張雅利,孔 宇,亓樹艷,莫曉燕
(西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710049)
生物工程綜合實驗課程的構(gòu)建與實施
張雅利,孔 宇,亓樹艷,莫曉燕
(西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710049)
綜合實驗課程有其特殊的教學(xué)目標(biāo)、實施方案、教學(xué)特色,參照本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)中的一些教學(xué)方法,將綜合實驗課程定位為帶有科研性質(zhì)的系列實驗,通過將相關(guān)課程內(nèi)容有機地融合,拓展學(xué)生所學(xué)的知識,鍛煉其查閱資料、思維創(chuàng)新、團隊合作的能力,初步培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新精神,有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。綜合實驗課程的順利實施需要政策、管理、教學(xué)科研隊伍、實驗室建設(shè)、學(xué)生的先期培養(yǎng)及良好的教學(xué)評價模式作為其保障體系。
綜合實驗;生物工程;保障體系;能力培養(yǎng)
高等教育的基本任務(wù)是培養(yǎng)全面發(fā)展、具有綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的人才[1],工科類學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)是不可或缺的,其中綜合實驗課程是將基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識有機結(jié)合,既體現(xiàn)專業(yè)特色又注意與實踐應(yīng)用接軌的重要環(huán)節(jié)。開設(shè)綜合性實驗,使教學(xué)內(nèi)容與科研相結(jié)合,可以使學(xué)生受到更為直接、實際、全面的研究創(chuàng)新訓(xùn)練,從而提高其綜合創(chuàng)新能力和工程實踐能力,符合高等工程教育規(guī)律。生物工程是將生命科學(xué)領(lǐng)域科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的重要環(huán)節(jié),是一門實踐性很強的學(xué)科。本領(lǐng)域人才的培養(yǎng)對生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義,也對現(xiàn)代高校實驗課程教學(xué)提出了新的要求。但長期以來傳統(tǒng)的實驗教學(xué),讓學(xué)生只會“照方抓藥”,提出問題、研究問題和解決問題的能力偏低,影響全面素質(zhì)的提高。結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)和針對生物工程實踐環(huán)節(jié)的具體特點[2,3],本專業(yè)開設(shè)了《綜合開放實驗》課程。通過綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué),增強學(xué)生的實驗興趣,激發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索精神,在一定程度上提高了學(xué)生的實驗動手能力、查閱資料能力、數(shù)據(jù)處理能力,以及發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力,初步培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力[4]。
“以學(xué)生發(fā)展為本,構(gòu)建學(xué)生自主學(xué)習(xí)、開放式、探究式的實驗教學(xué)新體系,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和研究能力”是本科生綜合實驗教學(xué)的最終目標(biāo)。其核心是注重學(xué)生知識、能力、素質(zhì)三者的融合發(fā)展而不僅僅是專業(yè)能力的發(fā)展,培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)的全面發(fā)展而不局限于在校期間的發(fā)展,張揚學(xué)生的個性發(fā)展而不是按統(tǒng)一模式的發(fā)展,全面提高學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)。
綜合實驗是建立在傳統(tǒng)的演示性實驗、驗證性實驗基礎(chǔ)之上的一種新型實驗課程體系,經(jīng)過幾年實踐,總結(jié)出以下幾個特點。首先,選題由教師或?qū)W生自己確定,實驗方案接近工程實際,積極應(yīng)用新技術(shù),體現(xiàn)高新技術(shù)向課程的滲透。其中與教師科研相結(jié)合的課題使得實驗層次有所提高,更具有探索性和創(chuàng)造性。其次,選題一經(jīng)確定,學(xué)生充分發(fā)揮其主觀能動性,認真查找資料并設(shè)計實驗方案,由過去的被動實驗變?yōu)橹鲃訁⑴c,鍛煉了學(xué)生的設(shè)計能力和綜合創(chuàng)新意識。最后,在教學(xué)組織上,實現(xiàn)2~3人一組,組長負責(zé)協(xié)調(diào),學(xué)生之間既有分工又有合作,教師對各環(huán)節(jié)給予有目的的指導(dǎo),推進和保障實驗內(nèi)容的順利實施。
綜合實驗教學(xué)過程可按以下步驟進行。第一階段:實驗分組、選定研究課題。綜合實驗選題的一般原則[5-7,11]。
1.具有相對完整性。綜合實驗應(yīng)選取比較典型的工程問題,涉及本科生所學(xué)課程的多個知識點,實驗內(nèi)容形成一個相對完整的工程訓(xùn)練體系,達到訓(xùn)練學(xué)生學(xué)會分析和解決工程實際問題的目的。
2.具有可行性。應(yīng)根據(jù)實驗經(jīng)費和實驗室具體情況,結(jié)合學(xué)生所學(xué)知識,選取工業(yè)生產(chǎn)中具有代表性的技術(shù)問題為實驗內(nèi)容。大多數(shù)問題應(yīng)該難度適中,使學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)經(jīng)過努力可以解決,易于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
3.具有應(yīng)用性和可拓展性。開出的綜合性實驗要聯(lián)系企業(yè)對工科大學(xué)生在技術(shù)層面上的要求,給學(xué)生一個較大的處理問題的空間。通過實驗設(shè)計將各門課程學(xué)習(xí)的各種實驗技能有機整合,并且靈活應(yīng)用,解決實際問題。實驗的每個環(huán)節(jié)能深能淺,各自都能相對獨立和深入拓展。學(xué)生在實驗中既有規(guī)范指導(dǎo)而又不受到規(guī)范的約束,重在通過實驗而得到思維過程的訓(xùn)練,基本上掌握解決一般工程問題的途徑。
4.具有綜合性和靈活性。知識是一個聯(lián)系緊密的整體,實驗中所包含的知識之間并非孤立,而是相互聯(lián)系、相互作用的。因此綜合實驗設(shè)計時不僅要考慮知識的覆蓋面,而且要著重考慮知識間的聯(lián)系,使整體功能得以最大限度地發(fā)揮。學(xué)生可充分利用基礎(chǔ)課和專業(yè)課的知識以及所掌握的實驗技能,充分利用實驗室的儀器設(shè)備,自行設(shè)計多種方案,在教師的指導(dǎo)下,修改完善課題方案,鍛煉提出假設(shè)、構(gòu)想技術(shù)路線和預(yù)期結(jié)果的能力。第二階段:開題論證。對學(xué)生初步方案的可行性、難度進行論證、分析,在教師的指導(dǎo)下,修改完善課題方案,填寫開題報告。培養(yǎng)學(xué)生提出假設(shè)、構(gòu)想技術(shù)路線和預(yù)期結(jié)果的科研能力。第三階段:實驗設(shè)計。教師先講解有關(guān)的文獻資料及查閱方法,然后明確實驗的內(nèi)容、意義、重點、難點及需要解決的問題,為設(shè)計實驗方案奠定基礎(chǔ)。學(xué)生在課下根據(jù)自己所感興趣的課題,在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上設(shè)計實驗方案。要求學(xué)生在報告實驗方案過程中,明確本課題實施的技術(shù)路線、實驗內(nèi)容以及實驗方法,使不同課題組之間達到課題方案交流、互相啟發(fā)、互相學(xué)習(xí)、取長補短的效果。根據(jù)每個組的實驗方案,結(jié)合實驗室的具體條件,教師對課題方案進行評定,強調(diào)課題的理論依據(jù)、意義、創(chuàng)新性及可行性,并指出課題實施過程中的具體問題。第四階段:課題實施。學(xué)生根據(jù)方案分組實驗,課題組獨立完成實驗方案實施的全過程,教師主要是解答問題,宏觀調(diào)控,把握進度,引導(dǎo)學(xué)生獨立思考,鍛煉其動手能力,同時使學(xué)生將各專業(yè)課知識融會貫通,提高綜合運用知識及獨立工作的能力。教師定期組織學(xué)生進行學(xué)術(shù)討論,通過討論使各組互相了解實驗內(nèi)容、研究思路和創(chuàng)新點等,也便于指導(dǎo)教師掌握各組的實驗進度、存在問題,并指出努力方向。要求學(xué)生隨時匯報工作進展,研究解決出現(xiàn)的問題,制定下一步工作方案。為每一位同學(xué)提供講解的機會,鍛煉其表達能力。第五階段:總結(jié)成果,進行答辯。要求學(xué)生根據(jù)自己在一定時間內(nèi)的工作,按科研論文的形式寫出規(guī)范的研究報告。由教師組織答辯。根據(jù)學(xué)生資料查詢、實驗方案設(shè)計、實際操作、實驗報告寫作、答辯記錄等幾個方面綜合評定學(xué)生成績。
根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件,開設(shè)了“人白細胞介素2原核表達系統(tǒng)的建立”、“大豆中脲酶的提取、分離、鑒定、活性以及反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的測定”、“產(chǎn)纖維素酶微生物菌種的分離和篩選”等綜合性實驗。實驗內(nèi)容包括了原核系統(tǒng)的建立、表達、分離,生物活性有效成分的提取、分離、純化、活性測定、定性定量檢驗,培養(yǎng)基的制備、實驗材料的收集、微生物菌種的分離、純化及產(chǎn)物鑒定等數(shù)十個綜合性、設(shè)計性實驗,覆蓋了整個生物工程產(chǎn)業(yè)的上、中、下游過程,涉及生物化學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程、生物物質(zhì)分離及現(xiàn)代儀器分析等專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課,使學(xué)生得到全過程、全方位的科研訓(xùn)練,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工作的責(zé)任心,為學(xué)生的就業(yè)以及再深造學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。在實施過程中,以下幾方面是我們關(guān)注的重點。一是實驗教學(xué)與科研相結(jié)合。指導(dǎo)教師在確定實驗題目時,結(jié)合實驗室經(jīng)費、科研立項基金或教師的科研項目內(nèi)容和研究目標(biāo),選擇適當(dāng)?shù)目蒲许椖恐械牟糠盅芯績?nèi)容,作為學(xué)生綜合實驗教學(xué)中的課題。不僅加深了實驗課教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度,而且可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和工作作風(fēng),消除學(xué)生對科研的畏懼感和神秘感,大大提高學(xué)生對科研的興趣和自信[8]。二是教學(xué)方法上講授、討論、實驗研究三結(jié)合。在綜合型實驗中,教學(xué)方法由已知知識的“傳授法”變?yōu)樘剿魑粗摹爸笇?dǎo)法”。教師對課題要求、新儀器與設(shè)備的應(yīng)用、科研的環(huán)節(jié)和方法進行專題講授,引導(dǎo)學(xué)生檢索、查閱文獻資料和工具書,對查閱的文獻資料和方案進行集體討論,有效地鍛煉學(xué)生檢索文獻資料,分析與評價他人研究工作的能力。在教師組織下,通過討論,制訂和完善實驗方案,根據(jù)方案分階段實施。教師的精講、解疑和指導(dǎo)都是根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的具體情況有針對性地進行,以學(xué)生講述和爭論為主,教師及時給予解疑和幫助。這種教學(xué)方法將學(xué)生本科后期從事畢業(yè)設(shè)計乃至研究生階段的教學(xué)方法引入專業(yè)基礎(chǔ)課實驗,為突破以講授為中心的教學(xué)法提供了新的途徑[9]。三是加強實驗教材改革,綜合實驗課程教學(xué)中我們注意了實驗課題的設(shè)置水平,確保學(xué)生進行實驗設(shè)計時必須參考一定數(shù)量的文獻資料。據(jù)統(tǒng)計,每位學(xué)生平均查閱期刊5種,參考文獻9篇,多的達20多篇。四是重視實驗前的準(zhǔn)備,綜合實驗課程中通過讓學(xué)生自己準(zhǔn)備實驗,使學(xué)生懂得每做一個實驗不僅要花費不少財力物力,而且還要付出大量的辛苦勞動,更加珍惜每一次實驗,進而提高學(xué)習(xí)的積極性。有些學(xué)生通過查閱資料發(fā)現(xiàn)普通食用黃豆和黃豆種子在脲酶活性上有差異,于是自己跑到楊凌農(nóng)科所購買了黃豆種子作為實驗材料,學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情特別高漲,求知欲望更加強烈,學(xué)習(xí)效果更為顯著。五是加強實驗中的指導(dǎo)和結(jié)果分析。首先,必須使學(xué)生對實驗的目的、步驟及所用儀器、工具、藥品等有較透徹的了解之后才能動手,切忌盲目行事。其次,必須具體講解觀察方法、步驟及注意事項。再次,對某些技巧性較強的步驟,教師需精心指導(dǎo),并讓學(xué)生反復(fù)練習(xí),比如在脲酶分離時的裝柱。最后,對某些實驗,教師可根據(jù)教學(xué)需要或本校的實驗條件,適當(dāng)改變實驗方法或步驟進行指導(dǎo),不必拘泥于教條式的教學(xué)。強調(diào)學(xué)生做好操作過程的紀(jì)錄,注重對實驗效果的分析,要求學(xué)生實事求是,不受主觀臆斷約束,不可抄襲書本或他人的實驗結(jié)果。成功的實驗結(jié)果易于分析,而失敗的結(jié)果分析往往使學(xué)生感到困惑,找不出失敗的原因所在。例如有些學(xué)生第一次裝柱后發(fā)現(xiàn)有大量的氣泡存在,花費了很多時間仍不能使氣泡除凈,以致影響實驗的進程,通過查閱資料及多次嘗試,找到了煮沸的訣竅。雖然因查找原因多用了時間,但卻教會學(xué)生必須以科學(xué)態(tài)度認真對待每一步實驗操作,并且要及時地發(fā)現(xiàn)和解決實驗中的各種問題。六是實驗課程論文的寫作。改革了羅列實驗數(shù)據(jù)、敘述實驗過程的做法,要求學(xué)生以科研論文的形式撰寫實驗報告。報告內(nèi)容增加了文獻資料查閱、方案設(shè)計、實驗結(jié)果分析和實驗結(jié)論等內(nèi)容[9]。強調(diào)參與與互動,自評與他評相結(jié)合,實現(xiàn)考核評價主體的多元化。綜合實驗時間安排在每學(xué)期期末考試前進行,為期半個月。將考核內(nèi)容分為3個部分:實驗設(shè)計占30%,實驗過程綜合表現(xiàn)占30%,實驗課程論文占40%??己藰?biāo)準(zhǔn)在實驗開始前予以公布。強調(diào)考核成績不是單純以實驗結(jié)果好壞評定,而且要看學(xué)生的實驗的綜合能力,包括對實驗原理的理解程度、實驗操作技術(shù)、實驗結(jié)果及分析、綜合能力等。打破了以教師為主的單一評價主體模式,逐步形成由教師、學(xué)生、實驗技術(shù)人員,甚至包括專業(yè)研究人員共同參與的交互過程。將評價變成了主動參與、自我反思、自我教育、自我發(fā)展的過程,充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[10]。
第一,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性思維。通過綜合實驗課程的開設(shè)以及教學(xué)方法的改革,實驗課堂氣氛活躍,
學(xué)生不再是機械地做實驗,而是主動閱讀教材,查閱資料,與同學(xué)和教師共同探討實驗過程和結(jié)果,大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲望。每個同學(xué)提交的方案都顯示了他們的努力和能力,表明他們是在查閱了大量文獻的基礎(chǔ)上,經(jīng)過積極的思考后寫成的。大大激發(fā)了他們探索問題的興趣,提高了學(xué)習(xí)的自覺性。要求學(xué)生在設(shè)計實驗方案時,必須強調(diào)實驗的可行性,同時也強調(diào)實驗室在開放實驗中,實驗器材、器具等實驗用品不可能樣樣俱全,要求學(xué)生開動腦筋,積極思維,鼓勵學(xué)生因地制宜自行設(shè)計和制作,解決實驗中的具體問題。這樣做,不僅可以節(jié)約開支,而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性以及解決實際問題的能力。第二,培養(yǎng)了學(xué)生的科研素質(zhì),綜合實驗使學(xué)生對科學(xué)研究工作有了初步的認識。無論是獨立設(shè)計實驗方案,還是在實驗中遇到問題,除了教師的指導(dǎo)外,都需要同學(xué)們自己查閱文獻資料,完善實驗設(shè)計,解決遇到的問題。為此,他們不斷地跑圖書館、資料室,掌握了多種文獻檢索的方法,也更加熟悉了相關(guān)的資料、刊物,培養(yǎng)和鍛煉了他們的獨立學(xué)習(xí)能力,拓寬了知識面,也使他們初步掌握了尋找課題、開展課題研究的基本方法。每次實驗前,實驗安排、實驗步驟的欠缺和不清晰是造成同學(xué)們實驗混亂、失敗的主要原因之一。比如有些組在設(shè)計方案時用丙酮作為脲酶提取劑,可在實驗過程中發(fā)現(xiàn)提取液非常粘稠以致于無法進行后續(xù)分離,不得不重復(fù)提取實驗。實驗完成后,同學(xué)們切實認識到了寫好實驗方案、合理安排實驗、做好實驗記錄、熟悉各個實驗環(huán)節(jié)的重要性,認識到只有做到心中有數(shù),才能使實驗順利進行,獲得科學(xué)的結(jié)論,嘗到成功的滋味。在整個實驗過程中,由于同學(xué)們是第一次按照這種模式學(xué)習(xí)實驗課內(nèi)容,一開始很興奮,想得也很簡單,在實際操作過程中,才發(fā)現(xiàn)這種學(xué)習(xí)方式是想著容易做著難。面對大量同一操作的重復(fù),面對實驗的失敗,他們必須投入比過去多的多的時間和精力拓寬自己的知識面,解決實驗中遇到的問題,除正常的課堂時間外,還需要利用業(yè)余時間完成實驗。兩周的實驗做下來,同學(xué)們認識到進行科學(xué)研究需要縝密的思維、正確細致的實驗操作,需要毅力、膽識,更需要吃苦耐勞和敢于面對失敗和堅持到底的精神??茖W(xué)實驗的全程訓(xùn)練,提高了學(xué)生的實驗操作技能。從查文獻到確定實驗對象,從實驗原理到具體操作,從實驗儀器到實驗藥品,從藥品主要指標(biāo)的測定到國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),從實驗數(shù)據(jù)的采集到實驗數(shù)據(jù)的分析,最后形成實驗報告。一系列的實驗過程都是由學(xué)生在查閱文獻的基礎(chǔ)上自己設(shè)計和完成,沒有統(tǒng)一的模式要求,給學(xué)生留下了廣闊的發(fā)揮空間,富有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性。學(xué)生在獨立準(zhǔn)備、獨立完成實驗的過程中,操作技術(shù)普遍得到了良好的訓(xùn)練。實驗中,盡管教師多次強調(diào)實驗操作要正確、嚴(yán)謹,但同學(xué)們?nèi)圆粔蛑匾暎钡剿麄儚氖≈薪邮芰私逃?xùn)。在撰寫實驗報告的過程中,學(xué)生學(xué)會了分析實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)實驗過程、探討實驗中遇到的各種現(xiàn)象和問題;同時也學(xué)會了用計算機處理實驗小論文的內(nèi)容。學(xué)生的學(xué)習(xí)方法“由死變活,由被動變?yōu)橹鲃印?,他們不僅加深了書本知識的理解和認識,還熟悉了科研的基本方法和思路。第三,培養(yǎng)了學(xué)生的良好學(xué)風(fēng),提高了他們的道德素質(zhì)。由于常常會有幾個課題小組同時在實驗室做實驗,實驗室的衛(wèi)生和秩序就顯得更加重要。整個實驗進行過程中,同學(xué)們逐步認識到了這一點,從開始的手忙腳亂、雜亂無章到有條不紊、秩序井然,并相互為對方創(chuàng)造有利的條件和環(huán)境。提高了他們的公共意識,這為他們今后的學(xué)習(xí)和工作奠定了良好的基礎(chǔ)??偟膩碚f,綜合實驗充分給予了學(xué)生思考、選擇、自學(xué)、嘗試和失敗的權(quán)利,約束力大大減小,特別是思維約束的打破,使他們勇于思考、勇于創(chuàng)新,活躍了思維,開闊了思路,體會了樂趣。
一要加強實驗室管理,確保綜合實驗課程順利實施。在綜合實驗過程中,學(xué)生對藥品、器具、儀器的使用量大,并且具有一定的隨機性。為了確保實驗合理、有序地進行,應(yīng)采取相應(yīng)管理措施。在今后的工作中,還要對綜合實驗的模式進行深入摸索,進一步拓展學(xué)生選題的廣度和深度,同時逐步改進實驗室的現(xiàn)有條件,逐步實現(xiàn)生物工程實驗室全面而有序的開放。二是綜合實驗課對教師提出了更高的要求。學(xué)生的個性、素質(zhì)、思維方式不同,在預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)、講述和實驗中提出的見解和問題也不同,這就要求教師對實驗操作、專業(yè)知識等有扎實的基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗,還要對本專業(yè)及相關(guān)學(xué)科的研究動態(tài)和新成果有所了解,才能更好地指導(dǎo)學(xué)生。指導(dǎo)綜合實驗的教師不但知識面要寬,而且要有實踐經(jīng)驗。要善于引導(dǎo)學(xué)生仔細觀察實驗過程細節(jié),在刻意或自然的過程中使學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹求實的工作作風(fēng)和善于學(xué)習(xí)的習(xí)慣。教師要組織好小組內(nèi)各個實驗方案設(shè)計的答辯會、小組間交流會,可以此作為學(xué)生中的學(xué)術(shù)活動。特別是綜合實驗后的小結(jié),讓學(xué)生總結(jié)哪些是成功的做法,哪些是失敗的做法,失敗的原因,需要改進的地方,促進教學(xué)相長,不斷改進和完善教學(xué)過程。
綜合型實驗課程改革是一項長期的系統(tǒng)工程,任重而道遠。隨著學(xué)科的發(fā)展以及社會對人才需求標(biāo)準(zhǔn)的提高,我們的實驗教學(xué)改革還有待進一步深化和完善。而就目前我們正在進行的改革實踐,也仍有許多問題需要進行深入探討和解決。我們將努力學(xué)習(xí),積極探索,勇于實踐,不斷推進生物工程本科生實驗教學(xué)的改革,培養(yǎng)更多更好的具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)人才。
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G642.0
A
1674-9324(2014)13-0202-04
西安交通大學(xué)教改項目:生物工程綜合開放實驗課程建設(shè)與實踐。
孔宇(1976-),男,陜西南鄭人,西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,生物科學(xué)與工程系副主任,副教授,從事生物工程專業(yè)教學(xué)管理工作和綜合開放實驗教學(xué)工作。