“生物技術(shù)綜合實驗”教學(xué)改革探索與實踐

摘"要：“生物技術(shù)綜合實驗”是提高大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的有效途徑，該課程通過調(diào)整和優(yōu)化實驗內(nèi)容，包括生物化學(xué)與分子生物學(xué)基本操作、天然產(chǎn)物分離制備技術(shù)和基因工程技術(shù)三個模塊，逐步形成了系統(tǒng)、全面的實驗教學(xué)體系。實踐證明，通過教學(xué)改革，學(xué)院提升了該課程的教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生獨立思考能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識的能力，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)了教學(xué)目的，為實踐教學(xué)人才培養(yǎng)模式提供了更科學(xué)、更全面的有效措施。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù)綜合實驗；教學(xué)改革；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方式

實驗教學(xué)是高等學(xué)校教育教學(xué)工作的重要組成部分［1］，通過實驗教學(xué)能夠培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，對大學(xué)生個人發(fā)展具有重要的意義［2］。“生物技術(shù)綜合實驗”課程是高校生物技術(shù)專業(yè)的必修課之一，是一門實踐性、綜合性很強的學(xué)科［3］。通過實驗教學(xué)，學(xué)生能夠直觀地了解抽象的理論知識，提升動手能力、分析問題和解決問題的能力，還可以提高科研興趣，培養(yǎng)良好的科研素質(zhì)，為以后獨立從事生命科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)［4］。

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展和本科專業(yè)設(shè)置的改變，調(diào)整和完善“生物技術(shù)綜合實驗”課程大綱和內(nèi)容，已顯得十分必要［5］。按照四川大學(xué)課程改革的要求，2018年四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院將實驗課“天然產(chǎn)物分離制備技術(shù)”合并到“生物技術(shù)綜合實驗”，使得新的“生物技術(shù)綜合實驗”課程內(nèi)容更加豐富和全面。

“生物技術(shù)綜合實驗”作為四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)專業(yè)的必修課之一，共計6個學(xué)分，144學(xué)時。根據(jù)培養(yǎng)目標和本專業(yè)學(xué)生知識背景，課程內(nèi)容進行了一系列的改革和優(yōu)化，實驗內(nèi)容主要分為3大模塊，包括生物化學(xué)與分子生物學(xué)基本操作、天然產(chǎn)物分離制備技術(shù)和基因工程技術(shù)。每個模塊又由多個小實驗組成，相當于一個小型研究課題，具有整體性和綜合性等特點。改革后的課程方案經(jīng)過5年實踐，取得了良好的教學(xué)效果。

一、實驗課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，改革實驗方案

“生物技術(shù)綜合實驗”的教學(xué)目標之一是培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生掌握生物技術(shù)相關(guān)技能。在有限的教學(xué)時間中，為了使學(xué)生實驗技能得到全面的訓(xùn)練，我們將生物技術(shù)綜合學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容，在原來的基礎(chǔ)上進行了調(diào)整和優(yōu)化，建立了模塊式教學(xué)體系，并將基本實驗技能訓(xùn)練安排到各個實驗內(nèi)容中。

第一個模塊為生物化學(xué)與分子生物學(xué)基本操作，設(shè)計4個實驗內(nèi)容（圖1）：實驗一為制備完整葉綠體，學(xué)生采用密度梯度離心、差速離心法對葉綠體進行分離；實驗二為SDSPAGE分離色素蛋白，通過準確定量凝膠分離后的水溶性基質(zhì)蛋白RBCL和類囊體膜蛋白LHCP的含量來衡量葉綠體的完整性；實驗三為植物天然色素蛋白復(fù)合物的提取和綠色凝膠電泳分離，加入混合非離子型去垢劑，使增溶的色素蛋白復(fù)合物經(jīng)溫和圓盤電泳分離后，無須染色就可以觀察到蛋白質(zhì)條帶；實驗四為植物總RNA的提取和鑒定，整個實驗過程，全部自行配制試劑，通過分光光度法、紫外吸收光譜法和瓊脂糖凝膠電泳法對所制備得到的RNA的含量、純度和完整性進行系統(tǒng)評估。通過這4次實驗課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握蛋白質(zhì)提取和濃度測定SDSPAGE電泳、綠色凝膠電泳、RNA提取、ImageJ灰度分析等生物學(xué)基本技能以及軟件使用要點，鞏固了基本理論和技能，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。

第二個模塊為天然產(chǎn)物分離制備技術(shù)，包含實驗一為蕓香苷的提取分離與鑒定：先利用水提取法和堿溶酸沉法提取和精制蕓香苷，然后采用聚酰胺薄層色譜法和高效液相色譜法（簡稱HPLC法）分析和鑒定蕓香苷的純度；實驗二為黃連有效成分的提取和鑒定：以黃連為實驗材料，提取鹽酸小檗堿，然后進行顯色鑒定等實驗；實驗三為陳皮有效成分的提取和分析：通過利用水蒸氣蒸餾法、氣—質(zhì)聯(lián)用色譜法分離測定主要成分結(jié)構(gòu)；實驗四為茶多酚的提取與抗氧化活性檢測：以碧螺春茶葉為實驗材料，提取茶多酚，采用DPPH（1，1二苯基2三硝基苯肼）法和HPLC法檢測茶多酚含量。這些實驗進一步鞏固了生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生在天然產(chǎn)物化學(xué)方面的基本理論和實驗技能，培養(yǎng)了學(xué)生在天然產(chǎn)物化學(xué)方面的實驗分析能力，使學(xué)生了解天然產(chǎn)物分離制備技術(shù)手段在生物科學(xué)中的研究意義。

2018年課程改革之前，基因工程技術(shù)模塊開設(shè)的實驗為“甘薯過氧化氫酶（CAT）基因的克隆及原核表達”，包括CAT基因的PCR擴增，酶切、連接、質(zhì)粒DNA提取、重組DNA的轉(zhuǎn)化和篩選，CAT基因的原核表達，但是其中有部分實驗與大二開設(shè)的《分子生物學(xué)實驗》重復(fù)［6］。在生物工程技術(shù)飛速發(fā)展的時代，為了讓學(xué)生掌握更多的生物技術(shù)相關(guān)的方法，所以在進行課程改革時，對基因工程技術(shù)模塊內(nèi)容全部進行替換，重新設(shè)計了4個實驗，包括：實驗一：GFP搖瓶發(fā)酵；實驗二：GFP蛋白的鎳柱親和純化；實驗三：GFP的SDSPAGE電泳、Western"Blot檢測（圖2）；實驗四：GFP的熒光定量PCR檢測。這4個實驗涵蓋了綠色熒光蛋白表達、鑒定以及表達量的分析，實驗具有連續(xù)性和銜接性，前一個實驗的結(jié)果密切關(guān)系到后續(xù)試驗的開展，形成環(huán)環(huán)相扣的實驗系統(tǒng)，綜合性更強。

二、實驗教學(xué)形式改革

（一）實驗教材的編寫

實驗教學(xué)教材作為實驗教學(xué)的重要組成部分，對提高教學(xué)效果具有重要意義。由于該課程屬于獨立設(shè)置的一門實驗課，沒有現(xiàn)成的教材，課題組教師負責(zé)編制和修訂實驗教學(xué)大綱。在選定實驗題目后，任課教師查閱文獻，并結(jié)合各自科研優(yōu)勢和相關(guān)性，從而制定出實驗教學(xué)大綱的具體內(nèi)容和實驗指導(dǎo)手冊，教學(xué)團隊根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件，共同討論實驗方案的科學(xué)性、可操作性、合理性，征集修改意見，逐步完善和優(yōu)化實驗內(nèi)容。實驗教材包括實驗?zāi)康摹嶒炘怼⒃噭┖蛢x器、實驗步驟、實驗注意事項等幾個部分。

（二）增加綜合性、設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

首先，在實驗開展之前，學(xué)生需要自主進行實驗方案的設(shè)計。班上同學(xué)分若干個實驗小組（2～4人/組），并選出1名組長，主要負責(zé)召集本組同學(xué)對實驗方案進行討論，并提前對組員進行分工。教師主要引導(dǎo)學(xué)生明確實驗?zāi)康模瑴蚀_把握科學(xué)問題；其次，要求學(xué)生結(jié)合實驗室目的對技術(shù)路線進行設(shè)計，撰寫詳細且完整的實驗方案，對實驗中可能存在的問題進行分析并提出有效的處理措施。學(xué)生設(shè)計的實驗方案交任課教師審閱，提出必要的修改建議并在班級內(nèi)展開討論。整個過程，學(xué)生都自主地參與其中，較完整的科學(xué)研究的過程對于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力有重要的推動作用。此外，通過自主設(shè)計實驗方案，學(xué)生在遇到其他問題也能夠主動地思考，提高了實驗的積極性和自主性。

（三）學(xué)生全程參與實驗準備

實驗前的準備是件非常繁重的工作，教師為調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生參與實驗準備，既可以減輕實驗教師的負擔，同時能讓學(xué)生了解實驗開展的細節(jié)。實驗準備本身就是對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ囊环N考核，例如通過配試劑，學(xué)生可以了解到試劑單位的換算、試劑名稱簡寫、試劑存放原則，這些是學(xué)生在進入研究生階段之前最容易忽略的問題。上課的過程中，設(shè)置試劑值日生，讓學(xué)生直接參與試劑和耗材的管理和分配，這樣學(xué)生在實驗課中，隨時能找到實驗所需的試劑和耗材，整個教學(xué)過程會井然有序。學(xué)生作為實踐的主體，積極參與進來，才能對實驗內(nèi)容有更加直觀的認識，學(xué)習(xí)的主動性和自覺性才能提升。

（四）規(guī)范綜合性實驗報告

課程要求學(xué)生對具有連續(xù)性的獨立實驗項目進行整合，并階段性地提交3篇實驗報告。每位學(xué)生需要基于期刊論文的標準撰寫實驗報告，即包括摘要、引言、方法、結(jié)果與討論、結(jié)語、參考文獻及致謝幾部分，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成查閱文獻的習(xí)慣，逐步提高寫作水平，同時提高專業(yè)作圖技能。

實驗報告重點部分在于實驗結(jié)果和討論分析。實驗結(jié)果部分，要求學(xué)生真實記錄實驗結(jié)果，學(xué)會用規(guī)范的語言描述圖片結(jié)果。同時，要求學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析和討論，尤其是實驗結(jié)果不理想的情況，則需要學(xué)生查閱資料或小組進行討論，對出現(xiàn)的問題進行反思，找出問題出現(xiàn)的原因和解決問題的辦法，對實驗提出改進意見和建議。

（五）調(diào)查問卷及學(xué)生反思

在每個模塊內(nèi)容完成以后，針對每個模塊的實驗，都會給學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，包括：（1）通過4個實驗，你有一些什么收獲？（2）你有些什么經(jīng)驗教訓(xùn)？（3）如果有機會再做一遍這些實驗，你會怎么樣來做？（4）教師該怎么“教”？

關(guān)于實驗收獲和教訓(xùn)，同學(xué)總結(jié)：（1）知道了想要做好一個實驗并不是一個人的努力，而是需要組內(nèi)成員密切配合，分工明確；（2）同時認識到想要盡可能快速而且完美地完成實驗，需要平時操作經(jīng)驗的積累，有了這些經(jīng)驗，才能在細節(jié)上更好地把控，才能做到快而不糙；（3）為了更好地了解實驗，我通常都會在實驗開展前兩天內(nèi)熟悉操作步驟和每一個步驟的原理，分析每一步的重要性，這樣在進行實驗的時候才能做到信手拈來；（4）實驗過程中涉及很多驗證實驗，在此之前并沒有體會到此步驟的重要性，做了實驗才發(fā)現(xiàn)，驗證實驗?zāi)茏屇愀煲庾R到此階段的成果，并且在實驗失敗時能有據(jù)可依；（5）本次實驗為半自主實驗，這次才意識到了真正自己完成一個實驗究竟有多難，同時意識到與教師和助教及時溝通的重要性；（6）本次實驗時間跨度大，實驗內(nèi)容多，需要所有組員共同參與，這就體現(xiàn)了組員之間交流實驗進度和結(jié)果，交接實驗任務(wù)的重要性。

如果再做一次實驗，同學(xué)總結(jié)：（1）我會在實驗前分析實驗操作，然后將自己對實驗的認識和第二天的分工和組員進行討論；（2）我會在每個實驗結(jié)束后當場與組員進行結(jié)果分析與討論，而不是故步自封，各想各的；（3）我會及時與教師和助教溝通，包括試劑選取、實驗步驟操作，以及實驗結(jié)果分析；（4）我會統(tǒng)計每個組員的空余時間，合理安排實驗任務(wù)。

學(xué)生們通過問卷調(diào)查和反思更加領(lǐng)悟到實驗團隊合作和實驗預(yù)習(xí)的重要性，認識到在實驗前要認真聽講，實驗中要戒驕戒躁，還要對實驗思路、實驗條件、實驗方法、實驗技術(shù)等做系統(tǒng)的分析。通過這個過程，學(xué)生提高了分析問題和解決問題的能力。

關(guān)于教師該怎么“教”的問題，學(xué)生通過對實驗的總結(jié)，可以幫助教師發(fā)現(xiàn)不完善的地方。教師在了解學(xué)生對教學(xué)的看法、意見和建議后，可以更合理地改進教學(xué)方案，進而提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

三、“生物技術(shù)綜合實驗”教學(xué)改革效果

實驗教學(xué)改革從2018年開始實施，至今已有5年，教師對5個年級共280余名學(xué)生進行了調(diào)查，學(xué)生普遍認為新的課程內(nèi)容和上課形式能夠很好地調(diào)動實驗積極性，鍛煉科研思維能力，提高動手能力，在課程中收獲較多。

實驗教學(xué)過程中，學(xué)生需要在實驗后認真分析實驗結(jié)果，并同步撰寫實驗報告，整理數(shù)據(jù)，然后對上一次實驗結(jié)果與教師進行討論、分析，確保所得結(jié)果在下一次實驗中可用。每一項實驗都有結(jié)果，會令學(xué)生有成就感，增強學(xué)生做實驗的興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教師通過培養(yǎng)學(xué)生每一步都不能馬虎的嚴謹精神，從而培養(yǎng)了學(xué)生認真細致、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。在實驗總結(jié)報告會上，學(xué)生精心制作了PPT，向全班同學(xué)匯報自己小組的實驗結(jié)果、心得體會，總結(jié)實驗的收獲與不足。通過這種變被動為主動的形式，極大地提升了學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的熱情以及獨立思考的能力。

總之，多年的教學(xué)實踐證明，“生物技術(shù)綜合實驗”是提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的有效途徑。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生提高了實驗的積極性，增強了獨立分析解決問題的能力，加強了團隊合作意識，培養(yǎng)了科研能力，從而提升參與科研的積極性，為其自主學(xué)習(xí)和發(fā)展提供了更廣闊的空間。

結(jié)語

“生物技術(shù)綜合實驗”是對學(xué)生實驗技能和理論知識運用的一次磨合，是生物技術(shù)專業(yè)教學(xué)的一種新嘗試，是培養(yǎng)具有專業(yè)技能人才的必備環(huán)節(jié)。通過實驗課程的開展，學(xué)生對科學(xué)研究的興趣有了較大的提高，同時也培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹、端正、創(chuàng)新的科學(xué)素養(yǎng)。通過推動生物綜合實驗改革，充分發(fā)揮生物綜合實驗在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用，為未來學(xué)生踏入生物技術(shù)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域工作打下良好的基礎(chǔ)。

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基金項目：四川大學(xué)高等教育教學(xué)改革工程（第十期）（SCU10265，SCU10264）

作者簡介：譚雪梅（1976—"），女，四川漢源人，博士，講師，主要從事微生物教學(xué)與科研工作；金洪（1976—"），男，四川邛崍人，博士，副研究員，主要從事天然產(chǎn)物的分離純化與活性教學(xué)與科研工作；王睿（1987—"），男，重慶人，博士，副研究員，主要從事植物生物技術(shù)教學(xué)與科研工作；張年輝（1972—"），男，四川廣元人，博士，副教授，主要從事酶學(xué)與合成生物學(xué)教學(xué)與科研工作。

*通訊作者：解麗芳（1982—"），女，山西呂梁人，碩士，高級實驗師，主要從事分子生物學(xué)和生物技術(shù)綜合實驗教學(xué)。