涉海專業微生物學實驗的教學改革

馬紅梅,馬 軍,李 珍,李曉梅,王海山

(海南熱帶海洋學院 水產與生命學院,海南 三亞 572022)

0 引言

應用型本科教育是以服務地方經濟和社會建設為重要使命,強化社會需求取向,注重學生知識、能力和素質全面協調發展[1].微生物學正是滿足這一要求的應用性很強的學科,是我校海洋生物、水產養殖等應用型專業轉型中的重要一門基礎課,其實驗是微生物學的重要組成部分,是培養學生實踐能力和綜合素質的重要環節,承載著服務地方經濟的重要使命.然而,作為微生物學教育中的重要組成部分的微生物學實驗,并沒有得到應有的重視.在實際教學過程中,微生物學實驗常常作為理論課程的附屬課程,沒有獨立開課,導致實驗課程課時少、學生操作時間有限,經常出現實驗教學時數不夠的情況.且實驗教學內容多為驗證性實驗,綜合性實驗少,難以激發學生的創新意識[2-4].針對傳統教學模式中學生積極性不高,驗證性實驗過多的缺點,劉勝貴等[5]提出三級教學模式;為改善傳統的實驗教學方式的不足,實現“三創”人才培養,陳雯莉等[6]提出自助式微生物學實驗教學模式;為加強師生間的互動、實現教學效果的及時反饋,更好地開展個性化教學,戴亦軍等[7]提出了基于“互聯網+”探究型實驗教學模式.從現有的文獻來看,還沒有學者針對涉海專業培養目標而提出相應的微生物學實驗教學改革措施.

為了突出海洋特色,挖掘當地海洋微生物資源,讓學生掌握與涉海專業相關的微生物學實驗專業技能,激發學生的創新意識,培養學生的創新能力,需對原有的微生物學實驗內容體系、教學設計及教學安排進行改革.

涉海專業微生物學實驗的教學不再以常規的、經典的陸源微生物教學內容為主,而是針對涉海專業特點,構建涉海微生物學實驗教學內容框架,濃縮教材內容,設計涉海典型微生物學系統的綜合性實驗,將專業課程教學實驗與畢業論文、科研項目訓練融合,更好地培養理論基礎扎實與專業技能較強的、具有科學研究思維能力的涉海專業類高端人才.

1編寫適合涉海專業使用的微生物學實驗教材

目前微生物學實驗教材很多.周德慶主編的教材《微生物學實驗教程》是按基礎實驗和任選實驗來編寫的.沈萍主編的教材《微生物學實驗》及黃秀梨、辛明秀主編的《微生物學實驗指導》是按基礎實驗和專題實驗來編寫的.上述教材實驗內容涉及各個方面,研究對象基本上偏向陸源微生物.目前以海洋類微生物為研究對象的實驗教材較少,公開發行的僅見王祥紅主編的《微生物與海洋微生物學實驗》,但該教材不涉及綜合系統性大實驗,未能為學生學年論文與畢業論文提供撰寫研究設計性實驗的參考模板.

為應對學校轉型以及專業培養目標改變的需求,我校組織教師編寫適合本校教學需要的教材.教材的編寫充分考慮了涉海專業的特點和教學的循序漸進性、連貫性、系統性、實用性等要求,按照基礎實驗、綜合實驗(含小型綜合實驗和大型綜合實驗)及研究設計性實驗來編排實驗內容.

教材的第一部分為基礎實驗部分,以海洋微生物為研究對象,共有19個基礎實驗項目.這部分實驗可串聯成一個系列實驗組合,前一個實驗是下一個實驗的準備,前一個實驗的結果直接關系到下一個實驗的成功與否,避免了每做一個實驗就要重新做大量的實驗準備工作,從而節省了時間.這些基礎實驗較為全面地涵蓋了涉海微生物實驗操作所要求的基本內容,具有一定的代表性.掌握了這些基礎操作,綜合性實驗才能順利開展.

教材的第二部分包括小型綜合性實驗和大型綜合性實驗.小型綜合性實驗以海洋微生物為研究對象,主要以解決實際問題為導向,但問題又不是很復雜,學生在掌握基礎實驗之后可以獨立完成實驗內容.大型綜合性實驗涉及本課程的綜合知識或相關課程的知識,是一種復合性實驗:在掌握一定的基礎理論知識和基本操作技能之后,學生運用一門或多門課程的知識體系對其實驗技能和實驗方法進行綜合訓練.教材的編寫以常見微生物類型(細菌、放線菌、酵母菌、霉菌和微藻)為主線,每種類型各有一個代表.菌種的介紹、篩選、鑒定、應用這一主線貫穿于整個綜合性實驗.

教材的第三部分為研究設計型實驗,分為研究實驗和純設計性實驗.參考畢業論文的要求,研究設計性實驗給出了研究背景、研究所需要的器材和研究內容,學生可參考此范本做實驗.在設計性實驗中,完全由學生自主設計實驗的框架,要求學生自行查閱文獻并寫出實驗方案.題目可指定也可由學生自擬,內容多為學生感興趣的海洋微生物問題.此部分主要培養學生的獨立思考能力、創新能力和實踐能力,為本科學生的學年論文和畢業論文設計打下良好的基礎.

2精心設計實驗教學內容

參照本課程現行實驗教學大綱要求不難發現,傳統教學在實驗項目的數量、難度及實驗學時數分配等方面,設計安排有欠妥當,不僅造成實驗材料的浪費、時間的無效消耗,而且不利于培養學生自主設計與開展實驗的能力、應用專業知識解決問題的能力.“系統綜合性實驗教學設計”的實驗教學內容,是為了解決某個海洋微生物學實際問題而設計的系統綜合實驗.其中,將解決問題所需要開展的實驗內容逐級分解成若干個小型實驗,每個實驗間存在著內在的邏輯聯系.通過依次完成若干個小型實驗,最終解決這個實際問題.通過此過程,完成對學生系統地、循序漸進地學習專業知識和專業技能的訓練,改變他們為完成實驗課程而做實驗的被動學習態度.通過開設“問題”導向的系統綜合實驗,不僅更加優質地完成教學大綱所規定的教學任務,而且因各實驗間的聯系需要進行統籌安排,使實驗時間得以有效利用,與此同時避免了實驗耗材的重復浪費.下面以“《從海洋生物中分離鑒別某種細菌》綜合實驗”為例做具體說明(綜合實驗設計框架圖見圖1):

實驗一 海洋微生物培養基的配制,實驗內容:玻璃器皿清洗、人工海水配制、細菌固體培養基(用于分離純化海洋微生物)、試管斜面培養基(用于分離微生物的保藏)、細菌液體培養基(用于分離微生物的培養)、生理生化培養基(用于細菌的生化鑒定);

實驗二 消毒與滅菌,實驗內容:培養皿的干熱滅菌、培養基高壓蒸汽滅菌、無菌操作臺的消毒;

實驗三 海洋生物中細菌的分離、純化及保藏,實驗內容:樣品的處理與稀釋、樣品中細菌的分離、分離細菌的純化、細菌菌落形態的觀察、記錄與編號、純化分離細菌的保藏;

實驗四 細菌的染色及顯微鏡油鏡的使用,實驗內容:純化細菌的經典革蘭氏染色、細菌的顯微鏡檢;

實驗五 細菌的生理生化實驗,實驗內容:分離純化的細菌接種至生理生化培養基中培養,觀察記錄其生化現象;

實驗六 細菌DNA的提取、擴增及電泳,實驗內容:純化細菌的液體培養,DNA的小量制備及擴增、DNA瓊脂糖凝膠電泳實驗.

圖1 從海洋生物中分離海洋細菌的實驗流程圖

將PCR擴增條帶送樣測序,結果用NCBI-BLAST軟件在GenBank數據庫中進行同源性檢索,采用ClustalX1.81軟件進行多序列比對,應用MEGA5.0構建16SrRNA基因系統發育樹,結合細菌的形態觀察、生化實驗結果及分子生物學實驗結果,可分析鑒定出所分離的海洋生物中細菌的種類.

縱觀整個系統綜合性實驗,其中的每一個單項實驗中所涉及的實驗方法、操作技能均可參考基礎實驗.與基礎實驗不同的是,綜合實驗中的單項實驗所用菌株是未知菌,因此結果不能事先知曉,且前一個單項實驗的結果會影響下一個單項實驗的結果.學生若不認真做實驗,則下一個實驗無法完成.若實驗失敗,則只能讓學生自己在課外時間重做實驗.這給學生增加了一定的壓力,使學生上實驗課不像從前那樣只注重考勤.倘若實驗還是失敗,則需要學生認真分析原因,重復做此實驗.該法可讓學生真正地、系統地掌握微生物學實驗操作技能,學會分析和解決微生物學的實際問題.

3調整實驗課堂教學與課外輔導時間安排

傳統微生物學實驗教學為每周2或4課時,教學時數少.為了能在規定的教學時間內完成實驗教學任務,只好選擇短時間內能完成的簡單實驗項目進行教學.一般從驗證基礎性實驗項目內選擇幾個項目,以及選擇1至2個實際應用項目來進行實驗教學.實驗項目之間內在聯系不強,實驗的知識點比較分散.很多實驗內容為驗證性的,學生可從實驗指導書上直接獲取實驗的結果,因此有部分學生參與實驗的目的只為爭取考勤分數,并不認真做實驗，致使很多學生的實驗分析、實驗結果都大同小異,而且其實驗報告只停留在機械反映實驗指導書的內容方面，真正反映學生通過動腦寫和自己做而獲得新實驗技能實驗報告很少,因此學生做實驗的積極性不高,老師批改實驗報告的積極性也不高,實驗成績不能真正體現學生掌握實驗技能的情況.

根據新編實驗教學設計內容,實驗安排上做了新的調整.在課表上規定的教學時間內安排基礎實驗,要求學生課外預習實驗教學內容并根據實驗內容準備實驗藥品、試劑.教師在實驗課上重點講解、演示實驗中的關鍵操作技術和注意事項.在完成實驗后提交結果時,要求每人在實驗報告上附上圖片,課內能完成的實驗要求當堂上交實驗報告.對于因微生物培養而未能當堂完成的實驗,教師可根據實驗結果產出的時間，陪同學生一起觀察,要求學生補齊實驗結果,現場上交實驗報告.

對于小型綜合實驗的教學時間安排,集中某個實驗教學時間,教師將實驗中涉及的操作和內容一次性講完.然后在一個規定時間段內,由各小組長組織本組人員準備實驗,配制實驗試劑,根據實驗內容不間斷地完成實驗任務.教師根據情況檢查學生實驗進展、實驗結果.根據學生的實驗報告及結果分析,教師整理其中出現的問題,利用教學時間集中講解解決方法.

研究設計性實驗為附加項,不占課堂教學課時,學生根據自己的研究興趣撰寫研究方案,一個學期內完成實驗內容所規定的任務即可.文獻檢索、項目撰寫、實驗準備、實驗操作、實驗結果的記錄與分析，均由學生在這一學年內自主完成.對于項目撰寫或實驗操作有困難的學生,教師及時給予指導.

4實驗教學融入畢業論文和科研項目訓練

有的學生專業知識積累較為深厚,卻由于沒有科研意識,只顧埋頭完成老師布置的作業,或被動地參與老師的科研項目,導致他們較為欠缺獨立解決專業問題的能力.雖然學生學過文獻檢索與論文寫作課程,但由于沒有具體需要解決的專業任務并缺乏專業項目經費支撐,因此學生的項目寫作只停留在紙上,沒有付諸實踐活動并在實踐中獲得能力訓練.因此,到了學生真正要完成畢業論文的時候,他們不得不重復論文寫作的前期工作,導致學生準備畢業論文的時間倉促、選題被動、寫作質量不高等諸多問題出現.

據此,教師在完成實驗教學的同時可為學生提供申報相關項目的信息,鼓勵學生積極申報項目,如學生作為項目主持人的開放實驗項目,大學生創新創業訓練計劃項目.教師也可讓學生自行組隊,按項目撰寫要求讓學生完成微生物實驗設計,指導學生認真開展項目撰寫和內容修改工作,并把這些訓練內容作為研究設計性實驗作業的一部分而計入微生物學實驗成績的附加分中.這樣,微生物學課程實驗、項目撰寫與畢業論文有機地結合在一起,可有效提高學生的創新意識、培養學生的創新能力.若是學生申報的項目得以立項,則學生不僅有可支配的實驗經費,也能如期完成畢業論文并獲得創新學分.由于任課教師在鼓勵學生作為主持人積極申報項目的同時,主動承擔了項目指導教師并提前對學生開展了項目申報的指導工作，因此，在2018—2019年第一學期微生物學課程實驗的教學和訓練結束后,在我們老師指導下,4位學生申報的關于涉海微生物實驗內容的省級大學生創新創業訓練項目獲得成功,其中2位學生通過校內大學生創業訓練項目初審,2位學生申報校內開放實驗室項目獲得成功.

5結論

涉海專業微生物學實驗教學必須根據專業培養目標的實際教學需要,在傳統微生物學實驗內容的基礎上,增加海洋微生物資源的開發與應用等內容;涉海專業微生物學實驗教學必須打破傳統的微生物實驗教學模式,在有限的教學時數內統籌安排實驗項目,將驗證實驗項目融入綜合實驗中,將綜合實驗融入研究設計實驗中,從而整合為一個有內在聯系的綜合性大實驗.這種專業綜合性實驗課程為學生提供了高水平生產實踐訓練環境,解決了因教學與生產脫節而導致的大學畢業生職業適應能力差等問題,確實地提高了學生的實踐動手能力[8].