突出工科院校學(xué)科交叉微生物學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革研究

謝 暉, 應(yīng)瓊瓊, 曾 琦, 陳 丹, 沈曉敏, 梁繼民

(1. 西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 西安 710126; 2. 西安電子科技大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 西安 710126; 3. 西安交通大學(xué) 附屬中學(xué)， 西安 710126 )

隨著學(xué)科交叉和生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)日益增長(zhǎng)的需求，國(guó)內(nèi)大量重點(diǎn)工科院校開(kāi)設(shè)了生命科學(xué)學(xué)院及相關(guān)生命科學(xué)領(lǐng)域本科專(zhuān)業(yè)，微生物學(xué)作為生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心課程，微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課的重要性不言而喻[1]。筆者依據(jù)2017年最新的高考志愿填報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)公開(kāi)信息統(tǒng)計(jì)( http://gkcx.eol.cn/soudaxue/querySchoolSpecialty.html &argspecialtyname)，全國(guó)現(xiàn)有的2914所全日制本科高校(含民辦、高職院校)中，其中開(kāi)設(shè)微生物學(xué)課程相關(guān)的生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)的高校數(shù)量居多，涵蓋面廣，涉及工科院校比例較大，具體見(jiàn)表1。在上述數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，筆者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息(高校主頁(yè)學(xué)院信息專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置查詢(xún))、省外高校電話(huà)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)溝通，省內(nèi)及周邊工科高校實(shí)地調(diào)研等方式進(jìn)行了大數(shù)據(jù)信息采集不完全統(tǒng)計(jì)，目前開(kāi)設(shè)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的工科院校已覆蓋生物工程、生物醫(yī)學(xué)工程、生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物信息學(xué)及生物科學(xué)與生物技術(shù)多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，工科院校微生物實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)總數(shù)高達(dá)463門(mén)。由此可見(jiàn)微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)課程在現(xiàn)今工科院校本科教學(xué)培養(yǎng)中所占的重要地位。微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生“知識(shí)、能力、素質(zhì)”的培養(yǎng)方面具有更加形象和實(shí)用性的重要作用，是鍛煉學(xué)生思維能力、操作能力與運(yùn)用能力的一個(gè)重要途徑，也是培養(yǎng)實(shí)操動(dòng)手為主的工科院校學(xué)生創(chuàng)新能力的一個(gè)重要手段[2-3]。

表1生物類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)院校及微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)情況匯總

傳統(tǒng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在許多不足：1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，不能引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視，“照貓畫(huà)虎”，人到心不到; 2)沒(méi)有真正地突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)在未來(lái)科研及生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用作用，無(wú)法激發(fā)學(xué)生內(nèi)心的學(xué)習(xí)鉆研興趣[4]；3)與工科院校生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)脫節(jié)。由于該類(lèi)學(xué)生具有一定的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)，在單純微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法發(fā)掘出課程間的聯(lián)系，關(guān)聯(lián)性不大，直接導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)效率低下，重視程度不足等問(wèn)題的出現(xiàn)。微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn)是西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程本科專(zhuān)業(yè)(均授予工學(xué)學(xué)士學(xué)位)的必修課程，該綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)占整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程總成績(jī)的60%，總計(jì)24學(xué)時(shí)，其涉及面寬，影響面大。想要更好地培養(yǎng)大學(xué)科交叉下的生命科學(xué)人才，真正做到核心課程和培養(yǎng)方案的百分百吻合。對(duì)工科院校學(xué)生的微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)具備明顯的實(shí)用性及學(xué)科交叉的工科特色，以便更好地適應(yīng)學(xué)院人才培養(yǎng)和當(dāng)今社會(huì)企業(yè)的迫切需求[5]。多年來(lái)，筆者借鑒兄弟院校工科課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以土壤微生物系統(tǒng)進(jìn)化綜合大實(shí)驗(yàn)為例對(duì)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革。

1 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，凸顯現(xiàn)代化學(xué)科交叉特性

土壤微生物系統(tǒng)進(jìn)化綜合大實(shí)驗(yàn)是在早期的土壤(環(huán)境)微生物分離觀(guān)察綜合實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)實(shí)施的。主要在原微生物分離培養(yǎng)及無(wú)菌操作的基礎(chǔ)上增加了分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)信息挖掘等知識(shí)內(nèi)容(表2)。較之前的單純土壤微生物分離觀(guān)察，整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了較強(qiáng)的多維度性和學(xué)科交叉性，所有知識(shí)均涵蓋學(xué)生必修主干核心課程，對(duì)學(xué)生今后從事生命科學(xué)研究、電子信息技術(shù)跨學(xué)科應(yīng)用、生物軟件研發(fā)等相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)難度的提升和內(nèi)容的豐富也使得學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)課程的態(tài)度和興趣有了極大的提升(實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)程結(jié)果見(jiàn)圖 1)。

圖 1 學(xué)科交叉綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果流程圖

項(xiàng) 目原綜合實(shí)驗(yàn)改革綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容微生物分離、培養(yǎng)、觀(guān)察微生物分離培養(yǎng)、基因組提取、保守區(qū)段擴(kuò)增、測(cè)序、算法編程、數(shù)據(jù)庫(kù)使用、進(jìn)化分析涉及學(xué)科微生物學(xué)微生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)信息挖掘優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單明了,學(xué)時(shí)數(shù)較短整合工科生綜合知識(shí),突出工科微生物綜合實(shí)驗(yàn)特色劣勢(shì)相對(duì)單一無(wú)特色、學(xué)生興趣不高,學(xué)習(xí)效果一般復(fù)雜困難、實(shí)驗(yàn)成本較高、學(xué)時(shí)數(shù)較長(zhǎng),對(duì)任課教師專(zhuān)業(yè)水平要求較高意義扎實(shí)微生物基礎(chǔ)、便于理解更有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及綜合能力,其教學(xué)效果大大提高

2 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念， 充分發(fā)揮學(xué)生主觀(guān)能動(dòng)性

2.1 自主設(shè)計(jì)方案

主要采用“自主實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”的形式，引導(dǎo)學(xué)生形成微生物實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。此形式將有助于全面促進(jìn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ陌l(fā)展和形成。自主設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)以學(xué)生為主體的綜合實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，一方面鍛煉高年級(jí)學(xué)生利用大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的綜合性獲取綜合運(yùn)用新知識(shí)的能力；另一方面利于學(xué)生從綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題[6-7]。

2.2 方案設(shè)計(jì)流程原則

以“土壤微生物系統(tǒng)進(jìn)化綜合大實(shí)驗(yàn)”為例，教師可提前把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容布置給學(xué)生，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程關(guān)鍵因素和環(huán)節(jié)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)入實(shí)驗(yàn)課程考核中，以此增加學(xué)生積極性和主動(dòng)性。為完成方案的設(shè)計(jì)，教師應(yīng)輔助學(xué)生經(jīng)歷3個(gè)重要階段(圖2)，以保證方案設(shè)計(jì)科學(xué)縝密。通過(guò)筆者多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀(guān)察，多數(shù)學(xué)生都具備良好的自學(xué)、分析和解決問(wèn)題能力，但是仍然需要教師進(jìn)行正確和恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，使得這些習(xí)慣逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能力，從而極大地提高工科學(xué)生的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合能力[8-9]。現(xiàn)以我們凝練總結(jié)的“微生物實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)教師控制核心流程及原則”(圖2)為準(zhǔn)則舉例說(shuō)明。圖3所示，學(xué)生具體拿到選題之后以學(xué)生為主，教師輔助完成的整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，在保證學(xué)生自主性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生準(zhǔn)備過(guò)程中信息挖掘的深度、學(xué)習(xí)知識(shí)的廣度，以及后續(xù)實(shí)驗(yàn)方案的可行性。

圖2 微生物實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)教師控制核心流程及原則

圖3 微生物實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)教師控制核心流程實(shí)例

3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核機(jī)制，突出綜合能力評(píng)定

結(jié)合第二部分內(nèi)容，增加學(xué)生在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案之后的開(kāi)題答辯環(huán)節(jié)，綜合實(shí)驗(yàn)完成之后的結(jié)題答辯環(huán)節(jié)，開(kāi)題報(bào)告和結(jié)題報(bào)告均要求以標(biāo)準(zhǔn)科研論文形式撰寫(xiě)，綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)行課題組/項(xiàng)目組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制[9]，負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。同時(shí)結(jié)合筆者多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)的“四原則”(技能、表現(xiàn)、報(bào)告、結(jié)果) 全面給出實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)定，以便真實(shí)公正地反映學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的各項(xiàng)表現(xiàn)[10]。

微生物綜合實(shí)驗(yàn)課程的考核，尤其是創(chuàng)新性學(xué)科交叉綜合性實(shí)驗(yàn)考核，目的是讓工科學(xué)生能夠以微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)為主[11]，結(jié)合現(xiàn)代化前沿需求合理整合所學(xué)其他核心主干課程的實(shí)驗(yàn)技能，其設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案、參與實(shí)驗(yàn)的“四原則”(上述)、綜合實(shí)驗(yàn)技能的運(yùn)用(總成績(jī)15%)，最終取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(總成績(jī)20%)，開(kāi)題報(bào)告(總成績(jī)15%)，結(jié)題論文報(bào)告(總成績(jī)25%)，答辯過(guò)程和答辯PPT的撰寫(xiě)質(zhì)量(總成績(jī)25%)等多方面量化考核。真正做到重過(guò)程、輕結(jié)果，重思維、輕流程，重內(nèi)涵、輕表象。以便全面激發(fā)工科學(xué)生的微生物綜合實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)?zāi)芰λ健?/p>

4 微生物綜合實(shí)驗(yàn)課程改革的效果及總結(jié)

4.1 改革成效

“土壤微生物系統(tǒng)進(jìn)化綜合大實(shí)驗(yàn)”自2013年起，由筆者發(fā)起改革，目前已經(jīng)過(guò)四屆本科生的實(shí)踐，先后獲得西安電子科技大學(xué)新實(shí)驗(yàn)一等獎(jiǎng)、優(yōu)秀教改創(chuàng)新項(xiàng)目等多項(xiàng)榮譽(yù)。但由于實(shí)驗(yàn)難度及綜合性的提升，實(shí)驗(yàn)課程不及格率一直存在，如何降低甚至消除不及格率也是綜合實(shí)驗(yàn)后續(xù)進(jìn)一步研究改革的問(wèn)題之一(圖 4)。通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，參與學(xué)生普遍認(rèn)為：1)改革后的微生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)，使他們更加重視實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，注重提升發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也感到一定的成績(jī)壓力;2)微生物綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，提高了他們獨(dú)立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題與創(chuàng)新思維的能力；3)分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)行項(xiàng)目組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制、答辯制、報(bào)告制、預(yù)約制，培養(yǎng)與提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神；4)綜合實(shí)驗(yàn)涉及的多學(xué)科交叉內(nèi)容，能夠讓學(xué)生更好地整合計(jì)算機(jī)、生物信息學(xué)、分子生物學(xué)等各學(xué)科核心專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能，尤其突出了程序設(shè)計(jì)、軟件使用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等工科專(zhuān)業(yè)的特色實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)，由表及里探索微生物系統(tǒng)進(jìn)化的本質(zhì)問(wèn)題，不再停留在相對(duì)單一的純微生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)階段中，進(jìn)一步提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和重視程度，真正意義上做到了具備明顯的學(xué)科交叉工科特色、更好地適應(yīng)工科學(xué)院人才培養(yǎng)和當(dāng)今社會(huì)的迫切需求。我們對(duì)已實(shí)施該綜合實(shí)驗(yàn)的四屆本科生進(jìn)行了滿(mǎn)意度調(diào)查，匿名調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果顯示學(xué)生不滿(mǎn)意度及非常不滿(mǎn)意度均為0%，整體滿(mǎn)意度高達(dá)93%(圖 4)，多數(shù)學(xué)生表示經(jīng)歷微生物學(xué)綜合大實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)為自己經(jīng)歷了類(lèi)似專(zhuān)業(yè)科研訓(xùn)練過(guò)程一樣的訓(xùn)練，個(gè)人的知識(shí)運(yùn)用能力及專(zhuān)業(yè)綜合水平得到了明顯提升。

圖4 2014—2017年度微生物綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及綜合實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)意度調(diào)查

4.2 總結(jié)展望

綜上，在后續(xù)的微生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，依托學(xué)院的省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)將會(huì)進(jìn)一步注重：1)以學(xué)院本科生導(dǎo)師制為契機(jī)，進(jìn)一步鼓勵(lì)高年級(jí)學(xué)生進(jìn)入并參與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及科研課題，直接為學(xué)生后續(xù)科研訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ); 2)進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放力度，最大限度為學(xué)生提供更多的動(dòng)手機(jī)會(huì); 3)依據(jù)工科院校生物專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)和方向，不斷更新特色的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步改革教學(xué)模式，把微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室建成西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院培養(yǎng)生命科學(xué)類(lèi)工科創(chuàng)新人才的核心基地[8]。這樣不僅有利于提高微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，更有利于培養(yǎng)工科院校學(xué)生的學(xué)科交叉綜合素質(zhì)，此類(lèi)型綜合實(shí)驗(yàn)也可在后續(xù)適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化，成為當(dāng)前工科院校其他生物實(shí)踐教學(xué)課程的參考模式[10]。