化學生物學專業實驗室創建實踐與體會

陳玉清, 邵文堯, 顏曉梅

(廈門大學 化學國家級實驗教學示范中心, 福建 廈門 361005)

20世紀后期,以生命科學、信息科學、材料科學為重要標志的科學技術革命飛速發展,學科領域不斷分化,呈現高度交叉和綜合發展的趨勢,新興、交叉、邊緣學科不斷涌現[1]。專業實驗室是實驗教學的重要基地,在新的形勢之下,也面臨著極大的挑戰。廈門大學化學生物學專業實驗室(以下簡稱化生實驗室)始建于2005年底,2006年9月起一直服務于相關專業的本科教學。化生實驗室除了一般教學實驗室的共性之外,還具有新興交叉學科所賦予的特性,這也給實驗室的建設提出了更高的要求。本文闡述了化生實驗室創建的實踐過程與體會,以求有益于相關教學實驗室的建設。

1 科學調研,創新觀念,合理構建化生實驗室藍圖

化生實驗室主要服務于化學生物學、化學、生物工程、材料科學等相關專業的本科教學,因新興交叉學科所賦予的特性,前期科學調研至關重要。化生實驗室建設前期,經調研,國內外沒有發現同類實驗室(本科教學實驗室)可供借鑒。此外,從事化學生物學相關研究的院校或研究機構之間研究基礎或方向差異較大,雖然有個別高校開始嘗試化學生物學專業本科生培養,但就其目標與規劃來說也存在較大差別。

為了做好調研工作,廈門大學化學化工學院成立了化生實驗室建設領導小組(以下簡稱小組),從三個層次進行了系統的調研。第一層次是廈門大學相關資源,一方面從學生培養計劃和教學計劃入手,與廣大師生進行廣泛的交流,全面了解學生的培養目標和專業基礎；另一方面結合學科發展方向,充分了解學校可利用的相關實驗教學平臺資源和學院相關教師的研究方向,掌握可開設實驗的大致方向。第二個層次是國內相關高校的現狀,首先小組于2006年初到中山大學進行實地考察與交流,同時對其他相關高校(清華大學、北京大學、北京師范大學、華中師范大學、南開大學等)進行詳細地網絡調研,比較全面地分析和了解各兄弟院校化學生物學的發展情況。第三個層次是國外高等院校相關資料,如哈佛大學、東北大學(美國)、多倫多大學等,該層次也以網絡調研為主,小組比較系統地了解到國外化學生物學的發展現狀。通過三個層次的科學調研,小組制定了專業實驗的開設方向,具體涵括3大模塊,即合成實驗模塊、分子生物學實驗模塊和專業特色實驗模塊；同時也合理地構建了專業實驗室藍圖,即在專業教學實驗室的基礎上,充分享用學院國家級化學實驗教學示范中心、化學生物學福建省重點實驗室和學院其他相關科研平臺的空間、硬件資源和師資力量,打破傳統教學實驗室的界限。

2 注重基礎,綜合提升,系統編寫教學大綱與教材

教學大綱是教學計劃中每一門課程的教學指導性文件,是進行教材編寫、組織教學、評估教學質量及考核學生學習效果的重要依據[2]。實驗教學大綱是高等學校實施實驗教學管理的最基本的教學文件,是組織和實施實驗教學過程中必須遵循的依據, 也是編寫實驗教材、指導書,組織實施實驗教學和實驗教學質量評估的依據[3]。緊密圍繞教學計劃和學生培養目標,結合以上制定的開設方向,堅持廈門大學化學生物學專業“注重基礎,強化交叉,加強實踐教學”的培養特色,小組系統科學地制定了“化學生物學綜合實驗教學大綱”,明確實驗課程的性質、目的與任務,確定實驗內容、學時安排和教學形式,同時也明確了教學實驗要求和實驗考核方式。大綱指出化學生物學綜合實驗為學科類方向性課程,是化學生物學專業重要的專業基礎課,旨在使學生加深對專業理論知識的理解,掌握化學生物學實驗的基本方法和實驗技能；培養學生科學的思維,提高學生對實驗中各種現象的觀察、分析、獨立思考和解決問題的能力。實驗項目以綜合性實驗為主,共96學時,3個學分。實驗注重過程培養和習慣養成,考核方式為考查,具體包括實驗操作(50%)、實驗結果(20%)和實驗報告(30%)。

教育部在2001年印發的《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》指出,教材的質量直接體現著高等教育和科學研究的發展水平,也直接影響本科教學的質量。2005年《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》再次強調,加強教材建設,確保高質量教材進課堂。可見教材建設至關重要。在教學大綱的指導下,小組認真編寫實驗教材。實驗項目以綜合性實驗為主,分為3大模塊。合成模塊主要是化學小分子的合成與表征,產物可用于其他兩個模塊的實驗；分子生物學模塊不僅是生物化學實驗的延伸,加強學生生物方面的實驗技能,同時也與專業特色實驗融會貫通；專業特色實驗主要結合課題組的研究方向,由相關老師針對學生精心設計,大大加深了學生對專業的認識,同時專業技能也得到了很好的訓練。

為了適應學科的飛速發展,多年來,結合化學生物學系的發展和實驗教學的經驗,對化學生物學綜合實驗進行了多次教學改革,對教學大綱與實驗教材進行了多次總結與修訂,實驗項目更新率超過50%,原有保留實驗項目也進行了修訂與完善。實踐表明,實驗教學大綱和實驗教材不僅滿足了化學生物學等相關專業的發展需要,形成了化學生物學系實驗教學的特色,取得了良好的教學效果,同時也得到了兄弟院校的認可。廈門大學化學化工學院化學生物學系建立了化學生物學平臺和化學生物學專業實驗室,開設的化學生物學綜合實驗包括以下幾個模塊:有機合成及表征模塊:2-氯-4-溴-苯胺的合成及有關化合物的分析鑒定；蛋白模塊:多酚氧化酶的制備、鑒定、性質及應用；核酸模塊:DNA 的提取、PCR、外源基因的轉化與表達；質譜模塊:電噴霧質譜研究小分子與蛋白質相互作用；細胞培養模塊:抗腫瘤藥物對腫瘤細胞殺傷作用的研究,值得其他學校借鑒[4]。

3 專業實驗室硬件建設

實驗室硬件建設是實驗教學的前提和重要保證。實驗室現代儀器設備在實驗室建設中起著其他因素無法取代的地位與作用,它有著與人才建設一樣的重要性[5]。硬件建設首先應該多渠道籌集建設經費,最初學院得到了教務處176萬元專項經費的支持,在建設過程中小組又爭取到了學院人才培養基地約50萬元的資金支持,從而保證了實驗室建設早期的資金需求。在經費支持的同時,學院也給予了200多m2的實驗室建設空間。至此,實驗室硬件建設可謂萬事俱備。在實驗室建設過程中,小組始終堅持“以學生為本,物盡其用,統籌規劃”的原則。根據擬定的實驗項目,小組對專業實驗室進行了合理規劃和系統建設,合成模塊主要享用學院化學實驗教學示范中心有機合成實驗室,部分專業特色實驗享用學院化學生物學儀器平臺和課題組科研實驗室資源,分子生物學模塊和部分專業特色實驗在專業實驗室開展。在實驗室系統建設的同時,小組進行了相關儀器設備的申購與安裝調試工作。新建的專業實驗室經費使用合理有效,既保證了常規儀器的數量,也購置了不少大型精密設備,滿足實驗室現代化教學的需求,同時,實驗空間也得到了大幅度拓展。

在后續的建設過程中,除了學校每年劃撥的本科教學經費之外,專業實驗室還得到了學院(30多萬元)和教育部本科教學修購專項(2013和2015兩年合計近50萬元)的大力支持,這些經費主要用于實驗室的硬件建設,不僅建成教學專用的細胞培養室,同時也對實驗設備進行了更新和添置。教育部、學校和院系的持續支持,保證了實驗室建設的可持續發展。

4 專業實驗室軟件建設

4.1 師資隊伍建設

建立一支有一定理論基礎、技術過硬、事業心強、熱愛本職工作、結構合理穩定的隊伍是實驗室建設與管理工作的基礎[6]。根據實驗室交叉學科開設實驗項目的特殊性——涵蓋面廣而且相輔相成,實驗室早期組織了一支由4位教授、1位副教授、1位講師和1位專職實驗師組成的師資隊伍。在后來持續的教學改革中,因實驗項目的調整,師資隊伍也進行了適當的調整。現在除了專職實驗師以外,其他教師都是教授或副教授,其中還有杰青獲得者。實驗室所有教師都來自不同的課題組(其中有一個院士課題組和兩個杰青課題組),研究背景迥異,有著豐富的科研經歷、教學經驗和飽滿的教學熱情。專職實驗師負責實驗室的日常管理工作和教學輔助工作,同時也是各實驗老師的溝通紐帶。正是這支合理穩定的師資隊伍保證了實驗室教學工作的順利開展。他們積極參與實驗教學改革,確保實驗教學的可持續發展。

4.2 實驗室管理體制與規章制度建設

實驗教學是整個教學工作的重要組成部分,如何才能做好實驗教學工作,關鍵是要有一個科學的實驗教學管理體系[7]。實驗室工作走向規范化、制度化、科學化是提高實驗教學質量的重要保障[8]。化生實驗室直屬于化學實驗教學示范中心,學校、學院和實驗中心多級完善的管理體制和規章制度是實驗室建立初期各項工作有條不紊開展的重要保障。伴隨著實驗室的不斷發展,根據實驗室交叉學科所賦予的特性,小組陸續制定了“化學生物學實驗室實驗室管理條例”“化學生物學實驗室實驗教學學生基本要求”和“學生實驗習慣成績評定標準”等,保證實驗教學的順利進行和教學質量的規范提升。此外,實驗室還制定了“科研人員進入實驗室條例”“化學生物學專業實驗室教學貴重儀器對外開放管理辦法”“化學生物學專業實驗室資產管理辦法”等,保證教學以外其他時間實驗室對外開放,有效提高儀器設備的利用率,大大增加實驗室的綜合效益。

在實驗室的管理過程中,專職教輔人員還研究了不同的質量管理體系及其在實驗室管理中的應用,如ISO9000、全面質量管理、6S、GLP等[9-11],結合不同實驗室的工作經歷(生命科學學院生物化學實驗室2個學期和化學化工學院無機化學基礎實驗室1個學期)和化生實驗室的具體實情,不斷加強和改進實驗室的工作,提升實驗室的管理水平。

4.3 網絡與信息化建設

教育部教學儀器研究所2010年6月3日關于舉辦“高校實驗室信息化建設與發展”研討會的函中指出:實驗室實施信息化建設,旨在借助現代信息技術優勢促進實驗室各項工作的全面建設和發展,建設的重點是要將原始的各種設備器材、資料、教學軟件及人員的管理和應用與先進的計算機技術、多媒體技術、網絡技術和科學的模擬仿真技術相結合,使基于傳統模式概念下的實驗室各項工作在現代信息理念和信息規范的引導下發生質的演變,實現實驗室工作的現代化、開放和高效。高校實驗室管理信息化建設旨在提高實驗室的教學質量、管理水平和服務水平,為實驗室主管部門的宏觀管理和科學決策提供依據,為實驗室的自身發展提供有利契機,為實驗室全面信息化提供有力保障[12]。可見,網絡與信息化建設是實驗室建設的戰略發展方向之一,因此,在建設實驗室的過程中,小組也十分重視網絡與信息化建設。首先,建立實驗室工作電子檔案,實現管理信息化。電子檔案包括實驗室建設檔案(師資隊伍、教學項目、儀器設備、實驗家具等)和管理檔案(經費管理、設備使用與維護情況、試劑耗材管理等)。信息化建設實現了實驗室管理的規范和高效。通過信息化建設,在橫向上,小組全面系統地了解實驗室的情況,更好地把握實驗室大局；在縱向上,通過歷年資料的比較,便于看清工作上的利弊,利于實驗室工作的高效開展和改進。其次,建立實驗室網絡,實現網絡教學,促進實驗室內外的交流,同時也促進了資源的共享,提高了實驗室資源利用率。再者,引進各種管理軟件,加強實驗室儀器設備、試劑耗材和教學經費等的管理,提高實驗室信息化管理水平。

5 結語

步入21世紀以來,科學技術日新月異,社會經濟高速發展,高等院校人才培養應該站在新的戰略高度,與時俱進。在嶄新的知識經濟時代,新興交叉學科專業實驗室將不斷涌現,實驗室的現代化、高起點建設勢在必行。

參考文獻(References)

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