建設研究教學型學院背景下微生物學實驗課程改革

嚴金平，劉 麗，夏雪山，年洪娟，羅義勇，季秀玲，李 濤，陳 媛

(昆明理工大學 生命科學與技術學院，昆明 650500)

微生物學實驗以一切肉眼看不見或看不清的微小生物為研究對象，有獨特的實驗方法和技術，掌握微生物學基本方法和基本技能，可以加強學生對微觀世界的認識，也可以培養學生創新思維及解決復雜工程問題的能力。因此，高等院校廣泛將微生物學實驗作為生物相關理學、工學專業的必修核心課程。2012 年起，昆明理工大學生命科學與技術學院(以下簡稱“我院”)旨在建設研究教學型學院，嘗試建立課題組和課程組的雙軌制管理模式以促進科研研究和本科教學跨越式發展。以此為契機，我院微生物學課程組立足微生物學實驗課程面臨的挑戰和存在的問題，以培養創新精神、提高學生動手和獨立思考的能力為目的，以復合型人才應具備的綜合能力為依據優化實驗內容，進行了微生物學綜合實驗改革。

一、微生物學實驗的課程定位

自2004 年建院以來，我院一直將微生物學和微生物學實驗作為生物工程專業的核心基礎課。該課程以生物化學、生物化學實驗和生物工程概論等3 門課程為先選課程，是生物工程專業學生的第四門專業核心基礎課程(圖1)。該課程注重培養學生科學思維方法，提高觀察分析、動手操作、實驗技能和解決問題的能力，培養學生實事求是、追求卓越的科學態度和工作作風，是生物工程專業理學類、工程類和畢業實踐課程的基礎，在培養微生物相關領域的科學研究、教學或應用和管理等工作的生命科學、生物工程高素質人才中占有舉足輕重的地位。

圖1 微生物學和微生物學實驗的課程定位

二、微生物實驗課程教學中存在的問題

課程開設之初，我院將微生物學必須掌握的無菌操作技術、顯微觀察技術、純種分離技術和純培養技術等實驗技術分解成8 個相對獨立的實驗開展，分別是：①土壤微生物的分離純化及菌落形態觀察；②油鏡的使用及細菌革蘭氏染色、形態觀察；③顯微鏡直接計數法測定酵母菌數量；④霉菌形態觀察；⑤紙片擴散法(Kirby-Bauer)藥物敏感試驗；⑥培養基的制備、實驗相關器皿的包扎及其滅菌；⑦微生物生化特性；⑧菌落總數的測定。通過以上實驗的學習，學生能熟記相關實驗基本原理，掌握基本操作和熟練使用的相關儀器設備，但存在以下方面的不足：①重實驗過程環節，輕實驗準備和實驗后環節，為確保能在有限的學時完成實驗，學生實驗需要用到的培養基、染液和試劑配制，實驗儀器的調試等實驗前的準備工作都是專職實驗老師提前做好，不需要進行實驗結果的分析或者僅需要簡單分析；②重驗證性實驗，輕探究性實驗，學生進到實驗室只需要按照實驗操作手冊按部就班地完成，就多數能得到預期的結果，實驗結果答案相對固定；③重實驗技能的培養，輕綜合能力培養，授課重點在于實驗基本原理、基本操作和相關儀器設備的使用規范，實驗項目之間缺少關聯，一個實驗項目驗證一條理論知識或是強化一種實驗技能，而忽略運用這些技術解決實際問題的能力培養。以上不足，也是微生物學實驗課程教學存在的共性問題。

三、微生物綜合實驗教學模式的構建

(一)加強教師隊伍建設

以往我院微生物實驗課授課都是由專職實驗老師完成，而實驗老師不參與微生物理論課的教學，更偏重于實驗技能的訓練。我院微生物學課程組由4 名教授、3 名副教授和1 名高級實驗師組成，課程組建成后，微生物學課程組全體教師參與實驗課程的教學，且分工明確，相互配合。實驗老師負責實驗室試劑采購和設備管理，協助教學，專業老師則負責實驗過程中實驗具體指導。理論課程是實驗課程的根基，實驗課堂教學是理論教學的延伸和深化。理論課上，我們圍繞要開展的實驗內容，以綜合實驗設計題的方式，推動學生結合課堂理論知識，查找文獻資料，并設計綜合性大實驗的技術路線。這一措施，既讓學生復習鞏固了理論知識，也達到了有效預習實驗內容的目的，避免了學生預習不足就進實驗室的現象，也有助于學生將學到的基本實驗技能、教師傳授的知識融會貫通，為提升實踐能力和自主設計實驗奠定堅實的基礎。此外，理論課老師都在從事微生物學相關科學研究，能將自己的科研成果和科研經驗運用于實驗教學，促進學生對微生物學前沿知識的掌握，培養學生對微生物學學習和研究的興趣。

(二)夯實課前準備——發揮科研實驗室對微生物本科教學的輔助功能

我院直接從事微生物科學研究的平臺有10 個以上，如嗜極微生物學課題組、生物煉制課題組、食品微生物學課題組、生物轉化課題組和分子病毒課題組等。另外，基于微生物在生命科學研究中的基礎地位，幾乎生物學、醫學相關實驗室均具備從事微生物相關科研訓練的實驗條件。因此，我院具備給所有本科生提供科研訓練崗位的能力。我院本科生一直也有參與科研實驗的風氣和傳統，且微生物學和微生物學實驗開設在大三上學期，學生課余時間相對較多，也為本科生進入實驗室提供了可能。

結合學院“專業興趣培養提升計劃”“創新創業能力提升計劃”“實踐創新能力提升計劃”，利用微生物學實驗開設的這一學期1～8 周學生的空余時間，我們有意識地組織學生帶著問題進入科研實驗。在此期間，學生要完成微生物基本理論和基本實驗相關規定動作，做到微生物理論知識到實驗中去體會和檢驗，如初步建立無菌、純培養等基本概念和了解培養基的配制、無菌操作、顯微鏡的使用、移液器的使用和PCR 操作等基本技術，并在進入微生物學實驗課堂之前提交科研實驗室鍛煉總結材料。科研實驗室期間學習能力和實驗成果作為實驗預習評價材料之一。

(三)過程控制——發揮微生物學綜合大實驗對學生能力的整體提升作用

經過8 周的微生物學理論學習和8 周科研實驗室的基本實驗與技能的學習，學生已經對微生物學有相應的了解，并能獨立完成一些微生物學的基本實驗操作能力，也對綜合大實驗有自己的實驗技術路線和思考。在此基礎上，我們將以往實驗教學中相對獨立的8 個大實驗有機的組織起來，主要以單細胞微生物——細菌為對象，以“蛋白酶/脂肪酶/淀粉酶微生物的分離純化及產酶微生物的初步鑒定”為題，將土壤、水樣等環境樣品中微生物的分離、純化、培養、功能微生物的篩選、微生物的形態和分子鑒定、微生物的保存等涉及的實驗理論基礎和實驗基礎有序地組織起來(圖2)，集中4～6 周時間指導老師協助學生完成綜合大實驗。同時，為完全覆蓋微生物學實驗教學大綱的教學要求，我們將單細胞真核生物酵母菌的直接計數等穿插在細菌菌落計數的環節，將酵母菌和典型絲狀真菌的形態觀察穿插在革蘭氏染色實驗之后。不同的計數方法、不同的微生物物種顯微形態的比較教學能加深學生對微生物顯微結構的認識和研究方法的理解。

圖2 微生物學綜合大實驗的實驗設計

1.學生是實驗課堂的主體

學生帶著自己的出發樣品，帶著自己的實驗設計進入實驗室，學生需要梳理實驗所需試劑及實驗設備，準備玻璃器材和試劑，配制試劑，調試教實驗設備，統籌安排資源。從根本上將實驗課上所學的知識和技能應用到科研工作中。從基礎技能練習開始到有主題性的研究實驗，再到探索性研究實驗等一系列專業實踐教學加入學生理論和實踐學習階段效果的大檢驗，也是整體提升學生各方面能力的系統科研訓練。同時，學生作為實驗活動的主體，能體驗實驗成功時的興奮與快樂，實驗失敗時的沮喪與難過，了解科學研究的真諦。

2.發揮老師的糾錯和解惑作用

進入實驗室前，老師應對學生提交的實驗方案進行認真審閱，經過與學生討論后，制定出更加切實可行的實驗方案。在學生動手做實驗過程中，與學生互動，進行個別指導、糾錯及引導學生對實驗結果進行分析和總結。注重學生對實驗過程、實驗結果的分析和記錄，以及學生在出現問題時能協助學生找到有效的解決辦法。

(四)嚴把出口關——實驗報告及考核的規范化要求

增加“單人考核”和“場景出題”的實驗考核環節。主要圍繞教學大綱要求掌握的基本實驗操作方法和教學過程中學生容易犯錯的知識點，比如顯微鏡的規范操作、細菌的革蘭氏染色法、平板劃線、平板涂布和試管接種等無菌操作方法、微生物顯微計數方法、不同類型微生物菌落形態識別、PCR 操作步驟、微生物保存和微生物分類鑒定的方法等，微生物學課程組老師集體命題并建立實驗知識口試題庫。考試現場，以學生抽簽或老師隨機抽題的方式選擇題目，要求學生在規定的時間內作答，時間一般為3～5 min。教師可根據學生答題情況，有針對性地進行1～2 個問題的提問。“單人考核”和“場景出題”的考核形式，營造了良好的學習氛圍，表現在上課能夠認真聽講，實驗中反復練習，熟練掌握所有實驗理論和操作技術。這種方式的考試還可以積極思考，解決實踐問題的能力，并能鍛煉學生的語言組織和表達能力，促進學生綜合能力的提高。

開展微生物學綜合大實驗之后，實驗考核和實驗報告不再是一個個獨立實驗的簡單實驗原理、實驗步驟和結果分析，而是一個系統工程。據此，我們參照科研論文的寫作規范，對實驗報告的撰寫提出規范性要求，包括標題、綜合實驗原理、具體實驗原理與方法(詳細的操作步驟)、實驗結果和討論與總結等。實驗報告展示如圖3 所示。

圖3 微生物學綜合大實驗學生實驗報告展示

四、建設效果

課程教學實踐效果體現在如下方面：①學生學習態度、學習風氣轉變，求知欲和主動學習的興趣增強，學生從被動學習轉化為主動學習，從忽略平時學習、期末突擊應考的狀態調整為全程專注；②學生專業素養的整體提升，學生微生物基礎知識、實驗操作、學科前沿知識的捕獲能力和閱讀科技論文的能力進步明顯，獲得后續課程任課老師和創新創業指導老師的好評；③學生創新創業能力的提高，通過努力教學團隊取得了一系列榮譽，多次榮獲學校教學成果獎，學生取得多項微生物相關國家級、省級創新創業獎項；④教學團隊的持續改進和提高學生對學科的認可、熱愛，對更多、更新專業知識的需求會形成一種力量，倒逼任課教師加強專業知識、前沿知識和授課技巧等方面的全面提高，從而形成一種良性循環的局面。

五、結束語

我院自2016 年起，已連續三年在生物工程專業微生物學實驗課程中推行綜合大實驗改革，理論課程中注重對學生基本實驗原理和實驗設計思路的培養，實驗課程則要求學生從實驗設計、實驗材料準備、實驗結果的分析和科研報告的寫作等方面全面提高動手能力和科研素養，實現在教學全過程中激發和鼓勵學生的批判性思維及創新能力、促進個性發展及提升教學質量的內涵式發展目標。目前，微生物學課程組在教學團隊建設、教學內容持續改進、實驗教學考核環節探索等方面進行了探索，取得了一定的經驗，以上舉措的有力實施，具有一定的推廣價值。通過這樣的實驗改革，使學生的探索精神、創新意識和創新能力得以提高，但實驗項目內容還需要進一步提升優化，考核方式尚待完善。