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生物工程实验课程的构建探讨

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一、综合实验课程的特点

综合实验是建立在传统的演示性实验、验证性实验基础之上的一种新型实验课程体系,经过几年实践,总结出以下几个特点。首先,选题由教师或学生自己确定,实验方案接近工程实际,积极应用新技术,体现高新技术向课程的渗透。其中与教师科研相结合的课题使得实验层次有所提高,更具有探索性和创造性。其次,选题一经确定,学生充分发挥其主观能动性,认真查找资料并设计实验方案,由过去的被动实验变为主动参与,锻炼了学生的设计能力和综合创新意识。最后,在教学组织上,实现2~3人一组,组长负责协调,学生之间既有分工又有合作,教师对各环节给予有目的的指导,推进和保障实验内容的顺利实施。

二、综合实验课程实施的内容及步骤

综合实验教学过程可按以下步骤进行。第一阶段:实验分组、选定研究课题。综合实验选题的一般原则。

1.具有相对完整性。

综合实验应选取比较典型的工程问题,涉及本科生所学课程的多个知识点,实验内容形成一个相对完整的工程训练体系,达到训练学生学会分析和解决工程实际问题的目的。

2.具有可行性。

应根据实验经费和实验室具体情况,结合学生所学知识,选取工业生产中具有代表性的技术问题为实验内容。大多数问题应该难度适中,使学生在规定的时间内经过努力可以解决,易于调动学生学习的积极性。

3.具有应用性和可拓展性。

开出的综合性实验要联系企业对工科大学生在技术层面上的要求,给学生一个较大的处理问题的空间。通过实验设计将各门课程学习的各种实验技能有机整合,并且灵活应用,解决实际问题。实验的每个环节能深能浅,各自都能相对独立和深入拓展。学生在实验中既有规范指导而又不受到规范的约束,重在通过实验而得到思维过程的训练,基本上掌握解决一般工程问题

4.具有综合性和灵活性。

知识是一个联系紧密的整体,实验中所包含的知识之间并非孤立,而是相互联系、相互作用的。因此综合实验设计时不仅要考虑知识的覆盖面,而且要着重考虑知识间的联系,使整体功能得以最大限度地发挥。学生可充分利用基础课和专业课的知识以及所掌握的实验技能,充分利用实验室的仪器设备,自行设计多种方案,在教师的指导下,修改完善课题方案,锻炼提出假设、构想技术路线和预期结果的能力。第二阶段:开题论证。对学生初步方案的可行性、难度进行论证、分析,在教师的指导下,修改完善课题方案,填写开题报告。培养学生提出假设、构想技术路线和预期结果的科研能力。第三阶段:实验设计。教师先讲解有关的文献资料及查阅方法,然后明确实验的内容、意义、重点、难点及需要解决的问题,为设计实验方案奠定基础。学生在课下根据自己所感兴趣的课题,在查阅大量文献的基础上设计实验方案。要求学生在报告实验方案过程中,明确本课题实施的技术路线、实验内容以及实验方法,使不同课题组之间达到课题方案交流、互相启发、互相学习、取长补短的效果。根据每个组的实验方案,结合实验室的具体条件,教师对课题方案进行评定,强调课题的理论依据、意义、创新性及可行性,并指出课题实施过程中的具体问题。第四阶段:课题实施。学生根据方案分组实验,课题组独立完成实验方案实施的全过程,教师主要是解答问题,宏观调控,把握进度,引导学生独立思考,锻炼其动手能力,同时使学生将各专业课知识融会贯通,提高综合运用知识及独立工作的能力。教师定期组织学生进行学术讨论,通过讨论使各组互相了解实验内容、研究思路和创新点等,也便于指导教师掌握各组的实验进度、存在问题,并指出努力方向。要求学生随时汇报工作进展,研究解决出现的问题,制定下一步工作方案。为每一位同学提供讲解的机会,锻炼其表达能力。第五阶段:总结成果,进行答辩。要求学生根据自己在一定时间内的工作,按科研论文的形式写出规范的研究报告。由教师组织答辩。根据学生资料查询、实验方案设计、实际操作、实验报告写作、答辩记录等几个方面综合评定学生成绩。

三、综合实验课程教学改革措施

根据实验室现有条件,开设了“人白细胞介素2原核表达系统的建立”、“大豆中脲酶的提取、分离、鉴定、活性以及反应动力学参数的测定”、“产纤维素酶微生物菌种的分离和筛选”等综合性实验。实验内容包括了原核系统的建立、表达、分离,生物活性有效成分的提取、分离、纯化、活性测定、定性定量检验,培养基的制备、实验材料的收集、微生物菌种的分离、纯化及产物鉴定等数十个综合性、设计性实验,覆盖了整个生物工程产业的上、中、下游过程,涉及生物化学、微生物学、分子生物学、基因工程、生物物质分离及现代仪器分析等专业基础课和专业课,使学生得到全过程、全方位的科研训练,提高学生的学习兴趣和工作的责任心,为学生的就业以及再深造学习打下良好的基础。在实施过程中,以下几方面是我们关注的重点。一是实验教学与科研相结合。指导教师在确定实验题目时,结合实验室经费、科研立项基金或教师的科研项目内容和研究目标,选择适当的科研项目中的部分研究内容,作为学生综合实验教学中的课题。不仅加深了实验课教学内容的深度和广度,而且可以培养学生严谨的治学态度和工作作风,消除学生对科研的畏惧感和神秘感,大大提高学生对科研的兴趣和自信。二是教学方法上讲授、讨论、实验研究三结合。在综合型实验中,教学方法由已知知识的“传授法”变为探索未知的“指导法”。教师对课题要求、新仪器与设备的应用、科研的环节和方法进行专题讲授,引导学生检索、查阅文献资料和工具书,对查阅的文献资料和方案进行集体讨论,有效地锻炼学生检索文献资料,分析与评价他人研究工作的能力。在教师组织下,通过讨论,制订和完善实验方案,根据方案分阶段实施。教师的精讲、解疑和指导都是根据学生自主学习的具体情况有针对性地进行,以学生讲述和争论为主,教师及时给予解疑和帮助。这种教学方法将学生本科后期从事毕业设计乃至研究生阶段的教学方法引入专业基础课实验,为突破以讲授为中心的教学法提供了新的途径。三是加强实验教材改革,综合实验课程教学中我们注意了实验课题的设置水平,确保学生进行实验设计时必须参考一定数量的文献资料。据统计,每位学生平均查阅期刊5种,参考文献9篇,多的达20多篇。四是重视实验前的准备,综合实验课程中通过让学生自己准备实验,使学生懂得每做一个实验不仅要花费不少财力物力,而且还要付出大量的辛苦劳动,更加珍惜每一次实验,进而提高学习的积极性。有些学生通过查阅资料发现普通食用黄豆和黄豆种子在脲酶活性上有差异,于是自己跑到杨凌农科所购买了黄豆种子作为实验材料,学生的学习热情特别高涨,求知欲望更加强烈,学习效果更为显著。五是加强实验中的指导和结果分析。首先,必须使学生对实验的目的、步骤及所用仪器、工具、药品等有较透彻的了解之后才能动手,切忌盲目行事。其次,必须具体讲解观察方法、步骤及注意事项。再次,对某些技巧性较强的步骤,教师需精心指导,并让学生反复练习,比如在脲酶分离时的装柱。最后,对某些实验,教师可根据教学需要或本校的实验条件,适当改变实验方法或步骤进行指导,不必拘泥于教条式的教学。强调学生做好操作过程的纪录,注重对实验效果的分析,要求学生实事求是,不受主观臆断约束,不可抄袭书本或他人的实验结果。成功的实验结果易于分析,而失败的结果分析往往使学生感到困惑,找不出失败的原因所在。例如有些学生第一次装柱后发现有大量的气泡存在,花费了很多时间仍不能使气泡除净,以致影响实验的进程,通过查阅资料及多次尝试,找到了煮沸的诀窍。虽然因查找原因多用了时间,但却教会学生必须以科学态度认真对待每一步实验操作,并且要及时地发现和解决实验中的各种问题。六是实验课程论文的写作。改革了罗列实验数据、叙述实验过程的做法,要求学生以科研论文的形式撰写实验报告。报告内容增加了文献资料查阅、方案设计、实验结果分析和实验结论等内容。强调参与与互动,自评与他评相结合,实现考核评价主体的多元化。综合实验时间安排在每学期期末考试前进行,为期半个月。将考核内容分为3个部分:实验设计占30%,实验过程综合表现占30%,实验课程论文占40%。考核标准在实验开始前予以公布。强调考核成绩不是单纯以实验结果好坏评定,而且要看学生的实验的综合能力,包括对实验原理的理解程度、实验操作技术、实验结果及分析、综合能力等。打破了以教师为主的单一评价主体模式,逐步形成由教师、学生、实验技术人员,甚至包括专业研究人员共同参与的交互过程。将评价变成了主动参与、自我反思、自我教育、自我发展的过程,充分调动学生的学习积极性。

四、生物工程综合实验课程教学效果分析

第一,提高了学生的学习兴趣和创造性思维。通过综合实验课程的开设以及教学方法的改革,实验课堂气氛活跃,学生不再是机械地做实验,而是主动阅读教材,查阅资料,与同学和教师共同探讨实验过程和结果,大大激发了学生的求知欲望。每个同学提交的方案都显示了他们的努力和能力,表明他们是在查阅了大量文献的基础上,经过积极的思考后写成的。大大激发了他们探索问题的兴趣,提高了学习的自觉性。要求学生在设计实验方案时,必须强调实验的可行性,同时也强调实验室在开放实验中,实验器材、器具等实验用品不可能样样俱全,要求学生开动脑筋,积极思维,鼓励学生因地制宜自行设计和制作,解决实验中的具体问题。这样做,不仅可以节约开支,而且培养了学生的创造性以及解决实际问题的能力。第二,培养了学生的科研素质,综合实验使学生对科学研究工作有了初步的认识。无论是独立设计实验方案,还是在实验中遇到问题,除了教师的指导外,都需要同学们自己查阅文献资料,完善实验设计,解决遇到的问题。为此,他们不断地跑图书馆、资料室,掌握了多种文献检索的方法,也更加熟悉了相关的资料、刊物,培养和锻炼了他们的独立学习能力,拓宽了知识面,也使他们初步掌握了寻找课题、开展课题研究的基本方法。每次实验前,实验安排、实验步骤的欠缺和不清晰是造成同学们实验混乱、失败的主要原因之一。比如有些组在设计方案时用丙酮作为脲酶提取剂,可在实验过程中发现提取液非常粘稠以致于无法进行后续分离,不得不重复提取实验。实验完成后,同学们切实认识到了写好实验方案、合理安排实验、做好实验记录、熟悉各个实验环节的重要性,认识到只有做到心中有数,才能使实验顺利进行,获得科学的结论,尝到成功的滋味。在整个实验过程中,由于同学们是第一次按照这种模式学习实验课内容,一开始很兴奋,想得也很简单,在实际操作过程中,才发现这种学习方式是想着容易做着难。面对大量同一操作的重复,面对实验的失败,他们必须投入比过去多的多的时间和精力拓宽自己的知识面,解决实验中遇到的问题,除正常的课堂时间外,还需要利用业余时间完成实验。两周的实验做下来,同学们认识到进行科学研究需要缜密的思维、正确细致的实验操作,需要毅力、胆识,更需要吃苦耐劳和敢于面对失败和坚持到底的精神。科学实验的全程训练,提高了学生的实验操作技能。从查文献到确定实验对象,从实验原理到具体操作,从实验仪器到实验药品,从药品主要指标的测定到国家的有关标准,从实验数据的采集到实验数据的分析,最后形成实验报告。一系列的实验过程都是由学生在查阅文献的基础上自己设计和完成,没有统一的模式要求,给学生留下了广阔的发挥空间,富有挑战性和创新性。学生在独立准备、独立完成实验的过程中,操作技术普遍得到了良好的训练。实验中,尽管教师多次强调实验操作要正确、严谨,但同学们仍不够重视,直到他们从失败中接受了教训。在撰写实验报告的过程中,学生学会了分析实验数据、总结实验过程、探讨实验中遇到的各种现象和问题;同时也学会了用计算机处理实验小论文的内容。学生的学习方法“由死变活,由被动变为主动”,他们不仅加深了书本知识的理解和认识,还熟悉了科研的基本方法和思路。第三,培养了学生的良好学风,提高了他们的道德素质。由于常常会有几个课题小组同时在实验室做实验,实验室的卫生和秩序就显得更加重要。整个实验进行过程中,同学们逐步认识到了这一点,从开始的手忙脚乱、杂乱无章到有条不紊、秩序井然,并相互为对方创造有利的条件和环境。提高了他们的公共意识,这为他们今后的学习和工作奠定了良好的基础。总的来说,综合实验充分给予了学生思考、选择、自学、尝试和失败的权利,约束力大大减小,特别是思维约束的打破,使他们勇于思考、勇于创新,活跃了思维,开阔了思路,体会了乐趣。

五、综合实验课程的体会

一要加强实验室管理,确保综合实验课程顺利实施。在综合实验过程中,学生对药品、器具、仪器的使用量大,并且具有一定的随机性。为了确保实验合理、有序地进行,应采取相应管理措施。在今后的工作中,还要对综合实验的模式进行深入摸索,进一步拓展学生选题的广度和深度,同时逐步改进实验室的现有条件,逐步实现生物工程实验室全面而有序的开放。二是综合实验课对教师提出了更高的要求。学生的个性、素质、思维方式不同,在预习学习、讲述和实验中提出的见解和问题也不同,这就要求教师对实验操作、专业知识等有扎实的基础和实践经验,还要对本专业及相关学科的研究动态和新成果有所了解,才能更好地指导学生。指导综合实验的教师不但知识面要宽,而且要有实践经验。要善于引导学生仔细观察实验过程细节,在刻意或自然的过程中使学生养成严谨求实的工作作风和善于学习的习惯。教师要组织好小组内各个实验方案设计的答辩会、小组间交流会,可以此作为学生中的学术活动。特别是综合实验后的小结,让学生总结哪些是成功的做法,哪些是失败的做法,失败的原因,需要改进的地方,促进教学相长,不断改进和完善教学过程。

作者:张雅利孔宇亓树艳莫晓燕单位:西安交通大学生命科学与技术学院

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