生命科學跨學科整合實驗教學的改革和探索

陳 奇,劉 剛,滕衍斌,潘林鑫,丁 銳,申傳璞,劉曉穎△

(1安徽醫科大學生命科學學院細胞生物學教研室, 合肥 230032; 2安徽醫科大學生命科學學院生物信息學教研室; 3安徽醫科大學生命科學學院生物化學與分子生物學教研室; 4安徽醫科大學生命科學學院微生物學與生物工程教研室; 5安徽醫科大學藥學院中藥學教研室; △通訊作者)

放線菌是一類基因組中高G+C的絲狀革蘭氏陽性菌,其次級代謝產物種類豐富多樣,是重要的藥用微生物資源[1]。放線菌在自然環境中分布廣泛,包括土壤、沙漠、海洋、極地、乃至動植物體內。從環境樣品中分離放線菌并挖掘其蘊含的生物活性物質,以用于工業、農業、醫藥臨床、食品等領域,一直以來都是科學家們關注的重要課題,也是合成生物學的一部分基礎工作。雖然目前已有大量的生物活性物質用于工農業醫藥等領域,但近年來,人類對生物活性物質的需求越來越大[1-3]。基于此,作為新時代的生物技術專業學生,有必要在專業培養的基礎上,系統掌握相關技術,盡可能彌補這一缺口。

微生物學(microbiology)是近代生物學的分支學科之一,它是在分子、細胞或群體水平上研究各類微小生物(細菌、放線菌、真菌、病毒、立克次氏體、支原體、衣原體、螺旋體原生動物以及單細胞藻類)的形態結構、生長繁殖、生理代謝、遺傳變異、生態分布和分類進化等生命活動的基本規律,并將其應用于工業發酵、醫學衛生和生物工程等領域的學科,也是生物技術專業理論和實驗、實踐都非常強的專業核心課程[1-4]。與之關系密切的學科為生物化學、基因工程、生物分離工程、合成生物學、天然產物化學、微生物藥物學等,這些學科互相交叉,互相促進。因此,系統掌握微生物相關實驗技術是新時代生物技術專業培養的基本要求。然而,傳統的實驗教學中在課程內容設置、教學模式以及評價模式方面存在諸多問題。

1 傳統實驗教學中存在的問題

1.1 課程之間彼此割裂,缺乏聯系

微生物學、生物化學、生物分離工程以及合成生物學等。這幾門學科之間彼此關聯,互有交叉。而與之相對應的實驗課程則是“各自為政”。學生在面對每門課程具體的實驗內容時,難以理解與其他實驗之間的內在聯系,導致只見樹木不見森林,缺乏全局意識,繼而難以形成完整的知識體系。

1.2 課程內容相對陳舊

經典的微生物學實驗設置主要圍繞課程研究對象相關的微生物分離篩選、培養、形態觀察、染色以及培養基的配置等基本操作技術,各校之間大同小異。該設置相對陳舊,難以滿足微生物學科日新月異發展的新需求[5,6]。學生在學習后,并不清楚這些基本的操作和技術如何解決遇到的實際問題,或者怎樣應用到一線的生產實踐中。

1.3 教學模式較為單調

傳統的微生物實驗教學以簡單的驗證實驗為主,常以教師為主體。教師講述基本的原理、步驟、注意事項后,學生機械化地模仿和驗證,并期待得到“預定已知”的實驗結果。在這個過程中,模式單調,忽略了學生的主體地位[5]。學生在實驗過程中經常出現各種問題,且缺乏主動思考和解決問題的意識和習慣。這與新時期復合型人才的培養背道而馳。

1.4 課程評價模式相對單一

現有的微生物學實驗的課程評價中,教師主要根據學生的出勤、課堂表現、實驗報告、期末考核這些停留在表面上的、文字性的材料,給出相應分數[5]。這導致學生在上課的過程中,只重視書面文字材料的撰寫,而忽略整個實驗的過程。這種評價模式忽略了學生在實驗過程中的參與度以及對問題的思考,較為單一,在很大程度上打擊了學生的積極性。因此,我們亟須建立多元化的課程評價體系,以適應新時期的人才培養需求。

2 跨學科實驗教學實施方案

現有的微生物實驗課程體系難以滿足新時期對生物技術專業的人才培養需求。因此,本課題組結合研究方向,設計開展了以菌株資源為主線、實驗技能培訓為目的跨學科整合實驗項目。結合課題組研究方向,我們定位到特殊環境樣品放線菌的分離、鑒定、活性物質的發掘及其生物合成研究方面,現匯報如下。

2.1 跨學科整合實驗教學項目設計

結合醫學院校背景,我們設計了多個不同整合實驗項目,見表1,如中藥植物土大黃內生放線菌的分離、鑒定,放線菌XC001中次生代謝產物的分離、鑒定和生物活性,放線菌XC001遺傳操作體系的建立,放線菌XC001中萜類化合物A的生物合成研究,放線菌XC001中萜類化合物A的調控機制研究等。

表1 跨學科整合實驗項目

2.2 跨學科整合實驗師資隊伍建設

該跨學科整合實驗項目主要基于本課題組研究方向。考慮實驗課程教學涉及多個理論學科知識體系,我們亟須建立一支基于該整合課程的師資隊伍。跨學科整合實驗的教學需要多個學科教師的共同參與,因此,參考我院和藥學院教師的學科背景和研究專長,構建了一個整合型的師資團隊。學科背景涵蓋微生物學、生物化學、生物信息學、發酵工程、天然產物化學、波譜解析、植物學、分子生物學、遺傳學以及藥理學。在課程開始之前,教師首先進行集體備課,完成并完善授課環節的教學設計,編寫教師版的實驗方案并形成較為完善的校本實驗教材。

2.3 選課學生的篩選和初期培訓

我們考慮到該整合實驗課程要求學生投入大量時間,對相關課程的知識基礎要求相對較高,在課程開始之前,需要對學生進行初步篩選和培訓[6,7]。學生的篩選主要采用面試的方式。我們通過提問進行差額選定一些優秀學生參與該整合實驗教學。培訓內容包括教師培訓、無菌操作、相關儀器如電鏡、PCR儀和HPLC的使用、色譜分離技術、放線菌的菌落形態和微觀形態的鑒別、基本生物信息學軟件的使用以及實驗室安全和規章制度等。這些培訓對后續學生實驗的順利實施至關重要。

2.4 跨學科整合實驗教學模式

我們以項目1中藥植物土大黃內生放線菌的分離、鑒定為例,項目1的實驗過程主要包括土大黃植株的采集、土大黃不同部位內生放線菌的分離純化、放線菌的形態鑒定、放線菌的生理生化鑒定以及放線菌的分子鑒定這些連續過程,來源于微生物學實驗課程,但又明顯高于此課程。對學生而言,實驗具有一定的挑戰性。為此,我們采用線上線下混合式以及PBL教學模式,以學生為主體,將教學過程分為以下幾個環節。

①教師將該項目涉及的理論、操作視頻、文獻、實驗室安全規章制度等資料通過雨課堂發布,學生提前自主學習,并完成相應的測試題。教師根據學生視頻材料的學習完成度和答題情況等進行綜合評價,并在后續討論時查漏補缺。②教師采用PBL(problem-based learning)模式教學,將選課學生分為幾個小組。每個小組對應負責項目1涉及的具體問題,學生在查閱相關文獻后整理出詳細實驗方案并進行匯報。教師協助分析方案的可行性和存在問題,最終形成成熟的實驗方案。在這個過程中,以具體問題為導向,小組內部成員相互協作,最大程度上發揮了學生的主觀能動性,有效地鍛煉了學生的團隊協作意識和解決問題的能力,可為將來的研究、職業生涯提前養成良好的習慣。③實驗操作實踐階段,學生將采集到的土大黃分為根、莖、葉和根際土壤四個部分。每個小組負責處理一個部分,處理樣品后進行涂布、分離、純化、鑒定,實驗過程中的每一個環節都由學生自己操作、時間自行安排,保證每個小組、每位學生都參與其中。對于實驗過程中出現的問題,學生自行思考或是查閱文獻解決。在此階段,教師并非由學生自由發揮,而是要密切關注學生操作的規范性,并對學生發現的問題引導其解決,盡可能地“置身事外”,不能指手畫腳,甚至直接代勞。④匯報總結階段,教師引導學生按照正規學術報告的形式準備PPT,對整個實驗過程以及發現的問題和后續的實驗計劃進行總結、匯報。各組之間相互進行評價,教師及時總結學生匯報中出現的問題,加以引導。從初始的線上教學、到學生查閱資料形成可行的實驗方案、再到實踐操作,最后進行總結匯報,在整個過程中,學生參與度高,能夠形成良好的專業認同感。這一模式極大地增強了學生的主觀能動性,對提高學生的綜合能力有較大幫助。

2.5 跨學科整合實驗考核方式

考核評價是教學體系中必不可少的一個重要環節,可以反饋學生對知識的掌握和利用情況。傳統的實驗考核過度依賴紙質的實驗報告、期末試卷、考勤等,相對弱化了學生在實驗前期的投入、實驗過程中的態度、規范性等諸多方面,考核評價模式較為片面,難以對學生形成比較客觀、綜合性的評價。基于此,我們采用了相對細化和量化的考核評價體系,依據上述教學模式對應的四個環節,分別賦予1∶1∶2∶1的比重,且在每個環節各自有所側重。①線上學習階段占20%,包括視頻學習、自測。該階段較大程度上依賴雨課堂的自動功能,主要衡量學生視頻的完成度、視頻完成的總時間以及自測題的成績、完成自測題花費的次數和時間。②PBL教學階段占20%,側重學生匯報、課堂參與度以及撰寫實驗方案的質量。③實驗操作階段占40%,該階段側重學生實驗操作的規范性、實驗記錄的完整性、實驗結果的準確性以及實驗過程中對問題的思考和解決等。④匯報總結階段占20%。該階段側重實驗報告撰寫的完整性和規范性、PPT匯報的學術性、美觀性、回答問題的應變和答辯能力等。這一體系涵蓋了整合實驗的全過程,有利于教師對學生每一個階段學習情況的掌握,并在后續過程中及時查漏補缺。同時,還有利于反饋學生在實驗操作能力、科研記錄撰寫能力、邏輯思辨能力以及科研創新能力等方面的訓練情況。

3 實驗整合實施的效果和反思

生命科學跨學科整合實驗面向我院生物技術專業,開設于第三學年上學期,目前已連續實施3年,分別有18人、20人、23人參與。經過問卷調查發現,學生整體滿意度分別為88.73%、92.57%、97.36%,呈逐年遞增趨勢。具體來看,改革后的教學模式可以顯著提高學生的學習興趣、動手操作能力、團隊協作能力、邏輯思維能力、科研設計能力以及創新能力。

整合課程結束后,每一屆均有多名學生參與本課題組的科研課題研究。依托學院、學校的科研平臺,學生自行撰寫并申請了多個國家級、省級和校級大學生創新創業項目,目前三屆學生共立項12個,其中包括3個國家級、5個省級、4個校級項目。同時,有多名學生參與了安徽省大學生生物標本制作大賽并分別榮獲二等獎和三等獎;另有多名學生參加了生命科學競賽,分別榮獲國家級二等獎和省級二等獎。

然而,整合實驗在取得一定成績的同時,也暴露出了一些問題:①占用了學生一定的課余時間,在一定程度上影響了學生對各科時間的均衡。②專業師資相對有限,難以真正實現一對一指導教學。③隨著方案的逐步完善,越來越多的學生準備參與其中,但限于實驗場地和儀器、平臺等條件限制,每學年僅容納學生20名左右。我們后續將不斷改善方案,并完善師資隊伍的建設,加強實驗室、平臺的建設和服務,惠及更多感興趣的學生。

本次跨學科整合實驗教學改革以提高學生的科研思維、創新能力以及團隊協助意識等為目標,在具體實施過程中以學生為主體自行設計實驗方案,并自行安排時間進行操作實踐。本次整合實驗教學改革以菌株資源為主線、實驗技能培訓為目的,采用了線上線下混合式以及PBL教學模式,實施效果顯著。然而,課程整合實驗教學改革是一項長期的、動態發展的系統工程,不同學科和研究背景的教師在具體實施時方案和路徑千差萬別,這樣就導致沒有行之有效、放之四海而皆準的改革模式。因此,本次改革實踐旨在提供一種參考和借鑒。在后續的教學實踐中,本團隊將繼續努力、探索、實踐,并及時更新最新進展,同時不斷提高自身業務水準,對現有模式持續優化,最終形成較為完善的教學體系。