基于科技競賽的生物科學專業創新人才培養模式的探索與實踐

熊 艷， 和七一

(重慶師范大學生命科學學院,重慶 401331)

從“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃來看，包括新材料與工程、新能源、生物產業等在內的七大新興產業已經受到了國家政策的大力扶持[1]。其中以生物產業為例，國內外的生物技術與研發上的交流日益緊密。縱觀國內，不僅誕生了華大基因、諾禾致源等世界前列的生物公司，很多以生物試劑、工業制造與科研服務等為不同市場定位的生物公司如雨后春筍般不斷涌現。在這樣的產業背景下，培養全方面的生物專業人才則體現得至關重要。與此同時，師范類高校的生物專業不僅僅承接著培養生物人才的任務，其培養的畢業生更要承擔起下一代生物人才培養的重任。由此可見，在師范院校生物專業中改革與探索生物專業人才的培養模式已成為時代所需、產業進步的重要驅動因素。

1 生物科學專業創新人才培養模式構建的意義

傳統教育專指德國教育家赫爾巴特及其學派的教育理論和教學模式，該學派重視課堂教學、教師起主導作用傳授系統的科學知識的教學模式[2]?，F今我國大多數學校仍實行傳統教學，從以下幾個方面來分析傳統教學的特點。

在教學形式上，每天的課程安排是滿檔的，學生從8點半至12點，下午從2點半至6點，晚上從7點至9點都被安排了課程；并且每堂課45分鐘，教師課堂教學時間為90%左右，剩余10%左右的時間用于學生消化當堂課的內容，這個“填鴨式”教學，使得學生承受過重的學業壓力。在教學目的上，教師注重培養學生的認知能力，通過課堂授課及期末考核的形式，使學生從感覺、知覺、記憶等方面學習知識點[3]；學生注重考試成績，學習知識的目的就是為了取得高分，大多數人不會去探究“為什么”，只會去記憶“是什么”，考完之后仍然對知識點掌握不夠，如在學習“心臟的結構”時，教師用PPT、心臟模型講得繪聲繪色，學生死記硬背應對考試，卻不能將課堂所授知識與解剖課中的實驗動物的心臟結構結合起來記憶，這些知識則會隨著時間流逝而忘記。在學習內容上，是由教師安排教學內容，學生被動接受，而對于生物學科來說，是理論與實踐一體的，學習理論知識過后，將理論知識運用于實驗課中，然而在實驗課中，教師是將實驗操作步驟羅列出來，讓學生按部就班的完成實驗過程以實現教學任務，并沒有激發學生自主設計實驗的思維，學生若將在理論課上學習的專業知識徹底吃透，根據已知的專業基礎知識來設計實驗，教學效果會更好。

由以上幾個方面可知，傳統教學方式更注重教師為主體，知識的學習是被動的，傳播的方式是單向的。目前，應用廣泛的是以傳統教學為主、結合探究式教學、啟發式教學等的教育模式，從學生的學習成績、綜合能力來看，效果不佳。生物學是研究生命現象和生命活動規律的科學，并以實驗為基礎的自然科學[4]。這門學科具有理論性和實驗性，既要學習生物基礎知識，還要學習實驗技能，現在的教學方式已經不適用于培養生物科學專業的大學生。為積極響應國家戰略性規劃，實現培養生物科學素養的綜合性人才的目標，教師探究新型培養模式則及其重要。

2 基于科技競賽的生物科學專業創新人才培養模式的構建

大學生學習時間更為自由、學習方式更為多樣化，學校為使學生充分利用時間，開展了大學生創新創業訓練項目、“挑戰杯”創業計劃競賽、“挑戰杯”課外科技作品制作大賽等一系列活動，以吸引學生通過參與科技競賽的方式進行學習，培養大學生的科技創新能力，提高生物科學素養。探究以“產學研”三級聯動為前提，為科研項目提供研究平臺、資源及經費；引導學生通過體驗式教學明確項目研究方向及內容；通過PBL教學確定實驗方案并進行實驗，將實驗中遇到的困難，未解決的問題記錄下來；教師組織項目成員進行Seminar研討，對每一個階段的結果及時分析，將實驗結果存在的問題及時解決并制定下一階段的實驗方案，最終完成整個項目的培養模式是否適合用于培養生物創新型人才。如圖1所示。

圖1 大學生生物創新型人才培養模式框架

3 生物科學專業創新人才培養模式的實踐

現在大學生的科研競賽方式有很多種，如：國家級創新創業訓練項目、“挑戰杯”創業計劃競賽、“挑戰杯”課外科技作品制作大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽等，在我校還開設了“三春湖”大學生創新創業大賽，給學生更多的機會參與到科研中來，現以本校生命科學學院大學生創新創業訓練計劃項目《牛奶菜中抗中華眼鏡蛇毒功效組分的篩選、鑒定及作用機制研究》為例，探究新型培養模式是否適用于生物科學專業的學生。

3.1 確定項目

仔細閱讀學校相關文件后，了解申請項目的過程。根據自己感興趣的方向找相關教師進行溝通，確定科研項目。

3.2 組建項目成員

項目負責人在班級、年級上組織項目組成員，確定各個成員的分工，提交申請、申請立項。經學?？己肆㈨棾晒螅瑢⑻骄康哪Ｊ竭\用于項目課題中。

3.3 模式的實施過程

3.3.1 “產學研”三級聯動

在《牛奶菜中抗中華眼鏡蛇毒功效組分的篩選、鑒定及作用機制研究》這個項目中，與教育部活性物質生物技術工程研究中心、重慶市生物活性物質工程研究中心和毒蛇養殖與深加工協同創新中心合作，解決蛇毒供給的問題，還給大學生提供了科研經費及平臺，而學生在完成項目后給企業提供新的思想、新的技術、新的科研成果等以解決企業需要解決的問題，以形成“產學研”三級聯動圖，并達到雙贏的目的，如圖2所示。

圖2 “產學研”三級聯動圖

3.3.2 體驗式教學

體驗式教學是以學生為主體，學生通過各種檢索，查閱相關信息，并進行篩選有效信息學以致用[5]。本科學生申請到《牛奶菜中抗中華眼鏡蛇毒功效組分的篩選、鑒定及作用機制研究》這個項目后，由于對專業基礎知識薄弱，對于整個項目還不了解，因而采用體驗式教學的方法，通過查閱相關書籍、檢索文獻掌握什么是“牛奶菜”、“中華眼鏡蛇的分類地位”“中華眼鏡蛇毒的成分有哪些”等基礎知識，了解這個項目的研究背景、研究意義是什么等等問題。其次檢索這個項目的相關文獻，如眼鏡蛇毒的中英文文獻、牛奶菜的中英文文獻、牛奶菜抗眼鏡蛇毒的中英文文獻等等。在看文獻時，篩選有效信息，記錄有用的內容如目前國內外探究牛奶菜抗眼睛蛇毒的研究有哪些，根據國內外的研究進展明確研究方向及內容。如圖3所示。

圖3 體驗式教學的過程

3.3.3 PBL教學

PBL(Problem-Based Learning)教學又稱為問題式教學，其教學過程分為“五步走”[6]，如圖4所示。

圖4 PBL教學過程

在《牛奶菜中抗中華眼鏡蛇毒功效組分的篩選、鑒定及作用機制研究》這個項目中，了解了研究背景、研究意義，掌握了基本的專業知識，明確了研究方向后，思考：“中草藥提取方法有哪些？”、“怎么提取牛奶菜中的成分？”、“是用牛奶菜全株、莖、葉提??？”、“如何選擇最適的提取方法？”等等問題。帶著問題去檢索文獻，如檢索“中草藥提取方法有哪些？”，可查閱到相關文獻，記錄有效信息——中草藥提取方法有煎煮法、浸漬法、回流法、滲漉法、超臨界流體萃取技術、酶法等等[7]。將想到的問題先自己逐一通過各種手段解決，并將有效信息記錄下來之后，項目的每個成員進行小組討論。小組討論需要實現的目標是：將每一個問題羅列出來，每個人查到的解決方法進行組內討論，最終確定最優解決方案及預備方案。在教學當中，可將小組討論的結果在課堂上與其他小組的成員或者老師進行更深入地討論，在科研項目中則是與老師討論以達到完善解決方案的目的。最后教師將討論的最終結果進行總結，確定最終的實驗方案，牛奶菜用全株及其提取方式，如圖5所示。這就實現了PBL教學的“五步走”，進一步鍛煉學生主動學習的能力、提高學生分析與處理科研問題的能力，有利于學生將知識綜合運用，促進知識的遷移，凝聚小組團結力[8]。

圖5 牛奶菜分離技術路線圖

3.3.4 Seminar機制

Seminar教學法即是將教師及學生置于同等地位，以培養學生的創造精神及創新能力為目標，充分發掘學生的學習潛能的教育模式。該教學法中，教師主要職責是創設一種有力研究、討論學習的情景和氛圍[9]。經過體驗式教學、PBL教學初步確定實驗方案，進行實驗，對實驗結果是否達到預期的效果進行分析，老師組織Seminar進行討論。如經前期研究，我們發現牛奶菜粗提物在體外能夠有效的抑制眼鏡蛇毒磷脂酶PLA2活性，該酶具有多種生理藥理學功能，能夠引起神經毒性，是眼鏡蛇毒致死的主要因素之一。因此，我們推測牛奶菜組分中存在某種或者某幾種能夠與眼鏡蛇毒磷脂酶PLA2相互作用，從而抑制其活性的功效組分。牛奶菜通過萃取分離，我們對其中功效組分進行了篩選，結合GC-MS對其結構進行了初步鑒定。部分結果如表1所示。

表1 牛奶菜四種提取物的GC-MS成分分析(%)Table 1 Component analysis of four kinds of extracts of Marsdenia sinensis Hemsl based on GC-MS (%)

由表1可得：本研究首先采用醇回流提取法和水回流提取法制備牛奶菜提取物，再采用石油醚、三氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇對水提物依次萃取，結合GC-MS分析，從牛奶菜中共檢測出77種組分，其中，醇提物中檢測出27種組分；而水提物中檢測出56種組分，其中石油醚相檢測出22種成分、三氯甲烷相檢測出39種成分、醋酸乙酯相檢測出18種成分，正丁醇相中未檢測出物質。這77種化合物中含有大量具有抑制蛇毒活性的組分，包括十四烷酸、十六烷酸、十六烷酸衍生物、十八烷酸衍生物、十八烯酸及其衍生物、2,4-二叔丁基苯酚、谷甾醇和豆甾醇。

得到這個結果，后面的實驗方案又如何來進行呢？在Seminar中，教師與學生以這個實驗結果為基礎，進行下一步的討論，制定下一步的實驗方案。在完成這個項目過程中，使用Seminar教學法具有以下優點：①有利于更好地培養學生動手操作能力、獨立思考的能力及解決問題的能力；②有利于明確研究方向，教師把控研究大方向，以免學生陷入死胡同；③有利于培養學生的科研精神，科研是不可能獨立一個人完成的，需要團隊合作，以達到共贏的結果。在很多高校，研究生的研究課題，導師也采用的Seminar機制進行課題研討，制定后續實驗方案，以完成整個課題組的科研目標。

在《牛奶菜中抗中華眼鏡蛇毒功效組分的篩選、鑒定及作用機制研究》這個項目中，將項目分為“牛奶菜化學組成成分的研究”、“牛奶菜抑制眼鏡蛇毒神經毒素功效組分的篩選”、“牛奶菜抑制眼鏡蛇毒神經毒素功效組分結構的初步鑒定”、“牛奶菜功效組分對眼鏡蛇毒抑制小鼠回腸平滑肌收縮的保護性作用研究”四個階段進行探究，老師組織Seminar，對每一個階段的結果進行討論，及時分析實驗存在的問題，并制定下一階段的實驗方案。當項目執行與競賽完成之后，及時總結分析這次項目或競賽成功、失敗在什么地方，并及時進行調整，最終完善整理出整個的培養模式。

4 總結

教師根據生物這門學科的理論性和實驗性，基于科技競賽構建培養新型生物科學專業創新型人才模式，鼓勵學生參與到科研項目中，使學生將課堂上學習的理論知識用于實驗中，鍛煉學生的思維能力、設計實驗的能力、解決問題的能力等，從而激發學生的創新思維，培養高素質生物科學創新型人才。