生物技術(shù)專業(yè)綠色實驗教學(xué)模式的探索與實踐

郭東會， 張顯忠， 史仁玖， 范明杰　(泰山醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，山東泰安 271016)

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生物技術(shù)專業(yè)綠色實驗教學(xué)模式的探索與實踐

郭東會， 張顯忠*， 史仁玖， 范明杰(泰山醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，山東泰安 271016)

摘要筆者針對生物技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)中存在的環(huán)保問題，從樹立師生的綠色理念，探索綠色實驗教學(xué)模式和改革實驗室管理制度3個方面，進(jìn)行了實驗教學(xué)綠色化的探索和實踐，從而達(dá)到實現(xiàn)綠色實驗教學(xué)的目標(biāo)，以期為高校實驗教學(xué)綠色化改革提供研究范例。

關(guān)鍵詞生物技術(shù)專業(yè)； 綠色實驗教學(xué)模式；探索

實驗教學(xué)是高校教學(xué)中必不可少的一部分，對學(xué)生的動手能力、觀察能力、科學(xué)思維和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)起著重要的作用[1-2]。尤其對于以實驗為基礎(chǔ)的生物學(xué)而言，實驗教學(xué)在整個教學(xué)中占有極其重要的地位，但是實驗教學(xué)也給環(huán)境帶來了壓力。高校實驗室是教師進(jìn)行科研和學(xué)生進(jìn)行大量實驗活動的重要場所，每天都有大批學(xué)生在操作各種各樣的實驗，所使用的化學(xué)藥品種類繁復(fù)，消耗也大。實驗中使用的試劑及實驗廢棄物不僅含有大量強(qiáng)腐蝕性的酸堿和重金屬，而且還有一些毒性強(qiáng)、揮發(fā)性強(qiáng)的有機(jī)溶劑以及有害性氣體。實驗室每天都有大量的廢氣、廢水、廢渣未經(jīng)處理直接排入環(huán)境中[3]。隨著高校教育規(guī)模的擴(kuò)大與教學(xué)內(nèi)容的增加，實驗室污染物的產(chǎn)生量與日俱增，如果這些污染物處理不當(dāng)，將會嚴(yán)重污染江河湖泊和地下水，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，最終影響人類的身體健康。由此可見，建設(shè)高校綠色實驗室是當(dāng)前世界各國刻不容緩的重大項目。建設(shè)綠色化實驗室是人類可持續(xù)發(fā)展的必然要求，對維護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康具有深遠(yuǎn)意義。

該課題以生物技術(shù)專業(yè)的實驗教學(xué)情況為基礎(chǔ)，探討生物實驗教學(xué)中存在的環(huán)保問題，深入探索綠色實驗教學(xué)。在新課程背景下，在綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下，該研究依據(jù)高校課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書，從師生綠色實驗理念的樹立、綠色實驗教學(xué)模式的探索和實驗室管理制度的改革3個方面，分析構(gòu)成綠色實驗教學(xué)系統(tǒng)的基本要素，進(jìn)行實驗綠色化教學(xué)研究，嘗試為高校實驗教學(xué)的綠色化改革提供一個研究范例。1生物技術(shù)專業(yè)的實驗教學(xué)概況

生物技術(shù)專業(yè)是生物類中的傳統(tǒng)專業(yè)，也是一個實踐性很強(qiáng)的專業(yè)。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、科研能力和創(chuàng)新能力的平臺。泰山醫(yī)學(xué)院生物技術(shù)專業(yè)是山東省省級特色專業(yè)，現(xiàn)有實驗室面積1 600 m2, 實驗儀器設(shè)備總值約700萬元，儀器設(shè)備720余臺(件)。另配有細(xì)胞培養(yǎng)室、基因工程實驗平臺、下游技術(shù)實驗平臺、分離純化技術(shù)平臺、植物組織培養(yǎng)室、微生物實驗技術(shù)平臺和生物分子分析技術(shù)平臺7個模塊化實驗教學(xué)平臺，建成了本專業(yè)特有的教學(xué)實驗室。生物技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計劃中開設(shè)的實驗課程或?qū)嶒灲虒W(xué)環(huán)節(jié)的課程達(dá)29門之多，隨著實驗教學(xué)和開放性實驗活動規(guī)模的擴(kuò)大，實驗室污染問題和環(huán)境保護(hù)問題亟待解決。2實驗教學(xué)中存在的污染問題

生物實驗是實驗教學(xué)和科研的重要組成部分。它給人們的生活、生產(chǎn)和科研帶來許多驚人的科技成果，同時也給環(huán)境帶來了許多危及人類健康的污染問題。例如，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它成為生物學(xué)各個領(lǐng)域研究中最常用到的技術(shù)和方法。然而分子生物學(xué)實驗中使用的試劑往往具有毒性、致癌性等，如溴化乙錠(EB)這樣的致癌物排入環(huán)境，極易在環(huán)境中形成二次污染[4]。因此微量的污染物就有可能對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害[5]。有時在實驗室中發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)束后有些學(xué)生將含致病微生物的培養(yǎng)液、培養(yǎng)基直接外排而未進(jìn)行滅菌處理，有些強(qiáng)堿、強(qiáng)酸性、有機(jī)溶劑、重金屬廢棄物在實驗中直接排入環(huán)境，這都極易對環(huán)境和人的身體健康造成傷害。這種現(xiàn)象在許多高校和科研院所中大量存在。當(dāng)前許多高校只強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力、發(fā)現(xiàn)分析并解決問題的能力和創(chuàng)新能力，而忽視了實驗室每天所排放的廢物處理問題。由于環(huán)保意識薄弱、資金投入不足、實驗設(shè)計不合理等因素，很多高校實驗室的廢棄物都沒有經(jīng)過處理而直接排放。

盡管實驗室每天排放污染物的量不大，但實驗所用的化學(xué)試劑種類繁多，污染成分復(fù)雜，日積月累，實驗室污染物對生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響不容忽視。因此，進(jìn)行綠色化生物實驗教學(xué)改革具有十分重要的意義。

3生物技術(shù)專業(yè)綠色實驗教學(xué)模式的探索與實踐

3.1轉(zhuǎn)變教育者、受教育者的觀念，樹立綠色實驗教學(xué)理念實驗教學(xué)與綠色化學(xué)聯(lián)系最為緊密，也最為直接。因此在實驗教學(xué)中貫徹綠色化學(xué)思想最為重要[6]。首先，結(jié)合大學(xué)生實驗教學(xué)的實驗內(nèi)容，針對性地探討生物學(xué)實驗中涉及的綠色化的理念、原則及策略，滲透綠色化理念，使學(xué)生學(xué)會用綠色化的原則和方法預(yù)防和處理實驗污染，逐步形成實驗綠色化觀念。其次，通過問卷調(diào)查，選取生物技術(shù)專業(yè)教師、實驗技術(shù)人員、本科生、研究生為對象，發(fā)放學(xué)生問卷、教師問卷。教師的問卷調(diào)查主要包括對綠色實驗的認(rèn)識、實驗綠色化實施情況、對在實驗教學(xué)中實施實驗綠色化的態(tài)度3個方面。學(xué)生的問卷調(diào)查主要包括對綠色實驗的認(rèn)識、生活中的綠色意識、實驗的態(tài)度和實驗習(xí)慣3個方面。針對問卷的調(diào)查結(jié)果，對教師和學(xué)生進(jìn)行綠色教育，從而促進(jìn)教師、學(xué)生積累綠色實驗知識，并樹立相應(yīng)的實驗理念。對教師和學(xué)生進(jìn)行了綠色化教育的跟蹤行動研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過進(jìn)行綠色教育的前后對比，師生在生物學(xué)實驗中養(yǎng)成了互相監(jiān)督的好習(xí)慣，大大減少了廢棄物亂倒的現(xiàn)象。

3.2綠色化實驗教學(xué)模式的探索將實驗綠色化融入實驗課程教材改革和課堂教學(xué)改革中，使實驗綠色化成為實驗教學(xué)的一個重要組成部分，這也是當(dāng)前綠色化教育的一個重要課題[6]。

3.2.1加快實驗室綠色化建設(shè)進(jìn)程。購買先進(jìn)的儀器、設(shè)備與相應(yīng)的實驗室配套設(shè)施，改善實驗環(huán)境與條件，減少實驗過程中廢物的產(chǎn)生。雖然高校實驗教學(xué)資金投入不足，影響了對先進(jìn)儀器、設(shè)備以及污染物處理設(shè)備的購買能力[7]，但“以人為本”，推近綠色化建設(shè)進(jìn)程，為科研人員、教師、學(xué)生提供良好的健康保障系統(tǒng)；提高實驗室對“三廢”的處理能力，從而減少污染物的排放。例如，對實驗室通風(fēng)櫥、下水道安裝氣體處理裝置或廢液收集系統(tǒng)，從而減少高校實驗室內(nèi)產(chǎn)生的廢氣、廢液對環(huán)境的影響。

3.2.2精選實驗課程。精選出一部分優(yōu)秀的實驗項目，刪除或替代有毒或者劇毒物質(zhì)或相關(guān)實驗。對本科生各門學(xué)科進(jìn)行統(tǒng)計和分析，刪除重復(fù)進(jìn)行的實驗內(nèi)容，保留經(jīng)典的低毒或者無毒的實驗教學(xué)內(nèi)容[8]，或?qū)⑾嚓P(guān)實驗用的試劑用品用無毒相似物替代。

3.2.3實驗綠色化設(shè)計。利用先進(jìn)設(shè)備儀器，將實驗設(shè)計為微量實驗，減少有毒試劑甚至常規(guī)試劑的使用量[9]。例如以前學(xué)生測定光的最大吸收峰，用分光光度計需要2 mL的體系，現(xiàn)在由酶標(biāo)儀代替，僅需要200 μL的體系?？茖W(xué)利用各種產(chǎn)物的性質(zhì)和特征，設(shè)計處理回收等實驗方案，從而減少直接排放廢液量，并回收部分物質(zhì)進(jìn)行利用。調(diào)整實驗流程和過程，串聯(lián)不同學(xué)科實驗，使實驗產(chǎn)物能繼續(xù)用于下一次綠色科研實驗[10]。例如將生物制藥工藝學(xué)和酶工程合并為一門實驗課程，改為生物工程下游實驗技術(shù)。

3.2.4結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)多媒體進(jìn)行實驗教學(xué)。充分利用現(xiàn)代科技展現(xiàn)實驗中含有的難以控制的有毒物質(zhì)，利用實驗輔助教育(CAI)來進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)[11-12]。讓學(xué)生從CAI課件中觀察實驗現(xiàn)象，并分析實驗，從而避免在實驗中產(chǎn)生有毒物品。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，簡單的知型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法滿足教學(xué)的需要，網(wǎng)絡(luò)化實驗向著仿真型實驗發(fā)展[13]。2014年全國共有100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲批。對學(xué)生來說，虛擬仿真實驗室的操作環(huán)境和實驗對象雖然是虛擬的，但都很逼真，在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中可以開展更高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實驗，尤其是對于那些涉及高危或極端環(huán)境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目。將實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化，通過多媒體輔助教學(xué)提升教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量是未來教學(xué)實踐的努力方向[14]。

3.2.5開放式實驗教學(xué)。實行開放式實驗教學(xué)，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計綠色實驗流程，并通過實驗方案綠色化程度的水平和效果進(jìn)行評估考核。通過這樣的一些方法，使學(xué)院的學(xué)生逐步培養(yǎng)綠色實驗的理念，增加自主設(shè)計的綜合性實驗教學(xué)課程。通過對常規(guī)實驗課程使用的試劑、產(chǎn)生的廢物種類進(jìn)行統(tǒng)計，讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下自主設(shè)計并實施可以利用和處理其他廢物資源的生物學(xué)或化學(xué)相關(guān)實驗；并在實驗結(jié)束后檢驗污染物處理水平。符合國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)的污水可順利排放，不符合的則通過另外的處理途徑進(jìn)行處理或回收。通過這樣針對性的學(xué)習(xí)和操作過程，讓學(xué)生能充分利用學(xué)校的資源，同時處理了科研實驗產(chǎn)生的廢物資源，減少了對環(huán)境的污染[15]。

3.3實驗室管理制度的改革由于高校教育投資基金的限制，獨(dú)立實驗室購買大型先進(jìn)儀器的能力有限。同時，高校本科生、研究生及科學(xué)研究工作者工作實驗室內(nèi)的整體建設(shè)投資水平較低。

首先通過對目前實驗室開展的實驗項目內(nèi)容進(jìn)行分析，整合實驗資源，將類似的實驗內(nèi)容放到一個時間段開設(shè)，使實驗資源得到最大的利用，最大化地節(jié)約了資源，減少了浪費(fèi)。挖掘其中綠色實驗項目相結(jié)合的課程資源，對其中實驗涉及的污染物進(jìn)行統(tǒng)計和歸類，總結(jié)已開展的實驗在綠色化方面的優(yōu)點(diǎn)和不足；最后，結(jié)合實驗綠色化、大學(xué)生實驗教學(xué)等相關(guān)文獻(xiàn)資料，探討高校實驗教學(xué)中實驗綠色化的原則和策略。

其次，打破不同院系、科室實驗室之間的各自管理的制度，建立了實驗室的紐帶連接關(guān)系。減輕不同實驗室儀器、設(shè)備、藥品管理方面的冗余[10]。

第三，建立藥品、儀器登記制度。將不常用儀器設(shè)備、藥品統(tǒng)一登記,變?yōu)楣灿糜闷?。減少各種原始化學(xué)品的冗余積累，從而避免浪費(fèi)試劑。

第四，加強(qiáng)實驗室之間“三廢”的綠色化處理聯(lián)系，通過共用和維護(hù)儀器設(shè)備，減少污染物處理成本，從而提高各個實驗室綠色化實驗設(shè)計的可能性。

第五，建立健全實驗室管理制度。加強(qiáng)人員的管理，健全實驗室污染物處理等相關(guān)規(guī)定；加強(qiáng)污染物的分類與管理。

4總結(jié)

研究通過對生物技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)綠色化的探索與實踐，形成了較為完善的綠色實驗教學(xué)模式與理念，既構(gòu)建了綠色實驗教學(xué)內(nèi)容，改善了實驗教學(xué)條件，又防止了環(huán)境污染，且節(jié)約了大量實驗資源和資金，為進(jìn)一步促進(jìn)實驗教學(xué)體系的綠色化建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)生物學(xué)實驗教學(xué)向綠色生物學(xué)實驗教學(xué)轉(zhuǎn)變的過程中，提高了教師和學(xué)生踐行綠色實驗理論的能力，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。同時構(gòu)建綠色化的實驗教學(xué)模式對于深化實驗教學(xué)改革與培養(yǎng)具有可持續(xù)發(fā)展思想的生物技術(shù)專業(yè)高素質(zhì)復(fù)合型人才具有重要意義。

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Exploration and Practice of Green Experimental Teaching Mode in Biotechnology Major

GUO Dong-hui, ZHANG Xian-zhong*, SHI Ren-jiu et al

(College of Life Science, Taishan Medical University, Taian, Shandong 271016)

Key wordsBiotechnology major; Green experimental teaching model; Exploration

AbstractAiming at environmental protection issues in experimental teaching process of biotechnology major, from three aspects of building green concept of teachers and students, exploring green experimental teaching mode and reforming laboratory management system, experimental teaching greening was explored and practiced to achieve the goal of green experiment teaching, and provide an example for reform of university green experimental teaching.

基金項目山東省高等醫(yī)學(xué)教育課題(YJKT201124)。

作者簡介郭東會(1988- )，女，河北邢臺人，講師，碩士，從事微生物研究。*通訊作者，高級實驗師，從事分子生物學(xué)研究。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號S-01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-308-02