細胞生物學(xué)綜合性實驗的教學(xué)設(shè)計與應(yīng)用

覃永華+徐鑫+余光輝+唐仙英+程旺元??

摘要：細胞生物學(xué)是生命科學(xué)類的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生基本實驗技能和創(chuàng)新思維的重要平臺。本文立足于提高細胞生物學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量和效果，針對現(xiàn)行實驗教學(xué)的弊端，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面探索開放式、研究型的綜合性實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的動機來調(diào)動學(xué)生自身參與知識建構(gòu)的主動性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：細胞生物學(xué)實驗；綜合性實驗；研究性實驗；開放教學(xué)

細胞生物學(xué)作為生命科學(xué)中的一門重點學(xué)科，其實驗教學(xué)在課程教學(xué)中起著舉足輕重的作用，不僅有助于學(xué)生對細胞生物學(xué)中重要知識點的學(xué)習(xí)和理解，同時對培養(yǎng)學(xué)生的細胞學(xué)實驗技能與創(chuàng)新思維起至關(guān)重要的作用。但現(xiàn)行的實驗教學(xué)由于諸多因素很難行之有效，主要表現(xiàn)在以下兩點：第一，單一的實驗教學(xué)枯燥，很難讓學(xué)生積極主動地去學(xué)習(xí)；第二，實驗內(nèi)容簡單過時，基本上是驗證性實驗，缺乏綜合性、設(shè)計性。在實驗教學(xué)中開展綜合性實驗內(nèi)容、實行開放式管理的創(chuàng)新實驗教學(xué)模式是高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才、實現(xiàn)素質(zhì)教育目標(biāo)的重要途徑，也是為學(xué)科專業(yè)競賽提供人才、為教師科研提供助手的重要途徑。為了更好地發(fā)揮綜合性實驗的教學(xué)特色，教師要以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識為主，鼓勵學(xué)生探索知識，提高學(xué)生的整體素質(zhì)。筆者針對細胞生物學(xué)綜合性實驗的安排和實施、存在的問題和解決方案等環(huán)節(jié)進行一定的探索，以期探索一套開放式、研究型的綜合性實驗教學(xué)模式。

一、開放式、研究型的綜合性實驗教學(xué)模式

1研究型教學(xué)內(nèi)容的安排

細胞生物學(xué)作為生物學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，實驗教學(xué)的開設(shè)與之相輔相成，是對理論教學(xué)的重要補充和鞏固。在以往的教學(xué)中，由于實驗條件等硬件設(shè)備的限制，實驗課程的開設(shè)局限于顯微觀察等較為簡單的內(nèi)容。對于那些推動細胞生物學(xué)快速發(fā)展的新技術(shù)、新方法，特別是在現(xiàn)今實驗室廣泛采用的實驗技術(shù)等，由于實驗教學(xué)平臺的不足而導(dǎo)致綜合性實驗無法開設(shè)，客觀上造成了學(xué)生在實驗課堂上僅能學(xué)到較為簡單的實驗操作，而對先進技術(shù)方法的認識和理解停留在書面上，造成實驗教學(xué)與理論教學(xué)的脫節(jié)。

細胞生物學(xué)作為生物學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，實驗教學(xué)的開設(shè)應(yīng)與理論教學(xué)相輔相成，并作為理論教學(xué)的有力補充和鞏固。我校細胞生物學(xué)的理論課往往在大二第一學(xué)期，學(xué)生剛剛接觸專業(yè)課，并且生物學(xué)相關(guān)知識和實驗技能缺乏，甚至連顯微鏡的基本操作都不熟練。因此，綜合實驗的開設(shè)應(yīng)建立在基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，而且不能脫離學(xué)生對理論知識的理解。

基于上述相關(guān)情況，筆者在細胞生物學(xué)實驗教學(xué)后期針對不同專業(yè)提供一系列相關(guān)的綜合性實驗，教師可以針對學(xué)生的不同興趣來制訂實驗方案；學(xué)生則可以自由模擬實驗的內(nèi)容和方案；實驗中的缺點和漏洞必須由教師指點后，方可開展。綜合性實驗開設(shè)在課程后期，具體完成由學(xué)生自由支配時間，在學(xué)院實驗室內(nèi)完成實驗。比如，基于水稻原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化的亞細胞實驗。原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化實驗在各實驗室里廣泛應(yīng)用，已成為一種非常重要的細胞生物學(xué)類實驗技術(shù)，但由于該實驗操作時間長而且實驗教學(xué)不具備熒光共聚焦顯微鏡平臺等局限，導(dǎo)致此類實驗很難在實驗課上開設(shè)。但是，這些條件可以在科研實驗室內(nèi)得到滿足，因此，綜合性實驗的開設(shè)首先從地點上由傳統(tǒng)的實驗教學(xué)平臺轉(zhuǎn)移到科研實驗室。水稻原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化實驗是依賴?yán)w維素酶進行酶解水稻幼苗分離原生質(zhì)體，后續(xù)利用PEG將外源片段轉(zhuǎn)入原生質(zhì)體15～20小時，觀察熒光蛋白在原生質(zhì)體中的表達情況。該實驗的重點是如何增加外源片段的轉(zhuǎn)化效率，其影響因素很多，包括培養(yǎng)的幼苗生長狀態(tài)、選取的幼苗部位、纖維素酶酶解時間、PEG濃度以及轉(zhuǎn)化時間等。這些影響因子能夠給予學(xué)生更多的思考空間，使原本枯燥、簡單、機械的實驗操作變得更具有研究性，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。另外，外源片段的選取來自于已經(jīng)報道的融合熒光蛋白的各類細胞器標(biāo)志性蛋白，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞核和質(zhì)膜等，最終通過熒光蛋白的觀察可以更形象地幫助學(xué)生認識植物細胞中各種細胞器的形態(tài)。本實驗跟理論課中介紹的細胞培養(yǎng)、細胞轉(zhuǎn)化、熒光蛋白標(biāo)記和細胞器結(jié)構(gòu)等知識點有機地聯(lián)系在一起，更深刻地加深學(xué)生對理論知識的理解。

2教學(xué)內(nèi)容的實施

（1）課前準(zhǔn)備。綜合性實驗的開設(shè)應(yīng)基于過硬的基本技能和扎實的理論知識，不能忽視學(xué)生的接受能力，一味地追求創(chuàng)新性、研究性試驗的開設(shè)而放棄基本技能的培養(yǎng)，因此，綜合性試驗開設(shè)應(yīng)基于一些基本實驗，如顯微操作和細胞培養(yǎng)等。同時，實驗課內(nèi)容的選取也應(yīng)與理論課的開設(shè)保持一致，這樣既能避免知識的重復(fù)講述浪費時間，也有利于學(xué)生對實驗內(nèi)容的更好理解，增強實驗課的實驗質(zhì)量和課堂效果。同時，針對學(xué)生對綜合性實驗相關(guān)理論與技術(shù)上的欠缺，一方面，教師可以加強學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，針對實驗內(nèi)容督促學(xué)生加強文獻閱讀，根據(jù)自身情況制訂具體的實驗方案，并提前準(zhǔn)備實驗材料和試劑；另一方面，教師可以充分利用多媒體教學(xué)手段，制作規(guī)范的操作視頻，并在課前展示給學(xué)生，直觀生動地闡述實驗難點。這樣既有助于提高學(xué)生的實驗積極性，還能增大課堂教學(xué)的信息量，提高課堂效率，為開放式實驗?zāi)Ｊ降捻樌捎么蛳禄A(chǔ)。

（2）實驗分組。為了既能培養(yǎng)學(xué)生的獨立思維能力，又使其具有相互協(xié)作的團隊精神，要求每4～5個學(xué)生為一組。教師按照學(xué)生擬定的實驗計劃充分提供實驗試劑和操作平臺，最大限度地給學(xué)生創(chuàng)造實驗操作機會，爭取每一個實驗環(huán)節(jié)都由學(xué)生親自動手，包括課前實驗試劑的配制和實驗材料的準(zhǔn)備，充分鍛煉學(xué)生的動手能力。

（3）實驗操作。綜合性實驗在科研實驗室中的開設(shè)是開放式的。實驗開始時，學(xué)生自己動手，依靠教師的機會減少；教師也不能像平時上課一樣隨時指點學(xué)生，因此學(xué)生自己動手創(chuàng)新的時間增多，以此來看，實驗式教學(xué)的效果有效。學(xué)生的實驗操作規(guī)范是否正確，直接影響實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。針對上述問題，除了課前多媒體教學(xué)視頻的示范，實驗室中的研究生會為學(xué)生及時提供技術(shù)支持和實驗安全監(jiān)督，保證實驗的順利進行。

3課后反饋

實驗結(jié)束后，實驗結(jié)果的總結(jié)和實驗方法的優(yōu)化是綜合性實驗開設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是研究性實驗的重要體現(xiàn)。由于各種因素的影響，各組實驗效果不盡一致，甚至?xí)蚰承嶒灜h(huán)節(jié)考慮不周、操作不當(dāng)而導(dǎo)致實驗失敗，比如，在溶液配置過程中，僅僅考慮了融合劑的濃度而容易忽視溶液PH值的調(diào)節(jié)，影響質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化效率而導(dǎo)致實驗效果均不理想；還有沒有考慮水稻幼苗的生長狀態(tài)，導(dǎo)致分離的水稻原生質(zhì)體狀態(tài)不佳影響實驗效果，等等。而通過實驗課后的分析和總結(jié)對實驗設(shè)計的優(yōu)化，不僅使學(xué)生了解到科研實驗的基本流程，同時也培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度和思考分析問題的能力。學(xué)生對這種能使自己主動實驗的課程持歡迎態(tài)度，實驗效果得到極大的提高。

二、結(jié)論

筆者利用正常教學(xué)周的周末在個別班級探索性地進行開放性、研究型的綜合實驗教學(xué)模式的摸索，在內(nèi)容上體現(xiàn)從單一實驗到研究性實驗的漸進，從教學(xué)方式上體現(xiàn)從常規(guī)教學(xué)到半開放教學(xué)的轉(zhuǎn)變，以期在教學(xué)目標(biāo)上達到訓(xùn)練基本技能與基本理論到綜合實驗?zāi)芰Α?chuàng)新實驗?zāi)芰εc素質(zhì)的提高，取得了一致好評。多名學(xué)生因為綜合性實驗的吸引對生物學(xué)實驗產(chǎn)生濃厚的實驗興趣，他們在上好課的前提下利用課余時間主動加入本課題組中參與更深入的科學(xué)研究，并獲得了國家、省和校級創(chuàng)新課題的資助，且所參與的課題部分取得了不錯的進展。最令人欣慰的是，學(xué)生并沒有因為花費大量時間在實驗室而影響課程的學(xué)習(xí)，他們每年幾乎都能獲得國家等各級獎學(xué)金，多人被保送到著名大學(xué)和科研院所，并獲得導(dǎo)師的好評。

開放性、研究型細胞生物學(xué)實驗教學(xué)體系相對于傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，在教學(xué)模式和教學(xué)理念方面都有所改進，但隨著細胞生物學(xué)學(xué)科的發(fā)展及實驗條件的改善，筆者認為還可以從以下幾個方面進一步完善這一教學(xué)體系：第一，緊跟細胞生物學(xué)學(xué)科前沿，密切聯(lián)系科研技術(shù)，逐步更新完善實驗內(nèi)容。例如：細胞轉(zhuǎn)化實驗可以同時提供煙草表皮細胞農(nóng)桿菌注射、洋蔥表皮細胞基因槍法以及水稻原生質(zhì)體法等試驗方法供學(xué)生選擇，比較各種方法的實驗效果并進行相關(guān)改進等。第二，合理加大設(shè)計實驗在日常教學(xué)中的比例。遵循“通”與“專”結(jié)合，充分尊重個人專業(yè)興趣，盡可能為感興趣的學(xué)生提供進一步訓(xùn)練的實驗條件，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和實驗積極性，挖掘?qū)W生潛能及創(chuàng)造力。

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