植物生產類專業微生物實驗教學的改革與實踐

王中梅 (長江大學農學院,湖北荊州434025)

郭靈芳 (長江大學工程技術學院,湖北荊州434020)

周 燚,張長青,魯紅學,趙明敏,章松柏 (長江大學農學院,湖北荊州434025)

微生物學不僅是生命科學領域中一門重要的基礎學科,而且與生產實際密切相關。如可以通過微生物發酵工程進行各種重要產品生產,例如抗生素、疫苗、維生素、氨基酸、酸奶、生物菌肥等等。環境的修復、資源的再生、發酵食品的生產也是通過微生物的作用進行的[1～3]。由此可見,微生物學在生命科學領域中的重要地位。只有具備微生物研究能力的高素質人才,才能適應未來微生物研究乃至生物研究工作[4]。對于植物生產類專業來說也是如此。微生物學是植物生產類專業的一門重要基礎課,并為后續的植物病理學、土壤微生物學、土壤學、農業病理學、病蟲害防治學等課程的學習奠定基礎[5]。微生物學實驗課是微生物學教學的重要組成部分,提高微生物學實驗課教學質量對加深學生對微生物學理論知識的理解,培養學生的實驗技能,提高學生獨立操作能力及分析問題和解決問題的能力至關重要[6]。而傳統的微生物學實驗課多以驗證型、演示性和示范性的實驗內容為主,只注重教師的主導作用,忽視了學生的主體作用,不利于學生創新意識和創新能力的培養,不符合現代教育的目標[7]。因此,為提高學生的實踐能力,筆者所在教學團隊結合教學與科研實際,以連續三屆植物保護、園藝、農學、農業資源與環境等4個植物生產類專業的學生為實施對象,進行了微生物實驗教學的改革與實踐,即將設計性實驗的思路、方案引入實驗過程中,將分散的幾個實驗整合和優化成一個綜合性設計性的實驗,構建科學的設計性實驗教學體系。這些改革措施激發了學生興趣,有效地培養了學生的實踐能力與創新能力,訓練了學生的科研思維。

1 微生物實驗教學改革的必要性

培養高素質的微生物學人才,實踐是關鍵環節。微生物學實驗不僅要讓學生掌握微生物實驗技術和方法,更重要的是通過實驗訓練學生的動手能力,培養設計實驗能力和科研意識,使學生具備初步的科研能力。在生命科學急速發展的今天更是如此。而傳統的微生物學實驗課多以驗證型、演示性和示范性的實驗內容為主,只注重教師的主導作用,忽視了學生的主體作用,雖然能夠加深學生對基礎理論的理解、培養學生的動手能力,但由于實驗都是按照事先安排的內容與形式進行的,學生沒有充分的思考時間,不懂得實驗本身的思想內容,無法參與實驗的創造性思維過程,盲目性較大,不利于學生創新意識和創新能力的培養,不符合新時代要求學生全面發展的教育目標與理念。如改革以前在傳統實驗中安排了顯微鏡油鏡的使用和微生物細胞形態觀察、細菌的革蘭氏染色法、芽孢與莢膜染色法、鞭毛染色法與活菌體運動性的觀察、微生物細胞大小和數量的測定、酵母菌形態觀察及死活細胞的鑒別、培養基的配制與消毒滅菌、從自然界中分離和純化微生物以及環境因素對微生物的影響等實驗,在開設的這些實驗中,它們之間關系較為松散、跨度較大,除了最后2個實驗外其他幾個實驗都是驗證性實驗。由于實驗結果是已知的,學生覺得做實驗只是一種形式,很難激發他們的興趣和熱情,更不用說創造性了,也就難以培養學生的動手能力和科研意識。

此外,隨著大類培養模式的推廣,很多專業課程的學時都有一定程度的壓縮,如微生物學實驗課時由推廣大類培養模式之前的20學時壓縮至10學時。如果按照傳統的實驗體系來做,只能做幾個基礎實驗,如2005級學生的微生物學實驗項目 (表1,10學時)。由于這5個實驗之間關系較為松散、跨度較大,學生普遍反映實驗比較簡單,不用思考,沒有挑戰性,不能充分發揮主動性,無法進行技能的培養。因此,微生物學實驗教學改革勢在必行。

表1 2005級微生物學課程實驗項目

2 微生物實驗教學的改革措施

2.1 重編實驗指導

根據人才培養計劃和教學科研實際,重新確定實驗內容。具體要求是:(1)避免與其他課程實驗項目重復。如刪除了與 《植物學》中顯微鏡的使用和 《植物病理學》中真菌的分離和形態觀察等相重復的實驗,這樣可以充分利用有限的實驗課時;(2)選用科研團隊中比較成熟的分離拮抗微生物的技術和思路來設計實驗內容;(3)采用科研團隊儲存的大量拮抗微生物和病原微生物,以保證實驗正常進行。然后根據實驗內容,在參考通用實驗教材的基礎上編寫實驗指導書,把新實驗體系中涉及的實驗分解成各個獨立的實驗,然后詳細具體的說明其目的、原理、操作步驟和注意事項等,以便學生在進行實驗時參考具體的實驗步驟,扎實地掌握微生物研究的一整套基礎操作技術。在指導書中,詳細和重點介紹實驗設計的思路和基礎,同時增加一些與實驗、生產和生活相關的思考題或類似實驗設計題,提高學生的興趣,激發學生思考和探索心理,引導學生自覺自主地去查閱教材以外的一些相關資料,設計一些新的實驗方案。

2.2 規范實驗過程

在課程理論內容開始授課后就布置實驗內容,每人發一本實驗指導書和實驗教學進度表,要求參照實驗指導書和實驗教學進度表進行預習,等到理論課教學進行到一定程度后開始實驗。實驗過程中將自己分離得到的菌株與對照菌株 (枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌等)進行比較,描述菌株的特征特性,對其染色、觀察形態,進行部分生理性狀以及拮抗能力測定等,對實驗中出現的問題引導學生通過查閱資料討論解決。實驗結束后,要求學生按照連續實驗的方式撰寫實驗論文和按照實驗報告的形式分析每個小實驗的原理、操作過程和實驗結果,這樣既能有效掌握和總結每個知識點,又能感受科研的連續性和鍛煉科技論文的撰寫能力。對分離得到的優良菌種先進行保藏,隨后可以通過開放性實驗、大學生科技創新項目、研究性項目等方式對優良菌種進行功能性測定和開發。

2.3 加強實驗考核

以往微生物實驗課程的考核一般以學生平時的出勤率以及實驗報告的完成情況來打分,但是有一些學生不認真完成實驗,為了應付考核,有抄襲他人實驗報告的情況。因此這樣的考核方式并不能完全真實反映學生的實驗課情況以及實驗實際動手能力。而出勤率只能證明學生人在實驗室,并不能反映其動手操作以及是否用心等情況。因此,改革后教師在實驗課開始之前就向學生宣布課程的考核方式,把實驗及相關內容列入課程考試重點。具體做法如下:(1)實驗報告質量和實驗過程表現占課程成績的20%,實驗報告質量著重考察學生的實驗結果和分析結果的能力,實驗過程表現著重考察學生實驗過程的操作正確與否;(2)在課程考試試卷中新增實驗綜合題,即將整個設計性實驗綜合成一個實驗綜合題。在該實驗綜合題中,既考核學生對實驗操作和實驗思路的掌握程度,又考核學生對實驗所涉及的基礎知識的理解,也就是把理論和實踐結合起來考核。考核方式改革的結果表明,教學方法和手段上實施改革不僅扭轉了學生輕視實驗課程的現象,而且使學生更好地掌握了微生物實驗的操作技能,加深了對微生物知識的理解。

3 微生物實驗教學改革的實踐

綜合性設計性實驗的開設是如今高校實驗改革的趨勢,它有效克服了上述弊端,把自主權交給了學生,給學生充分的思維空間和實驗設計的自主性,有效提高學生綜合運用理論知識和實驗技能分析和解決實際問題的能力,培養學生的創新意識、創新能力和科研思維方式[8,9]。基于此,教學團隊結合教學和科研實際,從2006級開始,按微生物學研究工作的基本程序將各個實驗項目進行了有機組合,使每一個實驗項目前后銜接,使實驗內容組成互相聯系的綜合體系 (表2,10學時),這個體系具有以下特點。

表2 改革后的微生物學實驗項目

3.1 結合科學研究,引入設計性實驗思維

《微生物學》課程的教學團隊同時也是一個科研團隊,科研團隊研究的重點放在魔芋育種和病害生物防治上。經過幾年的艱辛摸索,科研團隊在魔芋病害生物防治方面取得了突出的成績,找到了打破種植魔芋 “瓶頸”的突破口,得到湖北省重點攻關招標課題、省自然科學基金、省教育廳重大項目、長江大學重點項目和校級基金項目等多個基金項目支撐與基金資助,已經有多種生防菌劑投入應用,取得了良好的市場效應。教學團隊在理論課講授時,也向學生詳細介紹了團隊的科研項目和研究重點。學生對這個科研團隊既熟悉又陌生,熟悉的是該團隊的科研成績,陌生的是 “具體在做什么”,后者是學生特別感興趣的。因此,在遵循實驗教學大綱的要求下,實驗的具體內容參照了魔芋研究過程中的一部分基礎內容,重點放在篩選能夠在魔芋體內生存的拮抗微生物方面,引入設計性實驗思維,將5個實驗設計成一個大的綜合性實驗,前后實驗連貫,即前一個實驗的結果直接關系到后一個實驗能否進行。這樣既具有挑戰性,又讓學生在提高微生物學實驗基本操作技能的基礎上理解了科學實驗的設計性思維。

3.2 結合教學實際,有機組合實驗內容

《微生物學》是農學種植類專業本科生的專業基礎課,主要內容包括:微生物形態結構及其生命活動;微生物的營養、代謝及其生長繁殖;微生物的多樣性及其在自然界物質轉化過程中的作用;微生物與農業生產的關系;微生物與高等植物的相互關系和微生物與農業生態的基本原理及其研究的基本方法。實驗教學是 《微生物學》教學的關鍵環節,通過實驗教學,使學生掌握研究與應用微生物的主要方法與技術,將書本知識用于實踐,在實踐中更深地理解書本知識,培養學生在實踐中綜合應用所學知識去發現問題、分析問題和解決問題的能力,增強創新意識,提高創新能力。這是一個較高的要求,在20學時的條件下,按照通用實驗教材中的實驗項目進行可以達到實驗要求,但在課時壓縮至10學時的情況下,按通用實驗教材則無法達到要求,如2005級學生種植類專業 《微生物學》課程學時壓縮后,選擇通用實驗教材的幾個實驗項目進行,實驗跨度較大,缺乏聯系,沒有挑戰性,不能激發學生興趣,同時也沒能達到實驗教學大綱的要求。針對這種情況,從2006級開始,根據教學和科研實際,在有限的課時下,引入設計性思維,將所有實驗連貫成一個有機的大實驗,實驗先從 “魔芋精粉培養基的制備及培養基和器皿的滅菌”開始,接著利用已配制的培養基進行 “魔芋精粉中微生物的分離和菌落形態觀察”,對分離到的目標微生物進行 “微生物的接種技術”、“大分子物質 (葡甘聚糖)的微生物降解實驗和細菌的革蘭氏染色”、以及 “微生物 (細菌與細菌)之間的拮抗實驗”、“微生物 (細菌與真菌)之間的拮抗實驗”、“拮抗微生物的發酵實驗”、“拮抗微生物的植物病害防治實驗”等,8個實驗項目包括了微生物的形態結構、微生物代謝、微生物的營養與生長、微生物的分類鑒定、微生物之間的關系、微生物的發酵培養、微生物的應用等相關內容,與微生物理論教學相輔相成,形成了一個進行微生物學科學研究工作基本體系。經過2年的實踐,學生普遍反應較好。這樣不僅鍛煉了學生的微生物實驗技能,而且還訓練了其設計性實驗思維。

3.3 結合專業實際,實驗內容側重農業

針對授課對象是種植類專業,教學團隊在理論課和實驗課教學內容上進行了調整,都側重于介紹農業微生物方面內容。理論課教材選用華中農業大學相關專家主編的教材,該教材很多方面以農業微生物為重點。在實驗內容選擇上,為了讓學生了解微生物與農業的關系 (有害和有益),實驗材料選用魔芋軟腐病菌、茄子枯萎病菌、枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌,設計實驗以拮抗微生物枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌作為對照,讓學生尋找拮抗魔芋軟腐病菌或茄子枯萎病菌的拮抗微生物。這樣通過實驗,不僅讓學生掌握了微生物之間的關系 (拮抗作用),而且理解了生物防治的原理。

3.4 建立開放實驗室,實行開放式實驗教學

為適應大類培養教學模式的要求,后續課程必須適當壓縮學時和提高教學效率,但這勢必影響學生在有限的課堂時間內進行更深入的專業知識的學習。為此,教學團隊申請了一定的經費,根據需要安排一段比較集中的時間 (周末或平時空閑時間)將實驗室予以開放,實行開放式實驗教學,為系列實驗的開展提供了保證。學生即使課堂實驗失敗了,也可以課后再補做;對 《微生物學》非常感興趣的同學在做完必修實驗后,可以申請表2中的選修實驗項目,利用周末或平時空閑時間進行。這樣,學生在規定時間內不能完成或者需要重新再驗證的實驗可以在周末或平時空閑時間去完成,因此有足夠的時間理解實驗方案、研究實驗現象、分析實驗結果,讓他們感受科研實驗有得有失,有苦有甜的體驗。開放式實驗教學改革彌補了微生物課時壓縮的一些不足,還極大地激發了學生的學習積極性和求知欲望,真正讓實驗室成為科研型人才的培養基地。

4 結束語

在生命科學研究中,微生物是重要的研究對象和研究工具。微生物學實驗作為一門實驗技術在微生物學學科發展中更具有舉足輕重的作用[7]。作為高校教育工作者,只有順應時代要求,不斷改革創新,才能造就適應21世紀需要的新型人才。因此,教學團隊在 《微生物學》實驗課時被壓縮的情況下,結合科研與教學實際,對微生物實驗進行改革,通過調整實驗內容和設計思路、編寫配套實驗教材、規范實驗過程等,將多個實驗設計成一個綜合性、設計性實驗,從而激發了學生濃厚的學習興趣,啟迪學生融會貫通地應用微生物學知識去分析解決一些實際問題,并能使學生通過查閱資料解決某一微生物學具體課題的相關問題,從而逐漸培養其勇于探索的創新精神和認真嚴謹的科學作風。

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