細胞生物學綜合性實驗的教學設計與應用

覃永華+徐鑫+余光輝+唐仙英+程旺元

摘要：細胞生物學是生命科學類的核心專業基礎課程，實驗教學是培養學生基本實驗技能和創新思維的重要平臺。本文立足于提高細胞生物學實驗教學質量和效果，針對現行實驗教學的弊端，從教學內容、教學模式等方面探索開放式、研究型的綜合性實驗教學，引導學生進行探究性學習，激發學生自主學習和探索的動機來調動學生自身參與知識建構的主動性和創新性。

關鍵詞：細胞生物學實驗；綜合性實驗；研究性實驗；開放教學

細胞生物學作為生命科學中的一門重點學科，其實驗教學在課程教學中起著舉足輕重的作用，不僅有助于學生對細胞生物學中重要知識點的學習和理解，同時對培養學生的細胞學實驗技能與創新思維起至關重要的作用。但現行的實驗教學由于諸多因素很難行之有效，主要表現在以下兩點：第一，單一的實驗教學枯燥，很難讓學生積極主動地去學習；第二，實驗內容簡單過時，基本上是驗證性實驗，缺乏綜合性、設計性。在實驗教學中開展綜合性實驗內容、實行開放式管理的創新實驗教學模式是高等教育培養創新人才、實現素質教育目標的重要途徑，也是為學科專業競賽提供人才、為教師科研提供助手的重要途徑。為了更好地發揮綜合性實驗的教學特色，教師要以培養學生的創新意識為主，鼓勵學生探索知識，提高學生的整體素質。筆者針對細胞生物學綜合性實驗的安排和實施、存在的問題和解決方案等環節進行一定的探索，以期探索一套開放式、研究型的綜合性實驗教學模式。

一、開放式、研究型的綜合性實驗教學模式

1研究型教學內容的安排

細胞生物學作為生物學的專業基礎課，實驗教學的開設與之相輔相成，是對理論教學的重要補充和鞏固。在以往的教學中，由于實驗條件等硬件設備的限制，實驗課程的開設局限于顯微觀察等較為簡單的內容。對于那些推動細胞生物學快速發展的新技術、新方法，特別是在現今實驗室廣泛采用的實驗技術等，由于實驗教學平臺的不足而導致綜合性實驗無法開設，客觀上造成了學生在實驗課堂上僅能學到較為簡單的實驗操作，而對先進技術方法的認識和理解停留在書面上，造成實驗教學與理論教學的脫節。

細胞生物學作為生物學的專業基礎課，實驗教學的開設應與理論教學相輔相成，并作為理論教學的有力補充和鞏固。我校細胞生物學的理論課往往在大二第一學期，學生剛剛接觸專業課，并且生物學相關知識和實驗技能缺乏，甚至連顯微鏡的基本操作都不熟練。因此，綜合實驗的開設應建立在基礎實驗的基礎上，而且不能脫離學生對理論知識的理解。

基于上述相關情況，筆者在細胞生物學實驗教學后期針對不同專業提供一系列相關的綜合性實驗，教師可以針對學生的不同興趣來制訂實驗方案；學生則可以自由模擬實驗的內容和方案；實驗中的缺點和漏洞必須由教師指點后，方可開展。綜合性實驗開設在課程后期，具體完成由學生自由支配時間，在學院實驗室內完成實驗。比如，基于水稻原生質體轉化的亞細胞實驗。原生質體轉化實驗在各實驗室里廣泛應用，已成為一種非常重要的細胞生物學類實驗技術，但由于該實驗操作時間長而且實驗教學不具備熒光共聚焦顯微鏡平臺等局限，導致此類實驗很難在實驗課上開設。但是，這些條件可以在科研實驗室內得到滿足，因此，綜合性實驗的開設首先從地點上由傳統的實驗教學平臺轉移到科研實驗室。水稻原生質體轉化實驗是依賴纖維素酶進行酶解水稻幼苗分離原生質體，后續利用PEG將外源片段轉入原生質體15～20小時，觀察熒光蛋白在原生質體中的表達情況。該實驗的重點是如何增加外源片段的轉化效率，其影響因素很多，包括培養的幼苗生長狀態、選取的幼苗部位、纖維素酶酶解時間、PEG濃度以及轉化時間等。這些影響因子能夠給予學生更多的思考空間，使原本枯燥、簡單、機械的實驗操作變得更具有研究性，能夠很好地激發學生的創造性思維，利于培養學生分析問題、解決問題的能力。另外，外源片段的選取來自于已經報道的融合熒光蛋白的各類細胞器標志性蛋白，如內質網、細胞核和質膜等，最終通過熒光蛋白的觀察可以更形象地幫助學生認識植物細胞中各種細胞器的形態。本實驗跟理論課中介紹的細胞培養、細胞轉化、熒光蛋白標記和細胞器結構等知識點有機地聯系在一起，更深刻地加深學生對理論知識的理解。

2教學內容的實施

（1）課前準備。綜合性實驗的開設應基于過硬的基本技能和扎實的理論知識，不能忽視學生的接受能力，一味地追求創新性、研究性試驗的開設而放棄基本技能的培養，因此，綜合性試驗開設應基于一些基本實驗，如顯微操作和細胞培養等。同時，實驗課內容的選取也應與理論課的開設保持一致，這樣既能避免知識的重復講述浪費時間，也有利于學生對實驗內容的更好理解，增強實驗課的實驗質量和課堂效果。同時，針對學生對綜合性實驗相關理論與技術上的欠缺，一方面，教師可以加強學生的課前預習，針對實驗內容督促學生加強文獻閱讀，根據自身情況制訂具體的實驗方案，并提前準備實驗材料和試劑；另一方面，教師可以充分利用多媒體教學手段，制作規范的操作視頻，并在課前展示給學生，直觀生動地闡述實驗難點。這樣既有助于提高學生的實驗積極性，還能增大課堂教學的信息量，提高課堂效率，為開放式實驗模式的順利采用打下基礎。

（2）實驗分組。為了既能培養學生的獨立思維能力，又使其具有相互協作的團隊精神，要求每4～5個學生為一組。教師按照學生擬定的實驗計劃充分提供實驗試劑和操作平臺，最大限度地給學生創造實驗操作機會，爭取每一個實驗環節都由學生親自動手，包括課前實驗試劑的配制和實驗材料的準備，充分鍛煉學生的動手能力。

（3）實驗操作。綜合性實驗在科研實驗室中的開設是開放式的。實驗開始時，學生自己動手，依靠教師的機會減少；教師也不能像平時上課一樣隨時指點學生，因此學生自己動手創新的時間增多，以此來看，實驗式教學的效果有效。學生的實驗操作規范是否正確，直接影響實驗教學質量和教學效果。針對上述問題，除了課前多媒體教學視頻的示范，實驗室中的研究生會為學生及時提供技術支持和實驗安全監督，保證實驗的順利進行。

3課后反饋

實驗結束后，實驗結果的總結和實驗方法的優化是綜合性實驗開設的重要環節，是研究性實驗的重要體現。由于各種因素的影響，各組實驗效果不盡一致，甚至會因某些實驗環節考慮不周、操作不當而導致實驗失敗，比如，在溶液配置過程中，僅僅考慮了融合劑的濃度而容易忽視溶液PH值的調節，影響質粒的轉化效率而導致實驗效果均不理想；還有沒有考慮水稻幼苗的生長狀態，導致分離的水稻原生質體狀態不佳影響實驗效果，等等。而通過實驗課后的分析和總結對實驗設計的優化，不僅使學生了解到科研實驗的基本流程，同時也培養了學生嚴謹的實驗態度和思考分析問題的能力。學生對這種能使自己主動實驗的課程持歡迎態度，實驗效果得到極大的提高。

二、結論

筆者利用正常教學周的周末在個別班級探索性地進行開放性、研究型的綜合實驗教學模式的摸索，在內容上體現從單一實驗到研究性實驗的漸進，從教學方式上體現從常規教學到半開放教學的轉變，以期在教學目標上達到訓練基本技能與基本理論到綜合實驗能力、創新實驗能力與素質的提高，取得了一致好評。多名學生因為綜合性實驗的吸引對生物學實驗產生濃厚的實驗興趣，他們在上好課的前提下利用課余時間主動加入本課題組中參與更深入的科學研究，并獲得了國家、省和校級創新課題的資助，且所參與的課題部分取得了不錯的進展。最令人欣慰的是，學生并沒有因為花費大量時間在實驗室而影響課程的學習，他們每年幾乎都能獲得國家等各級獎學金，多人被保送到著名大學和科研院所，并獲得導師的好評。

開放性、研究型細胞生物學實驗教學體系相對于傳統實驗教學模式，在教學模式和教學理念方面都有所改進，但隨著細胞生物學學科的發展及實驗條件的改善，筆者認為還可以從以下幾個方面進一步完善這一教學體系：第一，緊跟細胞生物學學科前沿，密切聯系科研技術，逐步更新完善實驗內容。例如：細胞轉化實驗可以同時提供煙草表皮細胞農桿菌注射、洋蔥表皮細胞基因槍法以及水稻原生質體法等試驗方法供學生選擇，比較各種方法的實驗效果并進行相關改進等。第二，合理加大設計實驗在日常教學中的比例。遵循“通”與“專”結合，充分尊重個人專業興趣，盡可能為感興趣的學生提供進一步訓練的實驗條件，充分調動學生的主觀能動性和實驗積極性，挖掘學生潛能及創造力。

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