設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)原則及規(guī)范化教學(xué)過程探索

張旦旦，李 會，史勁松

(江南大學(xué) 藥學(xué)院 制藥工程實(shí)踐教育中心, 無錫 214122)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)原則及規(guī)范化教學(xué)過程探索

張旦旦，李 會，史勁松

(江南大學(xué) 藥學(xué)院 制藥工程實(shí)踐教育中心, 無錫 214122)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高級形式，在整個高等教育中具有重要地位。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程應(yīng)遵循實(shí)驗(yàn)命題必須基于已有的知識體系、實(shí)驗(yàn)過程以學(xué)生為主體以教師為督導(dǎo)、考核須“過程”與“結(jié)果”并重3個基本原則；規(guī)范化教學(xué)過程包括設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題與任務(wù)下達(dá)、資料查閱與實(shí)驗(yàn)方案擬訂、調(diào)整優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的操作過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫5個方面。以一堂生物制藥工藝學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為實(shí)踐案例，探討設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)原則和規(guī)范化教學(xué)過程。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；開設(shè)原則；規(guī)范化過程；案例分析

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是培養(yǎng)合格人才的基本環(huán)節(jié)，在學(xué)生能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高方面有其獨(dú)特的作用[1]，尤其是工科類專業(yè)，面向的就業(yè)方向多為生產(chǎn)型企業(yè)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，為更好地適應(yīng)日后的工作環(huán)境做好準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指結(jié)合或獨(dú)立于課程教學(xué)而進(jìn)行的一種由學(xué)生自主完成的探索性實(shí)驗(yàn)[2]，其特點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探研性與學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性科學(xué)思維和開拓創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生的參與性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[3]。

作者基于長期的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以一堂生物制藥工藝學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為實(shí)踐案例，探討了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)原則以及規(guī)范化教學(xué)過程。

1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)原則

1.1 實(shí)驗(yàn)命題必須基于已有的知識體系

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程是學(xué)生利用所學(xué)理論指導(dǎo)實(shí)踐的過程，因此在選擇設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)必須充分考慮學(xué)生已有的知識體系，項(xiàng)目內(nèi)容以及所涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)難易適中，過易則知識面太窄或難度太低，難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的目的；過難則學(xué)生無從下手，無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成或完成度較差[4]。簡而言之，選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)應(yīng)基于學(xué)生已有的知識體系，但絕不是照搬已做過的實(shí)驗(yàn)方法，而是對所學(xué)知識的有機(jī)整合、靈活運(yùn)用，即實(shí)驗(yàn)課題應(yīng)有一定的綜合性。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程以學(xué)生為主體、以教師為督導(dǎo)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)條件，搜集相關(guān)資料、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并自己動手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告或研究論文的過程。因此，學(xué)生是整個設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施主體，而教師則發(fā)揮監(jiān)督和引導(dǎo)的作用。

鑒于學(xué)生個體差異，盡管所受的前期教育相同，但專業(yè)技術(shù)水平和動手能力仍然參差不齊，且多數(shù)學(xué)生思想活躍，在缺少約束的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，容易出現(xiàn)課堂紀(jì)律渙散、實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范、儀器設(shè)備錯誤使用等意想不到的狀況，這就需要實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師善于引導(dǎo)、加強(qiáng)監(jiān)督。1)實(shí)驗(yàn)教師要具備扎實(shí)的業(yè)務(wù)能力，大到專業(yè)知識，小到各個儀器設(shè)備的使用維護(hù)，才能在資料查閱、方案審查修訂、結(jié)果分析討論等整個實(shí)驗(yàn)流程中全面的指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并取得良好的教學(xué)效果；2)實(shí)驗(yàn)教師要有較好的師德素養(yǎng)和教學(xué)相長的思想，在教學(xué)過程中要根據(jù)每個學(xué)生的具體情況，區(qū)別對待，耐心指導(dǎo)，鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生主動思考、大膽創(chuàng)新[5]；3)實(shí)驗(yàn)教師要具備“眼觀六路耳聽八方”的能力，隨時(shí)關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，對于操作過程中出現(xiàn)的問題及時(shí)糾正；發(fā)揮組織管理能力，保證課堂紀(jì)律和實(shí)驗(yàn)安全，謹(jǐn)防學(xué)生的自主學(xué)習(xí)變成自由學(xué)習(xí)。

1.3 考核須“過程”與“結(jié)果”并重

在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，對學(xué)生進(jìn)行綜合考核以確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，考核的內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)計(jì)方案的可行性、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、數(shù)據(jù)處理的全面性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性以及良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣等幾個方面[6]?；谠O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的主要目的是鍛煉學(xué)生的思維能力和解決問題的能力，考核重點(diǎn)應(yīng)放在實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、對實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題的處理方式或突發(fā)事件的應(yīng)變能力、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果特別是失敗結(jié)果的分析討論、溯源失敗原因并提出可行的改進(jìn)方案等方面?？傊笇?dǎo)教師須在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)真觀察，根據(jù)每一個學(xué)生的表現(xiàn)給出合理的成績，這不僅是對學(xué)生的考核，更是對教師專業(yè)素養(yǎng)的考驗(yàn)。

2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的規(guī)范化教學(xué)過程和案例分析

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具有一定的基礎(chǔ)知識、實(shí)驗(yàn)技能以及數(shù)據(jù)處理能力，對所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能、適用范圍、操作方法等有一定程度的掌握，因此，應(yīng)在相關(guān)理論學(xué)習(xí)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。作者經(jīng)過幾年的實(shí)踐改革，整理了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)范化流程，并以一堂生物制藥工藝學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為實(shí)踐案例進(jìn)行深入探討。

2.1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題與任務(wù)下達(dá)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的命題應(yīng)遵循“基于已有知識體系”的原則，同時(shí)為調(diào)動學(xué)生的探索欲和積極性，命題應(yīng)具有啟發(fā)性、趣味性和實(shí)用性。指導(dǎo)教師可直接下達(dá)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，亦可下達(dá)總體研究方向，由學(xué)生自由選擇具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；對于已分專業(yè)的高年級學(xué)生或研究生教學(xué)，設(shè)計(jì)題目應(yīng)在考慮前期驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中相關(guān)知識和技能應(yīng)用的同時(shí)，結(jié)合專業(yè)方向，以利于鞏固所學(xué)知識，做到活學(xué)活用。

確定選題后，指導(dǎo)老師應(yīng)立即向?qū)W生下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書，以生物制藥工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一堂“重組干擾素α2b的分離純化”實(shí)驗(yàn)課為例，主要內(nèi)容如下：

實(shí)驗(yàn)題目：大腸桿菌源重組干擾素α2b的分離純化

課程基礎(chǔ)：該課程應(yīng)在學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)分離純化相關(guān)理論知識的前提下開展，要求學(xué)生對微生物相關(guān)知識，尤其是重組蛋白的表達(dá)有一定的了解，并已完成生物化學(xué)相關(guān)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程。

相關(guān)背景：該重組蛋白的生產(chǎn)菌株為大腸桿菌(Escherichiacoli)pET 28a-α2b，所得重組蛋白α2b為干擾素，分子質(zhì)量約為18 ku，等電點(diǎn)(pI)為6.0。

目的意義：掌握重組蛋白質(zhì)提取和分離純化的一般流程，強(qiáng)化鞏固蛋白質(zhì)純化相關(guān)知識與實(shí)驗(yàn)操作。

實(shí)驗(yàn)條件：充足的化學(xué)試劑、玻璃器皿、蛋白電泳系統(tǒng)、AKTA蛋白純化系統(tǒng)、以及實(shí)驗(yàn)所需其他設(shè)備。

任務(wù)要求：根據(jù)背景資料查閱相關(guān)文獻(xiàn)，以發(fā)酵所得重組大腸桿菌為原料，設(shè)計(jì)一條工藝路線，提取重組干擾素α2b，并對其進(jìn)行純化精制。

預(yù)期達(dá)到主要技術(shù)指標(biāo)：得到電泳純的重組蛋白，總回收率在10%以上。

2.2 查閱資料、擬訂實(shí)驗(yàn)方案

該階段屬于學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)課題，明確關(guān)鍵知識點(diǎn)并進(jìn)行資料查閱，期間要加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、自主學(xué)習(xí)以及相互學(xué)習(xí)的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等。如學(xué)生為首次開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，為避免學(xué)生在資料查閱上的手足無措，教師可教授文獻(xiàn)查閱的方法，幫助設(shè)定文獻(xiàn)查閱關(guān)鍵詞等。資料查閱主要途徑有：1)學(xué)校圖書館館藏紙質(zhì)資料；2)網(wǎng)絡(luò)搜索引擎；3)利用關(guān)鍵詞在各類數(shù)據(jù)庫查閱最新文獻(xiàn)資料；4)利用專業(yè)論壇進(jìn)行交流咨詢[7]。本實(shí)驗(yàn)課題文獻(xiàn)調(diào)研的方向有：大腸桿菌表達(dá)載體pET28a所表達(dá)的重組蛋白的性質(zhì)；蛋白質(zhì)純化從粗提到精制的一般流程；常用的細(xì)胞破碎的方法；常用的蛋白質(zhì)分離純化的方法；蛋白質(zhì)檢測方法等。關(guān)鍵詞包括干擾素，重組蛋白，純化等。

學(xué)生在深入理解課題并廣泛收集資料的基礎(chǔ)上，按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，構(gòu)思一種或多種可能的設(shè)計(jì)方案，該方案應(yīng)解答如下4個問題：該實(shí)驗(yàn)課題的總體思路是什么？實(shí)現(xiàn)該思路需要哪些單元實(shí)驗(yàn)支撐？如何完成各單元實(shí)驗(yàn)(包括實(shí)驗(yàn)原理與具體的實(shí)驗(yàn)方法)？完成各單元實(shí)驗(yàn)需要配套哪些硬件設(shè)備？即要將重組蛋白純化的總工藝路線，每一步實(shí)驗(yàn)的原理、詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟及所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備一一列出。這時(shí)擬定的僅僅是實(shí)驗(yàn)方案的初稿。

2.3 調(diào)整優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生初步擬定的實(shí)驗(yàn)方案通常會存在一些違背實(shí)驗(yàn)原理或是實(shí)驗(yàn)安全的問題，導(dǎo)致方案的可行性較差，這就需要教師發(fā)揮督導(dǎo)的作用，對方案進(jìn)行全方位的審閱指導(dǎo)。以兩次審閱為例。

第一次審閱在實(shí)驗(yàn)方案初步成形后。指導(dǎo)教師要從實(shí)驗(yàn)方案的基本架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理、具體操作等各方面對方案初稿進(jìn)行全方位的審閱，對每一步實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行批注，并與學(xué)生面對面的溝通，肯定其精華，指出其不足，對于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)操作以及設(shè)計(jì)方案中存在的主要問題，提供相關(guān)參考文獻(xiàn)由學(xué)生自主改進(jìn)方案。教師對學(xué)生的設(shè)計(jì)不宜過多干涉，對方案的指導(dǎo)作用是啟發(fā)性、方向性和建議性的，要注意培養(yǎng)和鼓勵學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主觀能動性[8]。為防止安全事故，教師應(yīng)對某些違反實(shí)驗(yàn)原理和基本操作規(guī)程的操作步驟進(jìn)行糾正。

第二次審閱在第一次實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)過修改、充實(shí)后。我們認(rèn)為沒有完美的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)過程中的某些彎路正是學(xué)生自我學(xué)習(xí)和探索的必經(jīng)階段，因此，第二次審閱除了對某些違反基本操作規(guī)程及有可能造成安全事故的操作步驟進(jìn)行糾正之外，不再建議指導(dǎo)教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案提出修改意見。

針對本實(shí)驗(yàn)案例，此次評閱的重點(diǎn)，一是明確該重組蛋白是胞內(nèi)可溶性表達(dá)、包涵體表達(dá)、還是分泌型表達(dá)，這是該方案能否順利實(shí)施的關(guān)鍵，后續(xù)所有實(shí)驗(yàn)方案均基于此；二是蛋白層析填料的選擇，根據(jù)蛋白質(zhì)性質(zhì)選擇層析填料，根據(jù)填料制定具體操作流程等。

2.4 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的操作過程

實(shí)驗(yàn)操作過程是學(xué)生利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案的過程。操作過程中學(xué)生會遇到許多問題，如某步實(shí)驗(yàn)不能順利進(jìn)行，所得結(jié)果與預(yù)期偏差較大甚至背道而馳，對某些未使用過的試劑性狀不了解，對某些儀器和耗材的使用方法不清楚等。針對這些問題，教師一般不直接回答，而是引用相關(guān)文獻(xiàn)或已有知識，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生深入分析問題，大膽思考、勇于嘗試，自行找出解決問題的辦法。

針對本實(shí)驗(yàn)方案要求，學(xué)生須對每一步樣品進(jìn)行檢測以評價(jià)純化效果，必要時(shí)根據(jù)結(jié)果優(yōu)化調(diào)整后續(xù)實(shí)驗(yàn)方案。操作過程中，教師應(yīng)加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的指導(dǎo)，尤其是蛋白電泳過程中部分試劑有神經(jīng)毒性，教師須關(guān)注學(xué)生操作的規(guī)范性。不管實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，學(xué)生必須堅(jiān)持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，實(shí)事求是地記錄所有數(shù)據(jù)。

2.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的總結(jié)思考，報(bào)告形式可按一篇常規(guī)科研論文的格式撰寫，內(nèi)容包括：引言(實(shí)驗(yàn)背景，查閱的實(shí)驗(yàn)資料總結(jié)等)、材料與方法、結(jié)果(所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括失敗的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))、討論(對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，個別實(shí)驗(yàn)失敗的原因，以及改進(jìn)的方法探討等)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)最大的區(qū)別在于結(jié)果的不確定性，即實(shí)驗(yàn)可能失敗，因此，最后的結(jié)果討論是整個實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重點(diǎn)，教師可輔助學(xué)生對結(jié)果進(jìn)行分析，對于失敗或者有偏差的結(jié)果，做成因分析并探討改進(jìn)的方法。學(xué)生通過一次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、找到解決問題的辦法也不失為一個成功的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。如果學(xué)生有意在失敗的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可開始新一輪的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程。

3 結(jié)語

大學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是教學(xué)理念的改革，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020 年)》[9]指出：“要以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，把促進(jìn)學(xué)生健康成長作為學(xué)校一切工作的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)?！薄耙詫W(xué)生為主體”的教育理念如今已經(jīng)成為現(xiàn)代大學(xué)教育思想的主流[10]。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高級形式，既充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，又訓(xùn)練了學(xué)生的科研素質(zhì)，是學(xué)生科研能力成型的重要考核指標(biāo)。近年來，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)已在各高校推廣并被師生廣泛接受，在整個高等教育，尤其是理工科類專業(yè)的教育中具有重要地位[11]。秉承培養(yǎng)具有較好的科學(xué)素)養(yǎng)及研究基本功的生物技術(shù)專業(yè)人才為目的，我們在生物制藥工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量，取得了較好的教學(xué)效果，真正做到了在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行改革與創(chuàng)新，在改革與創(chuàng)新中不斷進(jìn)步[12]。

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Explorationofestablishprinciplesandnormalizationprocessforthedesigningexperimentalteaching

ZHANG Dan-dan, LI Hui, SHI Jing-song

(Practice Education Center of Pharmaceutical Engineering, School of Pharmaceutical Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

As an advanced form of experimental teaching, designing experiment plays an important role in the whole higher education. The principles of designing experimental teaching include that the experimental proposition must be based on existing knowledge, students-leading and teachers-steering during the experimental process, examination should be equal to the process and results. The designing experimental teaching based on five standardization processes, including topic selection and task assignment, data access and experimental programming, optimization of the experimental scheme, operation of designing experiment process and experimental report. Taking a pharmaceutical technology designing experiment as a study case, we discussed the establish principles and normalization process for the designing experimental teaching.

designing experiment; establish principle; normalization process; case analysis

2017-03-15；

2017-04-07

江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015B146);江南大學(xué)教改項(xiàng)目(JG2015032, JG2015120)

張旦旦，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槲⑸锱c生物制藥， E-mail: zhandd2006@126.com

史勁松，教授，研究方向?yàn)槲⑸锱c生物制藥， E-mail: shijs@163.com

10.3969/j.issn.2095-1736.2017.06.120

G642.423

C

2095-1736(2017)06-0120-03