術水平。

各實驗組學生自己制作幻燈片(PPT)，集中演示匯報實驗結果，每組規定15 min匯報時間。口頭匯報能夠鍛煉學生的口頭表達能力、邏輯思維的嚴密性和對實驗結果的理解力。另外安排10 min的答辯時間，通過學生與學生、學生與教師之間的互動問答，增強了學生對知識探討的熱情，鍛煉了學生的應變思維和口頭表達能力，有利于提升學生的科學素養。

5.2 教師進行綜合性成績考核

由于時間和條件的限制，每個學生不可能將綜合實驗的所有題目都親自做一遍。為了充分利用教學資源，使學生能夠相互學習，擴大知識面，在實驗結果匯報全部結束后，教師對每組的實驗報告進行集中講評，目的是讓各組學生了解各個實驗組實驗的優點和不足，以促進各組之間的廣泛交流，達到取長補短的教學效果。

鑒于生物綜合實驗采取獨立設課和獨立考核成績的辦法，教師對學生實驗成績評判采取常規日常考核和技能考核相結合辦法，具體根據以下幾方面進行綜合成績評定:出勤率占10%(包括學習態度和主動性)、實驗操作的規范性、對儀器使用的熟練程度占15%;實驗數據的可靠性占20%;實驗報告的規范性、實驗結果分析的科學與合理性占20%;實驗過程中分析問題、解決問題的能力占30%;日常實驗室衛生保持與整理情況等占5%。成績考核綜合性采用教師與實驗管理人員評價相結合，平時實驗審核與最后結果評定相結合，這樣有利于教師更好的監督、管理實驗過程，全面考核學生的綜合素質。

6 結語

“授人予魚，不如授人予漁”，培養學生自主創新能力是學校培養學生永恒的主題。一個生物科研課題往往要用多門學科知識，多角度全方位進行探討和研究，所做實驗幾乎都具有綜合性。綜合性實驗既要將傳統的模仿型、驗證性實驗向研究型、創新性實驗轉變，培養學生創新能力，又要將被動地填鴨式的舊教學模式向主動地興趣化的新教學模式轉化，培養學生學習興趣和探索科學的強烈欲望。面對當今多學科交叉與滲透，生物科學的理論和實驗技術突飛猛進地發展的時代，深刻地影響著生物科學的研究思維模式和工作方式。特別是國家發展改革委員會在生物產業發展“十一五”規劃中明確指出:要加快發展生物醫藥、生物農業、生物能源、生物制造、生物環保，保護特有生物資源，保障生物安全，使生物產業成為國民經濟新的增長點，并為發展成為國民經濟的主導產業奠定堅實基礎［16］。因此，對教師提出了更高的要求，既要儲備豐富的業務知識，又要理論聯系生產實踐，要對實驗教學模式和相應的實驗管理模式進行不斷探索與改進，這是一個長期的教學相長和經驗不斷積累的探索過程。因此，除了要繼續深入探索生物綜合實驗教學理念、創新意識和實驗技能互相整合的機制外，還要優化與之配套的實驗室管理模式，這樣才能可持續地推進生物綜合實驗改革與發展，充分發揮生物綜合實驗在創新型人才培養中的地位和作用。

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