微生物學實驗教學改革與探索

張穎 耿莉 劉佩勇 崔振波

摘 ?要：為了使學生扎實地掌握微生物學實驗基本技術和培養學生的科學思維和創新能力，在微生物學實驗教學中設置了基礎實驗和綜合實驗兩個部分。基礎實驗包括細菌、放線菌、霉菌和酵母四個模塊，在這一部分中學生主要學習使用微生物學實驗基本技術。為了幫助學生更快更好地掌握微生物學實驗技術，在基礎實驗的教學中通過錄制小視頻的方式充分發揮移動設備在輔助實驗教學中的作用。綜合實驗部分采用課題式教學，學生通過完成一個小的科研課題學習將微生物學實驗技術用于解決實際問題和開展科學研究。改革考核方式，提高實驗操作考核在成績評定中的比例。

關鍵詞：微生物學實驗;實驗模塊;課題式教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）18-0143-04

Abstract： To make students grasp primary microbiological technologies and develop scientific thinking and innovation capability of students， a basic experiment and general experiment were designed in microbiological experiment teaching. The basic experiment included bacteria， actinomyces， mould and yeast， and in this part students exercised primary microbiological technologies. In order to help students grasp primary microbiological technologies fast， mobile devices were used widely in aided teaching by recording teaching video. In the general experiment， project-based instruction was applied. Students applied primary microbiological technologies to solve practical problems and scientific investigation by completing a small scientific study. Also， the assessment for the course was improved by increasing the percent of experiment operation in the final score.

Keywords： microbiological experiment; experiment module; project-based instruction

一、存在問題

（一）教學內容分散，不利于學生科學思維養成

微生物學基本的實驗技術包括顯微鏡技術、細菌制片染色技術、培養基制作與高壓滅菌技術、微生物分離培養技術和微生物生理生化鑒定技術。以往的教學主要圍繞上述實驗技術開展，例如，在顯微鏡技術學習中，學生學習使用顯微鏡，并觀察大腸桿菌和金黃色葡萄球菌兩種細菌，在此基礎上學習微生物大小測定方法;在細菌制片染色技術學習中，同樣使用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌學習染色技術;在微生物生理生化鑒定實驗中，使用大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、普通變形桿菌和產氣腸桿菌學習了大分子水解實驗、糖發酵實驗和iMViC實驗在微生物鑒別中的應用。另外，在整個微生物學實驗課程中，學生觀察和認識的細菌僅有兩種（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌），放線菌（鏈霉菌）、霉菌和酵母也都僅有一種。總之，在以往的課程中，相對于種類極其多樣的微生物來說，學生認識的微生物種類太少，不利于學生建立微生物多樣化的認識。更重要的是，每個實驗內容之間相互分散獨立，不是連貫的實驗，導致學生不能將實驗目的、實驗內容和實驗技術聯系起來。最終，學生僅僅學習和掌握了某一實驗技術，但該實驗技術的適用對象以及在微生物研究中的功用都不清楚，因而對微生物學實驗技術不能形成系統的認識[2，3]。因此，分散獨立的實驗內容不利于學生科學思維的形成和創新能力培養。在原有的課程設置中水中總大腸菌群的測定實驗在一定程度上彌補上述缺陷，該實驗包括選擇性培養、觀察和鑒定總大腸菌群等幾部分內容，遵循了發現和培養、認識和鑒定微生物這一科學邏輯。另外，學生也可了解培養基以及其他實驗技術的功用。該實驗在一定程度上有利于培養學生的科學素養和邏輯思維能力，但在實際教學中存在大多數學生得不到充分鍛煉的問題。導致這個問題出現的原因在于，水中總大腸菌群測定的實驗是綜合性實驗，步驟較多，工作量大，需要3-4名學生協作完成。在實際的實驗操作中，學生就會自行對操作內容進行分工，每個學生分擔不同的內容，這樣每個學生只是完成了某一個環節的操作，因此不能保證每個學生都能從整體上深入理解實驗內容。甚至，缺乏主動性的學生完全不參與實驗。由于學生人數較多，教師不能有效對不參與實驗的學生進行督促。最后，課程中原有的教學內容與生活實際聯系較少，學生學習興趣不足，也是學生缺乏主觀能動性的原因之一。

（二）教學方法陳舊，不利于學生掌握扎實的實驗操作技術和激發學習興趣

傳統的實驗教學的核心是教師。教師和實驗技術人員在課前完成器皿、材料和菌種等準備工作，在課堂講解實驗目的、方法和原理，并示范相關的實驗操作，然后學生被動地照著做。在課堂上學生只是完成了一個驗證性的環節，這就導致學生不能從整體把握整個實驗過程，沒有通過連貫的實驗過程和思考，從而形成科學的邏輯。課程結束后考核的結果也表明，大多數學生已經遺忘了所學習的理論知識和實驗操作技術，這是學生被動學習的結果。

微生物學實驗是實踐性很強的課程，對于一種實驗技術，學生很難通過一次學習就能熟練掌握，需要反復強化練習。由于課時的原因，教師在課堂通常只示范操作一次，學生通常只有一次學習的機會。然而，只通過一次課程的學習，學生很難掌握操作要領。對于需要協作完成的大型綜合性實驗，動手積極性不高的學生可能連一次操作都沒完成。因此，教學質量不能得到保證。

（三）考核方式單一陳舊，學生缺乏學習的動力

以往考核方式是實驗報告成績，這種考核方式存在兩個問題：一是實驗報告主要記錄實驗結果，不能反映學生實驗技能掌握的情況;二是實驗報告存在抄襲情況且很難區分抄襲者，不能客觀區分學生在本門課程中的表現。因此，實驗報告成績不能實際反映學生的表現。更重要的是，通常情況下實驗報告成績很難出現成績不合格的情況，這就導致大多數學生學習積極性不足，缺乏主觀能動性，嚴重影響教學質量。

二、微生物實驗教學的改革探索與實踐

（一）實驗模塊教學

采用實驗模塊化教學可以實現相互獨立的實驗技術的整合，有助于學生了解和理解實驗技術在生產和科學實踐中的應用[4]。產蛋白酶和天然酵母的篩選、培養和鑒定等內容已用于模塊化教學[5，6]。這樣整體性的實驗是一個小型的科學研究，可以鍛煉學生的思維和動手能力。然而，如此綜合性實驗的完成要求學生具備基本微生物實驗操作技能。本門課程的開課時間是第三學期，學生剛剛完成了前兩個學期的公共基礎課的學習，在生物學相關的實驗操作方面他們是初學者，不具備完成這樣大型綜合實驗的實驗能力。因此，為了既培養學生基本實驗技能，又培養學生的微生物操作上科學邏輯思維和創新能力，我們將教學內容進行整合，分成四個模塊，分別是細菌、放線菌、霉菌和酵母模塊，這四個模塊是微生物實驗教學中的經典內容，通過這幾個模塊的學習，學生學習和掌握微生物學實驗基本的操作技術（表1）。除了酵母模塊以外，細菌、放線菌、霉菌三個模塊的內容分別是從人體和土壤中分離篩選和鑒定細菌、放線菌和霉菌。

1. 細菌模塊

實驗分為六次完成，學生從自身的皮膚、口腔以及鼻腔等人體表面采集細菌，并將其無菌接種到牛肉膏蛋白胨培養基上，隨機選擇某一單菌落，采用劃線平板分離技術對菌種進行兩次純化，通過斜面培養保存菌種。然后，在對菌株革蘭氏染色后，使用油鏡觀察菌株的形狀、形態和染色結果，并同時測定菌株大小。最后，通過大分子水解、糖發酵以及iMViC等實驗對菌株進行生理生化鑒定。因為來自一些人體球菌（如血球菌）能夠溶血，因此，如果菌株在顯微鏡下呈球形，則選做溶血實驗。結合上述實驗結果，學生可通過查閱資料初步推測所得人體細菌的種屬。

2. 放線菌模塊

實驗分為三次完成，內容是從土壤中分離得到形態多樣的放線菌，觀察放線菌菌落和菌絲。第一次實驗完成100mL培養基的配置、空玻璃器皿的包扎、倒培養基、土壤菌懸液的梯度稀釋和10-3菌懸液涂布培養;第二次實驗中，隨機選擇紫色或白色的菌落進行扦片培養;最后在顯微鏡下觀察菌絲形態，區分基內菌、氣生菌絲以及孢子絲。

3. 霉菌模塊

實驗分為三次完成，內容是從土壤中分離得到形態多樣的霉菌。第一次實驗的操作同放線菌模塊一樣，培養基更換為察氏培養基;第二次實驗中，首先觀察不同顏色霉菌菌落的形態特征，挑取菌絲進行固定，然后顯微鏡下觀察菌絲形態，并挑選青霉和曲霉進行劃線分離培養。第三次實驗內容是觀察青霉和曲霉的分生孢子頭。

4. 酵母模塊

實驗一次完成，首先采用堿性美藍染液對酵母細胞進行染色，在顯微鏡觀察酵母的死活細胞以及酵母的出芽生殖。然后學習使用血球計數板對酵母菌懸液中的細胞進行計數。

綜上，在細菌、放線菌和霉菌模塊中，學生通過使用無菌接種、培養基配制、培養基滅菌、空玻璃器皿包扎、梯度稀釋技術、涂布培養、扦片、菌種純化和保存、顯微鏡觀察、革蘭氏染色以及微生物生理生化鑒定等微生物學基本技術，從樣品中分離得到形態和顏色豐度多樣的細菌、放線菌和霉菌，并對其進行觀察和鑒定。酵母模塊中通過染色和顯微計數技術觀察認識了酵母，并對其進行計數。上述實驗內容相對比較簡單，所有學生均需獨自完成全部實驗，這樣就保證每個學生都學習和掌握所有的實驗技術，并且有些技術反復使用（例如，培養基配制和滅菌、梯度稀釋技術以及菌種純化等），學生可以得到反復鍛煉，實驗操作技能得到鞏固和提高，教學效果得到了明顯改善。學生可以觀察到形態更為多樣的這幾類微生物，例如來自于自身的各種細菌、不同顏色特征的放線菌和霉菌菌落等，從而擴寬了對微生物的認識，更容易掌握這幾類微生物的基本特征，并且激發了學生的學習興趣和主觀能動性。同時，細菌、放線菌和霉菌這三個模塊均是一個小課題，每個是一個綜合性實驗，教學內容圍繞微生物的分離篩選-菌落觀察-純化-顯微鏡形態鑒定和生理生化鑒定這一經典技術路線展開，這樣學生可以從整體上了解微生物實驗過程，理解各微生物學實驗技術的原理、方法和應用，培養學生微生物學研究方面的科學思維。

（二）課題式教學

課題式教學（project-based learning，PBL）是學習者針對課程內容自主選擇感興趣的專題，通過與他人協作的方式確立實驗技術路線和方法，并最終完成實驗和提交成果。通過這種教學方式，學習者可獲得解決問題和終身學習的能力[7]。課題式教學已在一些課程的教學中得到實施[8，9]。在以往的教學中，我們已經開展了幾年的小型自主性設計實驗[10]，積累了一定的教學經驗，為我們開展課題式教學奠定了基礎。在學生已經完成了基礎性實驗的基礎上，在綜合性實驗部分采用課題式教學，每個課題由3-4人完成，每組設課題組長，全面負責課題的組織工作。在兼顧傳統微生物學實驗教學大綱、微生物學實驗課程的特點和課題式教學法的特點與共性的基礎上，選取那些探索性、實踐性和可行性強的課題作為開展課題式教學的內容，開設的專題有纖維素降解菌、解磷微生物、氮循環微生物、發酵食品中微生物以及產酶微生物的分離與鑒定等。學生查閱資料確定實驗方案，開展預實驗和開題，合作完成實驗，并最終提交結題報告。課題式教學的教學效果有三：一是鍛煉了學生的知識和技術的應用能力，將從前期的基礎性實驗部分學習中掌握的微生物學實驗原理和技術應用到具體的科學研究中;二是通過開展和生活生產相關的微生物的研究充分激發了學生的學習興趣、調動學生學習的主動性和積極性，使學生成為了學習的主體;三是提高了學生收集整理資料、分析和解決問題、與他人協作等方面的能力，培養了學生科學研究的素養，教學效果得到了明顯的提高。

（三）利用移動設備和數字化課程輔助實驗技術示范教學

移動設備和電腦在大學生群體已經達到普及，因此可以充分利用移動設備和電腦在課前輔助實驗技術示范教學。教師將基本的微生物實驗操作技術使用手機錄制成短視頻，在課前上傳至微信群，學生下載后可以反復觀看，在課前做到充分了解基本操作要領。在課堂上，教師通過多媒體設備再重新播放一次視頻，再一次把操作過程重復講解一次。這樣，學生在獨自進行操作時，整個實驗過程基本可以做到標準操作，避免了以往出現的很多學生不會操作或操作不規范的情況出現。同時，我們也參與完成了由國家級實驗教學示范中心聯席會生物和食品學科組聯合建設的《生物學實驗基本技術與方法數字課程》中微生物學基礎技術部分，今后將充分利用數字化課程輔助微生物學實驗教學。

（四）改革考核方式

微生物實驗教學的主要任務之一是培養學生的動作操作能力，因此應該將學生實驗操作能力的考核加入到課程考核中，建立符合微生物實驗教學目標要求的科學全面的評價體系。改革后的微生物學實驗的課程評定分成以下幾個部分：

1. 預習成績評定。考查實驗原理、步驟的預習情況，占總成績10%。預習情況的考查1-2個小問題的測試進行。

2. 實驗報告成績評定。考核報告的完整性、實驗結果的準確性和可靠性、數據分析以及對結果展開的討論等，占總成績50%。實驗報告分為實驗目的、實驗用品、實驗原理與步驟、結果、結果分析與討論、思考題以及思考與建議，報告的完整性體現了學生在課堂的認真和投入程度，認真完成全部實驗過程的學生，其實驗的完成性好;實驗結果的準確性和可靠性、數據分析以及對結果展開的討論等則體現了學生對實驗原理的理解和實驗操作掌握的程度。

3. 閉卷考試。考查對實驗原理的掌握情況，在課程結束后進行，占總成績的15%。

4. 實驗操作的考核。選擇基礎的實驗操作，包括接種、菌種純化、革蘭氏染色、微生物大小測定、微生物顯微計數法等進行現場考核，學生抽簽選擇考核內容，在限定時間內獨立完成實驗內容，教師現場給出成績，占總成績的15%。

5. 平時成績考核。主要考察學生平時的出勤，占總成績10%。

上述考核方式改變了以往學生重視實驗報告而輕視實驗操作的情況，從整個教學過程強化實驗的考核，增強了學生動作操作的積極性和主動性，有利于學生的科學素養和實踐能力的養成，為社會輸入懂原理、會操作、會應用的微生物學實驗技術人才。

三、結束語

改革后的微生物實驗教學使學生深刻體會了微生物學實驗技術在生活和生產實際以及科學研究中的應用，極大地激發了學生的學習興趣，轉變了學生以往輕視實驗課、只為拿學分的思想，引導學生通過觀察引發思考，進而培養學生分析問題、解決問題以及科學探索的精神。

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