生物技術(shù)專業(yè)綜合性和設(shè)計性實驗教學(xué)改革與實踐

錢 潔, 房健民, 陳志宏

(同濟(jì)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

新世紀(jì)以來，生物技術(shù)成為許多國家科研開發(fā)和資金投入的戰(zhàn)略重點和國際科技競爭的重點之一，生物產(chǎn)業(yè)正在成為全球新的經(jīng)濟(jì)增長點。《國家中長期生物技術(shù)人才發(fā)展規(guī)劃(2010—2020年)》指出：在我國加快調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的進(jìn)程中，發(fā)展生物技術(shù)及推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，迫切需要培育創(chuàng)新型生物技術(shù)人才，迫切需要建立具有較強(qiáng)國際競爭力的生物技術(shù)人才隊伍。

自2006～2011年，我院參照國家規(guī)范設(shè)置生物技術(shù)專業(yè)課程，增加了實驗總學(xué)時并提高獨立設(shè)課實驗課程比例。按照知識單元(課程群)統(tǒng)一開設(shè)實驗課，更加注重知識單元中各門實驗課程之間的銜接和綜合性技能培養(yǎng)，大幅增加綜合性和設(shè)計性實驗的比重(見表1)，全面推進(jìn)綜合性、設(shè)計性實驗的教學(xué)改革，切實提高學(xué)生的綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力[1-2]。改變以往以驗證性實驗占主導(dǎo)的局面，形成基礎(chǔ)性實驗、綜合性、設(shè)計性實驗約為1∶1∶1的分層次實驗教學(xué)體系。2011年培養(yǎng)計劃中綜合性實驗學(xué)時為212，比2006年增加1倍多，設(shè)計性實驗學(xué)時為204，比2006年增加10倍多。

表1 2006～2011年生物技術(shù)專業(yè)實驗學(xué)時一覽表

作為首批“國家生命科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)基地”，我院在生物技術(shù)本科實驗教學(xué)中以社會需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)實驗課程體系建設(shè)，深入研究綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)的設(shè)計原則、案例來源、教學(xué)方法和考核體系，充分發(fā)揮實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)過程中的重要作用[3]。我們作如下介紹。

1 生物技術(shù)專業(yè)綜合性實驗的教學(xué)改革

綜合性實驗是分層次實驗教學(xué)體系的重要組成，介于培養(yǎng)基本實驗技能的驗證性實驗與培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力的設(shè)計性實驗之間，其最大的特點是將多種基礎(chǔ)知識和基本實驗技能有機(jī)地結(jié)合[4]，用于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力[5-6]。實驗內(nèi)容涉及知識單元(課程群)多門相關(guān)課程知識點，具有實驗內(nèi)容綜合、實驗方法綜合和實驗手段綜合的內(nèi)涵[7]。以“單克隆抗體制備”實驗項目為例。

1.1 設(shè)計原則

(1) 綜合性。綜合性是實驗案例設(shè)計的首要原則。“單克隆抗體制備”實驗中學(xué)生需要綜合細(xì)胞生物學(xué)、細(xì)胞工程學(xué)、免疫學(xué)等多門專業(yè)課的理論知識。在掌握動物細(xì)胞原代培養(yǎng)和腫瘤細(xì)胞傳代培養(yǎng)、細(xì)胞融合、抗體檢測等基本實驗技能的前提下，完成實驗動物免疫、細(xì)胞融合、雜交瘤篩選、抗體檢測、克隆化培養(yǎng)等一系列大實驗。

(2) 實用性。案例要具有實用價值。“單克隆抗體制備”實驗的內(nèi)容采用了代表當(dāng)前主流的一項生物技術(shù)，該項技術(shù)是目前抗體藥物研發(fā)、生物檢測以及蛋白質(zhì)功能研究的常用技術(shù)，實用性極強(qiáng)。掌握該項技術(shù)不僅有利于提高學(xué)生的就業(yè)能力，也為其今后的科研工作打下堅實基礎(chǔ)。

(3) 趣味性。興趣是最好的老師。“單克隆抗體制備”技術(shù)于1984年獲得諾貝爾獎，選擇該項技術(shù)作為實驗內(nèi)容充分調(diào)動了學(xué)生的興趣，學(xué)生在實驗中積極性非常高。

(4) 可擴(kuò)展性。綜合性實驗案例設(shè)計要具有可擴(kuò)展性，可根據(jù)學(xué)科建設(shè)、專業(yè)發(fā)展、學(xué)生能力培養(yǎng)的需要以及實驗室建設(shè)的發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)展和優(yōu)化。“單克隆抗體制備”實驗可以與上游與分子生物學(xué)實驗銜接，讓學(xué)生從目的基因克隆開始，經(jīng)過融合蛋白表達(dá)與純化，再進(jìn)行動物免疫，是一項可持續(xù)發(fā)展的實驗項目。

1.2 案例來源

在案例的設(shè)計和選擇上既要體現(xiàn)綜合性、能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時也要考慮到實驗的課時安排和難度控制。

(1) 優(yōu)質(zhì)科研成果轉(zhuǎn)化。學(xué)院承擔(dān)大量的科研項目，可以將其中某些項目進(jìn)行簡化、修改、轉(zhuǎn)化成本科生綜合性實驗案例[8]。“單克隆抗體制備”實驗即為依托同濟(jì)大學(xué)蘇州研究院的技術(shù)優(yōu)勢而開出的高水平實驗，實現(xiàn)了教學(xué)與科研實踐“無縫對接”，保證學(xué)生學(xué)以致用。科研與教學(xué)的良性互動，對提高實驗教學(xué)水平發(fā)揮了重要作用。

(2) 選擇有關(guān)科技論文的內(nèi)容。科技論文通常是對本專業(yè)內(nèi)最新的前沿科技的介紹、論述和總結(jié)。根據(jù)實驗室的條件，選擇其中合適的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，豐富了生物技術(shù)專業(yè)綜合性實驗的案例內(nèi)容。

(3) 對部分基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和重組。充分利用現(xiàn)有的實驗資源，對實驗內(nèi)容和方案進(jìn)行優(yōu)化、重組，從而設(shè)計出符合當(dāng)前教學(xué)要求的綜合性實驗。

1.3 教學(xué)方法

采用了分層次的教學(xué)方法。針對實驗項目中基本實驗技能培訓(xùn)時，教師要手把手教，力求學(xué)生熟練掌握細(xì)胞培養(yǎng)的實驗技術(shù)，幫助學(xué)生牢固樹立無菌操作的概念，確保細(xì)胞不污染，能順利進(jìn)行后續(xù)實驗。而在綜合實驗階段，為提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，采用提高性的實驗教學(xué)方法，要求學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書獨立進(jìn)行實驗操作，教師分階段進(jìn)行點評和指導(dǎo)。

1.4 考核體系

設(shè)計多個指標(biāo)對實驗進(jìn)行綜合考核。實驗考核內(nèi)容主要包括實驗素養(yǎng)、書寫實驗報告水平、實驗動手能力、綜合分析和解決問題的能力以及實驗理論知識考核等5方面。由于“單克隆抗體制備”綜合實驗持續(xù)時間比較長，除了結(jié)果考核，更加強(qiáng)實驗過程考核，其中實驗素養(yǎng)包括實驗過程中的按時出勤、按時記錄、實驗室環(huán)境維護(hù)等考核內(nèi)容；實驗報告主要包括是否按時提交、如實記錄、合理分析等考核內(nèi)容。從學(xué)生對實驗的重視程度、獨立完成研究報告、獨立操作儀器設(shè)備、科學(xué)分析實驗結(jié)果等方面綜合考察學(xué)生的實驗技能和實驗素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度。

1.5 實驗教學(xué)改革效果測評

每學(xué)期實驗課程開設(shè)過程中會編制“細(xì)胞工程“實驗調(diào)查問卷，及時了解學(xué)生對所開設(shè)實驗的意見和建議，以利今后改進(jìn)。在設(shè)計調(diào)查問卷選項前召開部分學(xué)生座談會，收集學(xué)生最關(guān)心的問題，作為選項。通過分析調(diào)查問卷，可以了解綜合性實驗的開設(shè)是否達(dá)到了設(shè)計的目的。是否對學(xué)生的能力培養(yǎng)、綜合素質(zhì)提高有幫助。從問卷調(diào)查結(jié)果來看，學(xué)生對綜合性實驗給予了充分的肯定，認(rèn)為“單克隆抗體制備”實驗內(nèi)容新穎、有趣，體現(xiàn)了實驗技術(shù)的多樣性和先進(jìn)性；實驗技能、科研素養(yǎng)、知識儲備、交流合作、分析問題解決問題等方面有所提高；也反映出由于實驗周期比較長，信心不夠等問題。提示教師在實驗初期應(yīng)多鼓勵學(xué)生，樹立信心。該實驗是同濟(jì)大學(xué)精品實驗建設(shè)項目。目前，與實驗配套的教材即將在正式出版發(fā)行。

2 生物技術(shù)專業(yè)設(shè)計性實驗的教學(xué)改革

設(shè)計性實驗位于三層次實驗教學(xué)體系的頂層，建立在驗證性實驗和綜合性實驗基礎(chǔ)上，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)給定的實驗?zāi)康模灾髟O(shè)計實驗方案[9]、選擇實驗方法和實驗器材、擬定實驗操作程序，自主進(jìn)行實驗操作并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析處理，完成實驗項目研究。設(shè)計性實驗是在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中培養(yǎng)學(xué)生科研能力和創(chuàng)新精神的實驗教學(xué)活動[1]。以“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”實驗項目為例。

2.1 設(shè)計原則

設(shè)計性實驗具有研究性學(xué)習(xí)的屬性，是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、培養(yǎng)創(chuàng)新精神的重要手段[10]。

(1) 研究性。設(shè)計性實驗教學(xué)中，堅持教學(xué)與研究相統(tǒng)一的教學(xué)理念。“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”校級精品實驗項目就是把科學(xué)研究融入本科實驗教學(xué)的例子。圍繞細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)熱點問題，組織學(xué)生在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計實驗方案，選擇感興趣的方法或藥物誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡，然后綜合運(yùn)用多種實驗方法進(jìn)行細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)或生化特征檢測，實驗完成后撰寫研究小論文。設(shè)計性實驗沒有現(xiàn)成的實驗步驟，實驗教學(xué)的過程不再是簡單的“按方抓藥”[11]。通過設(shè)計性實驗訓(xùn)練，學(xué)生可以接觸到科技前沿，從中學(xué)到科學(xué)研究的方法，而且?guī)熒餐瑓⑴c知識發(fā)現(xiàn)的過程，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而使實驗教學(xué)環(huán)節(jié)真正成為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新思維的重要途徑[12]。

(2) 整合性。在設(shè)計性實驗項目設(shè)置中重視學(xué)科交叉與融合，對一些專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課知識點進(jìn)行整合。實驗教學(xué)從一個科學(xué)問題出發(fā)，將實驗內(nèi)容根據(jù)研究對象統(tǒng)一和集中，突出實驗教學(xué)的系統(tǒng)性[13]。“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”實驗教學(xué)以研究小組為組織形式，重視學(xué)生之間以及師生之間的相互配合和思維碰撞。學(xué)生不僅可研究不同藥物對腫瘤細(xì)胞增殖的抑制效果，也可用細(xì)胞生物學(xué)實驗方法觀察凋亡細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征，還可利用分子生物學(xué)手段研究特定凋亡相關(guān)基因的表達(dá)。在實驗教學(xué)體系中，注意理論、技術(shù)與思維的結(jié)合；在實驗內(nèi)容設(shè)計上，加強(qiáng)先進(jìn)科研手段與經(jīng)典實驗內(nèi)容的聯(lián)系和多種實驗技能的綜合應(yīng)用，從而為學(xué)生提供一種整合的、相互關(guān)聯(lián)的知識體系。

(3) 開放性。傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容和方法過于單一的特點[14]已經(jīng)不能完全滿足社會對生物技術(shù)人才的需求。設(shè)計性實驗教學(xué)中堅持以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)為目標(biāo)，堅持以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，在實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗過程、實驗室管理、實驗成績評定方式上實現(xiàn)全方位的開放[15]。“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”設(shè)計性實驗在小學(xué)期集中開設(shè)，在為期1周時間里為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主研究提供開放的實驗室空間。學(xué)生可根據(jù)師生互動確定的實驗方案，系統(tǒng)組合實驗儀器、合理安排實驗進(jìn)度，獨立完成實驗。讓學(xué)生自主選擇教學(xué)內(nèi)容，主動解決在探索過程中出現(xiàn)的問題從而獲取知識、發(fā)展技能、培養(yǎng)能力，特別是創(chuàng)新能力。通過建設(shè)本科生開放實驗室和開放管理機(jī)制，保證實驗過程的開放。

2.2 案例來源

(1) 科研與教學(xué)結(jié)合。抗腫瘤藥物的研究是當(dāng)前熱點之一，是教師科研部分內(nèi)容，而細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)檢測是細(xì)胞生物學(xué)的經(jīng)典實驗項目。“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”設(shè)計性實驗是二者結(jié)合并精心設(shè)計的產(chǎn)物。

(2) 選擇有關(guān)科技論文的內(nèi)容。科技論文通常是對本專業(yè)內(nèi)最新的前沿科技的介紹、論述和總結(jié)，可以根據(jù)實驗室的條件，選擇其中合適的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，作為生物技術(shù)專業(yè)設(shè)計性實驗案例，選題時需要教師把握實驗難度和實驗學(xué)時。

2.3 教學(xué)方法

在生物技術(shù)專業(yè)本科實驗教學(xué)中開創(chuàng)以“模擬科研任務(wù)”為情景的實驗教學(xué)方法，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)基本操作技能的前提下，科研的思維和系統(tǒng)組合各種實驗技術(shù)來實現(xiàn)科研目標(biāo)的能力得到培養(yǎng)。在“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”設(shè)計性實驗中，通過研究藥物的抗腫瘤作用，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)到比較系統(tǒng)的細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)和生化、分子生物學(xué)檢測的實驗操作技能，還系統(tǒng)掌握了藥物誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡研究的常規(guī)思路和方法，尤其是通過實驗，學(xué)生模擬了一次相對完整的科學(xué)研究的過程，培養(yǎng)其科研素質(zhì)。教師在設(shè)計性實驗中“放手但不放任”，除提供詳實的書面實驗指導(dǎo)外，還精心拍攝制作了關(guān)鍵實驗步驟的教學(xué)錄像(《細(xì)胞生物學(xué)實驗》，已由高等教育出版社出版)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供素材。

2.4 考核體系

設(shè)計性實驗的教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，因此僅以實驗結(jié)果和實驗報告來評定學(xué)生的實驗成績已不能順應(yīng)時代發(fā)展的要求。設(shè)計性實驗考核評價體系針對實驗過程中實驗方案設(shè)計、實驗進(jìn)度、實驗完成質(zhì)量、科技論文撰寫等諸多方面進(jìn)行綜合考評。考核的內(nèi)容側(cè)重于對實驗過程的考察和對學(xué)生能力的評定。

2.5 實驗教學(xué)改革效果

自2006年開設(shè)“細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)與檢測”設(shè)計性實驗以來，已取得了大量的教學(xué)成果，其中包括學(xué)生論文集；建設(shè)2項校級精品實驗項目；參編出版實驗教材1部；發(fā)表教學(xué)改革論文3篇。2008年本實驗被評為首批校級精品實驗項目。

3 結(jié) 語

我院生物技術(shù)專業(yè)自2002年招生以來已培養(yǎng)7屆本科畢業(yè)生。綜合分析歷年本科畢業(yè)生的成長出路發(fā)現(xiàn)，升學(xué)和出國的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的65%，就業(yè)人數(shù)占總?cè)藬?shù)的32%，其中2010～2012年的就業(yè)率均達(dá)100%。連續(xù)3年100%的就業(yè)率顯示了我院培養(yǎng)的生物技術(shù)專業(yè)本科生在社會上具有較強(qiáng)的競爭力和美譽(yù)度，畢業(yè)學(xué)生的專業(yè)水平能夠滿足用人單位的基本需求，可作為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中堅力量。

3年來，隨著教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，我院在生物技術(shù)專業(yè)高端人才的培養(yǎng)和輸送中也取得了可喜的成績。除了每年近50%學(xué)生免試讀研外，有越來越多的學(xué)生經(jīng)過專業(yè)知識和實驗技能層層選拔進(jìn)入包括清華、北大、中科院和國際一流大學(xué)進(jìn)行深造，成為生物技術(shù)高端人才的后備力量。例如，2005級本科畢業(yè)生中有18%的學(xué)生進(jìn)入國內(nèi)外一流大學(xué)，到2007級本科畢業(yè)生中有33%進(jìn)入國內(nèi)外一流大學(xué)讀研。

通過跟蹤調(diào)查和分析生物技術(shù)專業(yè)本科生畢業(yè)后的發(fā)展方向，結(jié)果顯示加強(qiáng)綜合性、設(shè)計性實驗的教學(xué)改革，適應(yīng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，對培養(yǎng)未來有望成為國際生物技術(shù)研究領(lǐng)域領(lǐng)軍人物的后備人才具有積極作用。

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