基于學科交叉融合的微生物學實驗教學改革探索

陳獻忠　樊游　沈微

摘要：微生物學作為實踐性較強的一門學科，是生物工程專業和生物技術專業最重要的基礎課程之一。微生物實驗教學具有與理論教學同樣甚至更重要的地位。江南大學生物工程學院在總結多年教學實踐的基礎上，對微生物實驗教學進行了系列改革探索。基于多學科交叉融合的知識體系和遞進提高式教學理念，將實驗課程分為單元操作實驗、綜合型實驗、設計型實驗和創新型實驗。同時，對課程考核模式也做了相應的改革。實踐表明，教學改革使得課程設置更科學合理，學生學習興趣極大提高，教學效果顯著提升。

關鍵詞：微生物學實驗課程；多學科融合；教學改革；教學質量；創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0108-03

微生物學是生物學和生命科學領域中極為重要的基礎性學科，同時也是生物工程和生物技術專業的核心課程。由微生物學的發展史不難看出，該學科最重要的特征就是具有實驗性和實踐性，同時具有很強的應用性。微生物學實驗教學既是對微生物基本理論的深化和鞏固，又是培養學生觀察能力、動手能力、分析問題和解決問題能力的最有效途徑，更是培養學生創新能力、科學思維和提高對本專業學習興趣的重要手段。因此，在開設微生物學課程時，微生物學實驗也是既重要又十分必要的課程。我校的生物工程、釀酒專業和生物技術三門本科專業盡管分屬于工科、理科性質，但均側重于培養本領域具有國際視野、創新思維和解決實際問題的高素質人才。特別是我校“國家生命科學與技術人才培養基地”的人才培養目標明確定位為“培養適合社會發展的具有創新精神、實踐能力和創業能力的新世紀高層次工業生物技術人才”。同時，微生物學是多個相關學科的聯系紐帶，特別是生物化學、分子生物學、細胞生物學和發酵工藝學等本專業的學科平臺課程和專業核心課程，均依賴于微生物學科的支撐。同樣，微生物學和微生物實驗課程的知識體系、基本理論和前沿進展又離不開其他學科的支撐，因此，在學科交叉與知識融合的背景下，在本科課程設置和教學模式改革中，我們特別注重微生物學實驗教學的教學模式改革和實踐效果。

一、微生物學實驗課程的傳統教學模式及不足

微生物學實驗是微生物學的重要組成部分，也是微生物學教學的重要環節。從培養人才目標上來看，微生物學實踐教學與微生物理論教學具有同等重要的地位，甚至更高。就我校生物工程專業，微生物學理論課程設定40學時，而實驗課程設定48學時，這也從一定程度上反映了實驗教學的重要性。傳統的實驗教學雖有區別，但總的來看多以單元操作實驗、結果驗證實驗為模塊進行課程設置，其出發點是以掌握基本實驗技能，加深基本概念和理論為目標的。就其出發點來看，傳統的實驗教學設置課程體系是發揮了良好的效果。但是，對照培養高素質、寬口徑和創新型生物工程人才的培養目標來看，傳統的實驗教學仍有一些不足之處，概況起來有以下幾點。一是在主觀認知上，認為實驗課的目的是驗證課堂講授的理論內容，常采用實驗課堂上教師單純講解示范，學生一味跟蹤模仿，造成了學生被動接受知識的效果。長此以往，實驗教學形式僵化，學生上課興趣降低，導致最終的教學效果很難達到預期目標。二是實驗教學內容的設計上呈現點狀式、碎片化特征，驗證實驗過多，綜合型、設計型實驗環節較少。這種實驗內容的設計優點是強調對基礎實驗技術的掌握，但是很難充分激發學生的創新思維和探索未知世界的興趣。三是實驗安排上采取每周有實驗，理論課和實驗課并行的特征，導致一些連續性的實驗難以及時完成。這種實驗課程學時的安排布局看似合理，實則不符合微生物學實驗的基本規律，因為有些微生物學實驗需要半天、一天甚至更長時間才能完成，而零碎的時間打斷了實驗的節奏，導致不可預知的實驗結果，更為重要的是沒有給學生充分的時間去思考、分析和吸收消化所學知識，教學效果肯定大打折扣。為此，我們在吸收、總結傳統實驗教學精髓的基礎上，根據工科專業人才的培養特征，探討和嘗試了一些微生物學實驗課教學的新舉措。

二、微生物實驗教學改革的探索與實踐

1.微生物實驗課程的體系改革。傳統的微生物學實驗主要包含無菌技術、染色技術、純培養技術、顯微技術這四大技術。如前所述，一方面，這些實驗技術是基本的微生物學實驗操作，隨著生命科學特別是微生物學科的快速發展，僅僅開設這樣實驗內容是跟不上學科發展的步伐的，因此微生物實驗教學體系結構也要有相應的改革和創新，必須體現新內容、新技術、新方法和新進展。另一方面，實驗課程通常將這些實驗技術分散在相對獨立的實驗單元中，各單元之間缺乏方法和內容的有機結合，形成割裂的教學效果，難以有效地培養學生完整的知識體系，融會貫通的理解能力。這種傳統的教學形式不利于創新型人才的培養。因此，我們在課程實驗教學環節，重構課程實驗的教學內容和課程體系，增加綜合和設計型實驗比重，進行基本技能和創新能力的交叉遞進式培養。

首先，通過單元操作技能訓練，培養學生的基本實驗技能（即染色技術、顯微技術、無菌技術、純培養技術）和動手能力。本部分內容主要包括細菌、放線菌、酵母和霉菌的形態學特征；微生物培養基的配制和接種；微生物培養基的配制與滅菌等。單元操作訓練是認識微生物、了解微生物的入門技能，也是開展微生物學研究和微生物工程必備基本技能。在開展單元實驗過程中，為提高學生的積極性和實驗興趣，首先結合教學錄像進行講解，在實驗的關鍵點設置思考題，在觀看錄像過程中，老師隨時就問題和學生互動，讓學生對實驗原理不僅要知其然，還要知其所以然。在問題設置上要能夠從細節入手，讓學生學會知識的交叉運用、思維方式的靈活拓展。如在進行培養基滅菌實驗中，首先設置問題1：常見的滅菌方式有哪些？其適用范圍和特點有哪些？根據所學理論知識和老師引導，學生很容易回答這個問題。接著，設置問題2：無菌操作時，超凈臺面和雙手表面如何殺菌？通過這個問題與接種操作技術結合起來。設置問題3：我們在消毒時為何用70%左右的酒精而不是用無水乙醇？通過這個將微生物學和生物化學兩個學科進行了有機交叉，實現了知識的融合。緊接著設置問題4：如果工程發酵罐中發現了噬菌體污染，如何消毒？這個問題將理論問題與發酵工程相結合，該問題要求學生既要掌握理論知識，也要熟悉發酵工業才能很好地進行回答。通過四個環環相扣的問題實現了知識的遷移、交叉和融合。其次是通過綜合實驗設計，強化學生基本實驗技能和微生物學基礎理論知識的應用。在這一部分中，首先由教師將一系列獨立單元實驗設計成圍繞為解決某一模擬課題而展開的系列關聯的實驗環節，然后學生利用微生物理論知識結合基本實驗技能，在遵循微生物基本原理基礎上在一定范圍內自主選擇實驗對象。讓學生學習和掌握相關的實驗技術和方法并學會對不同實驗結果進行分析比較。以自來水中大腸桿菌菌群檢測為例，利用微生物的生理生化實驗進行微生物的鑒定，并對照水質檢測的國家標準來安排實驗。在這個實驗過程中，不僅利用了微生物學基本實驗操作，而且還將大腸桿菌的形態學特征、生理生化特征以及菌種鑒定等知識融合到實驗中。更為重要的是，讓學生直接認識到微生物特別是大腸菌群在水質監測中作為指標菌的重要應用。再次，通過設計型實驗，提升學生利用微生物學理論和實驗技術開展工業微生物菌株選育的能力。在這一層次上采用學生自主設計、老師負責把關的開放式實驗教學模式，強化工程概念和實踐特征。學生通過完成前面兩個階段的實驗，對微生物基本理論和實驗技能有了較好的理解和掌握。在此基礎上，開放式的實驗教學按照自由組合分組、獨立設計實驗方案、協同完善內容安排、時間分配，強調團隊合作的基本原則開展實驗。老師在整個過程中要起著引導、啟發作用。例如：以“從自然界中篩選產酸性淀粉酶（或有機酸）的芽孢細菌”研究課題開展實驗為例。學生需要完成如下工作：通過生境分析明確采樣地點；完成采樣并查找或自行設計快速檢出方法；進行富集和選擇培養；篩選獲得相對優良的產生菌株；初步鑒定和發酵實驗。整個環節的完成不僅可以提高學生對實驗課的學習興趣，強化團隊協作能力，更重要的是使他們獲得一個真實的實驗研究過程的鍛煉。最后，設置交叉學科的創新課題，引導學有余力的同學積極參與授課老師的相關科研課題，激發學生對生物工程和生命科學的興趣。如前所述，微生物與分子生物學、生物化學、遺傳學、生物信息學等學科有著廣泛的交叉與聯系，當今工業微生物育種技術在多學科交叉融合的發展趨勢下取得了長足的進步。因此，培養創新潛力大、科研素質高的學生，普通的實驗設計難以滿足需要。我們在不斷的探索過程中，初步形成了創新課題的形式，讓部分學生真正參與到科學研究的第一線。創新課題實驗按照學科交叉、由易到難、注重創新的原則設置。在學生能夠獨立完成小型課題的基礎上，再進一步融入到研究生課題的探索中。如，以“表達綠色熒光蛋白的重組大腸桿菌構建”為課題，將微生物學、分子生物學、生物化學、基因工程、生物信息學等相關學科知識交叉、融合其中，讓學生在探索中創新，在創新中實現寬口徑、厚基礎型的人才培養目標。

2.微生物實驗課程的課時安排和考核模式改革。如前所述，傳統的實驗教學課時安排導致不適宜于微生物實驗課程的開展。為了避免分散的課時導致教學效果的降低，教務部門在安排班級教學任務時，會統籌考慮不同課程的差異性，在協調優化課時安排的基礎上，排出相對完整的時間安排微生物實驗課程教學。另外，任課教師統籌利用下午和晚上連續較長的時間開展教學工作。實踐證明，優化課程學時結構，合理安排教學課時能夠保障實驗的連貫性、一致性，提高學生的積極性，從而顯著提升教學效果。考核是實驗教學體系的重要環節，是評估學生學習成效的重要手段。傳統微生物學實驗考核方式相對單一，通常以實驗報告為主，考勤情況等為輔綜合評定的方法作為考核手段。這種評價方法盡管具有標準公平、成績公正、易于操作等優點，不足之處在于導致學生僅注重實驗結果和實驗報告的書寫，而忽視了實驗過程中發現問題、分析問題和解決問題能力的培養，更重要的是這種考核模式難以真實反映學生對微生物學理論和實驗技能的綜合分析能力和創新能力。因此，我們也對微生物學實驗課程考核方法進行了一些探索和嘗試。

首先，我們認為考核的內容不僅應包括對實驗原理的理解和基本實驗技能的掌握，還應包括分析和解決問題的能力、團隊協作精神以及科學嚴謹的態度。因此，實行實驗過程與結果并重的考評方法對于培養學生良好的實驗技能和求真務實的科學態度很有必要。

其次，在加強對實驗課程的管理和考核規范的前提下，淡化和簡化實驗報告中操作步驟按部就班的抄寫，注重結果分析和討論，并在實驗結束后布置一些開放性的思考題讓學生完成。這樣，不僅能促使學生通過查閱資料解決問題，增強其學習主動性和分析問題的能力，也能避免學生對實驗結果作假和抄襲實驗報告的現象發生。

再次，分類考核，全面考查。對于一次實驗課能夠完成的單元操作實驗，指導教師應當場檢查學生的實驗完成情況和結果，發現問題當場指出并評定課堂表現成績。教師將根據實驗課堂表現和實驗報告完成情況，對每個單元實驗的綜合成績進行評分。對于需要多次實驗才能完成的綜合性和設計性實驗，要求提供詳細的原始記錄、實驗結果分析報告作為實驗成績考核的重要依據。

三、結語

江南大學生物工程學院的微生物學理論教學和實驗教學在多年來不斷探索和改革的過程中，逐漸形成了具有特色的學科平臺課程。在教學過程中，微生物學理論課老師一般都要擔任微生物學實驗教學課程，這樣老師能夠更好地自主協調和平衡理論教學與實驗課程在時間、節奏和進度上的合理安排，從而使二者能夠相輔相成，相得益彰，整體上提高微生物學的教學水平和質量。通過單元操作實驗、綜合實驗、設計實驗和創新實驗等由易到難、由淺入深的實驗內容結構安排，對學生更好地理解和消化理論課，培養學生動手能力、創新能力有重要的意義。

參考文獻：

[1]諸葛健，李華鐘.微生物學[M].第2版.北京：科學出版社，2009.

[2]周宜君，劉越，戴景峰，等.微生物學實驗教學改革探索與實踐[J].微生物學通報，2009，36（10）：1609-1613.

[3]張榮珍，饒志明，段作營，徐巖.創新性實驗設計是工程應用型人才培養模式的重要環節[J].成才之路，2014，8（22）：86-87.

[4]李崴，周宜君，戴景峰.淺談案例教學在微生物學教學中的應用[J].微生物學通報，2016，43（2）：403-409.