張旦旦，李 會，史勁松

(江南大學 藥學院 制藥工程實踐教育中心, 無錫 214122)

設計性實驗開設原則及規(guī)范化教學過程探索

張旦旦，李 會，史勁松

(江南大學 藥學院 制藥工程實踐教育中心, 無錫 214122)

設計性實驗作為實驗教學的高級形式，在整個高等教育中具有重要地位。設計性實驗教學過程應遵循實驗命題必須基于已有的知識體系、實驗過程以學生為主體以教師為督導、考核須“過程”與“結果”并重3個基本原則；規(guī)范化教學過程包括設計性實驗選題與任務下達、資料查閱與實驗方案擬訂、調整優(yōu)化實驗方案、設計性實驗的操作過程、實驗報告撰寫5個方面。以一堂生物制藥工藝學設計性實驗為實踐案例，探討設計性實驗的開設原則和規(guī)范化教學過程。

設計性實驗；開設原則；規(guī)范化過程；案例分析

實驗教學作為高等學校教學工作的重要組成部分，是培養(yǎng)合格人才的基本環(huán)節(jié)，在學生能力培養(yǎng)和綜合素質提高方面有其獨特的作用[1]，尤其是工科類專業(yè)，面向的就業(yè)方向多為生產型企業(yè)，通過實驗教學，可以培養(yǎng)學生的動手能力，為更好地適應日后的工作環(huán)境做好準備。設計性實驗是指結合或獨立于課程教學而進行的一種由學生自主完成的探索性實驗[2]，其特點在于實驗內容的探研性與學生學習的主動性，其目的在于培養(yǎng)學生的系統(tǒng)性科學思維和開拓創(chuàng)新意識，激發(fā)學生的參與性和創(chuàng)造性，提高學生分析問題和解決問題的能力[3]。

作者基于長期的教學實踐經驗，以一堂生物制藥工藝學設計性實驗為實踐案例，探討了設計性實驗教學的開設原則以及規(guī)范化教學過程。

1 設計性實驗的開設原則

1.1 實驗命題必須基于已有的知識體系

設計性實驗的實施過程是學生利用所學理論指導實踐的過程，因此在選擇設計性實驗項目時必須充分考慮學生已有的知識體系，項目內容以及所涉及的實驗技術應難易適中，過易則知識面太窄或難度太低，難以達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的目的；過難則學生無從下手，無法在規(guī)定時間內獨立完成或完成度較差[4]。簡而言之，選擇實驗項目時應基于學生已有的知識體系，但絕不是照搬已做過的實驗方法，而是對所學知識的有機整合、靈活運用，即實驗課題應有一定的綜合性。

1.2 實驗過程以學生為主體、以教師為督導

設計性實驗是學生根據給定的實驗任務和實驗條件，搜集相關資料、自行設計實驗方案，并自己動手準備實驗、實施實驗方案、處理實驗數據、總結實驗結果，最終獨立完成實驗報告或研究論文的過程。因此，學生是整個設計性實驗的實施主體，而教師則發(fā)揮監(jiān)督和引導的作用。

鑒于學生個體差異，盡管所受的前期教育相同，但專業(yè)技術水平和動手能力仍然參差不齊，且多數學生思想活躍，在缺少約束的設計性實驗教學過程中，容易出現課堂紀律渙散、實驗操作不規(guī)范、儀器設備錯誤使用等意想不到的狀況，這就需要實驗指導教師善于引導、加強監(jiān)督。1)實驗教師要具備扎實的業(yè)務能力，大到專業(yè)知識，小到各個儀器設備的使用維護，才能在資料查閱、方案審查修訂、結果分析討論等整個實驗流程中全面的指導學生完成實驗任務，并取得良好的教學效果；2)實驗教師要有較好的師德素養(yǎng)和教學相長的思想，在教學過程中要根據每個學生的具體情況，區(qū)別對待，耐心指導，鼓勵并引導學生主動思考、大膽創(chuàng)新[5]；3)實驗教師要具備“眼觀六路耳聽八方”的能力，隨時關注學生的實驗進程，對于操作過程中出現的問題及時糾正；發(fā)揮組織管理能力，保證課堂紀律和實驗安全，謹防學生的自主學習變成自由學習。

1.3 考核須“過程”與“結果”并重

在設計性實驗教學過程中，對學生進行綜合考核以確保實驗教學的質量，考核的內容應包括設計方案的可行性、實驗操作的規(guī)范性、數據處理的全面性、實驗報告的完整性以及良好的實驗習慣等幾個方面[6]?；谠O計性實驗的主要目的是鍛煉學生的思維能力和解決問題的能力，考核重點應放在實驗操作的規(guī)范性、對實驗過程中遇到問題的處理方式或突發(fā)事件的應變能力、對實驗結果特別是失敗結果的分析討論、溯源失敗原因并提出可行的改進方案等方面?？傊?，指導教師須在學生實驗過程中認真觀察，根據每一個學生的表現給出合理的成績，這不僅是對學生的考核，更是對教師專業(yè)素養(yǎng)的考驗。

2 設計性實驗的規(guī)范化教學過程和案例分析

設計性實驗要求學生具有一定的基礎知識、實驗技能以及數據處理能力，對所需實驗設備的功能、適用范圍、操作方法等有一定程度的掌握，因此，應在相關理論學習與驗證性實驗教學的基礎上開展設計性實驗。作者經過幾年的實踐改革，整理了設計性實驗教學的規(guī)范化流程，并以一堂生物制藥工藝學設計性實驗為實踐案例進行深入探討。

2.1 設計性實驗選題與任務下達

設計性實驗的命題應遵循“基于已有知識體系”的原則，同時為調動學生的探索欲和積極性，命題應具有啟發(fā)性、趣味性和實用性。指導教師可直接下達實驗項目，亦可下達總體研究方向，由學生自由選擇具體的實驗項目；對于已分專業(yè)的高年級學生或研究生教學，設計題目應在考慮前期驗證性實驗中相關知識和技能應用的同時，結合專業(yè)方向，以利于鞏固所學知識，做到活學活用。

確定選題后，指導老師應立即向學生下達實驗任務書，以生物制藥工藝學實驗中的一堂“重組干擾素α2b的分離純化”實驗課為例，主要內容如下：

實驗題目：大腸桿菌源重組干擾素α2b的分離純化

課程基礎：該課程應在學習蛋白質分離純化相關理論知識的前提下開展，要求學生對微生物相關知識，尤其是重組蛋白的表達有一定的了解，并已完成生物化學相關驗證性實驗課程。

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

目的意義：掌握重組蛋白質提取和分離純化的一般流程，強化鞏固蛋白質純化相關知識與實驗操作。

實驗條件：充足的化學試劑、玻璃器皿、蛋白電泳系統(tǒng)、AKTA蛋白純化系統(tǒng)、以及實驗所需其他設備。

任務要求：根據背景資料查閱相關文獻，以發(fā)酵所得重組大腸桿菌為原料，設計一條工藝路線，提取重組干擾素α2b，并對其進行純化精制。

預期達到主要技術指標：得到電泳純的重組蛋白，總回收率在10%以上。

2.2 查閱資料、擬訂實驗方案

該階段屬于學生自主學習階段，學生根據實驗課題，明確關鍵知識點并進行資料查閱，期間要加強培養(yǎng)學生的文獻調研能力、自主學習以及相互學習的能力、團隊協(xié)作精神等。如學生為首次開展設計性實驗，為避免學生在資料查閱上的手足無措，教師可教授文獻查閱的方法，幫助設定文獻查閱關鍵詞等。資料查閱主要途徑有：1)學校圖書館館藏紙質資料；2)網絡搜索引擎；3)利用關鍵詞在各類數據庫查閱最新文獻資料；4)利用專業(yè)論壇進行交流咨詢[7]。本實驗課題文獻調研的方向有：大腸桿菌表達載體pET28a所表達的重組蛋白的性質；蛋白質純化從粗提到精制的一般流程；常用的細胞破碎的方法；常用的蛋白質分離純化的方法；蛋白質檢測方法等。關鍵詞包括干擾素，重組蛋白，純化等。

學生在深入理解課題并廣泛收集資料的基礎上，按照實驗任務要求，結合實驗室現有條件，構思一種或多種可能的設計方案，該方案應解答如下4個問題：該實驗課題的總體思路是什么？實現該思路需要哪些單元實驗支撐？如何完成各單元實驗(包括實驗原理與具體的實驗方法)？完成各單元實驗需要配套哪些硬件設備？即要將重組蛋白純化的總工藝路線，每一步實驗的原理、詳細的實驗步驟及所需實驗設備一一列出。這時擬定的僅僅是實驗方案的初稿。

2.3 調整優(yōu)化實驗方案

學生初步擬定的實驗方案通常會存在一些違背實驗原理或是實驗安全的問題，導致方案的可行性較差，這就需要教師發(fā)揮督導的作用，對方案進行全方位的審閱指導。以兩次審閱為例。

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

第二次審閱在第一次實驗方案經過修改、充實后。我們認為沒有完美的實驗方案，實驗過程中的某些彎路正是學生自我學習和探索的必經階段，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行糾正之外，不再建議指導教師對學生實驗方案提出修改意見。

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

2.4 設計性實驗的操作過程

實驗操作過程是學生利用現有的實驗條件、實施實驗方案的過程。操作過程中學生會遇到許多問題，如某步實驗不能順利進行，所得結果與預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，而是引用相關文獻或已有知識，引導和鼓勵學生深入分析問題，大膽思考、勇于嘗試，自行找出解決問題的辦法。

針對本實驗方案要求，學生須對每一步樣品進行檢測以評價純化效果，必要時根據結果優(yōu)化調整后續(xù)實驗方案。操作過程中，教師應加強對學生實驗操作技能的指導，尤其是蛋白電泳過程中部分試劑有神經毒性，教師須關注學生操作的規(guī)范性。不管實驗結果如何，學生必須堅持嚴謹的實驗態(tài)度，實事求是地記錄所有數據。

2.5 實驗報告撰寫

實驗報告是設計性實驗的總結思考，報告形式可按一篇常規(guī)科研論文的格式撰寫，內容包括：引言(實驗背景，查閱的實驗資料總結等)、材料與方法、結果(所有實驗數據，包括失敗的實驗數據)、討論(對實驗結果的分析，個別實驗失敗的原因，以及改進的方法探討等)。設計性實驗與驗證性實驗最大的區(qū)別在于結果的不確定性，即實驗可能失敗，因此，最后的結果討論是整個實驗報告的重點，教師可輔助學生對結果進行分析，對于失敗或者有偏差的結果，做成因分析并探討改進的方法。學生通過一次設計性實驗發(fā)現問題、找到解決問題的辦法也不失為一個成功的實驗教學案例。如果學生有意在失敗的基礎上重新設計實驗方案、完成實驗項目，可開始新一輪的設計實驗流程。

3 結語

大學改革的一項重要內容就是教學理念的改革，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020 年)》[9]指出：“要以學生為主體，以教師為主導，充分發(fā)揮學生的主動性，把促進學生健康成長作為學校一切工作的出發(fā)點和落腳點?！薄耙詫W生為主體”的教育理念如今已經成為現代大學教育思想的主流[10]。設計性實驗作為實驗教學的高級形式，既充分體現了“以學生為主體”的教學理念，又訓練了學生的科研素質，是學生科研能力成型的重要考核指標。近年來，設計性實驗教學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)具有較好的科學素)養(yǎng)及研究基本功的生物技術專業(yè)人才為目的，我們在生物制藥工藝學實驗課程中開設部分設計性實驗教學內容，提高了教學質量，取得了較好的教學效果，真正做到了在教學實踐中進行改革與創(chuàng)新，在改革與創(chuàng)新中不斷進步[12]。

[1]張小林, 周美華, 李茂康. 綜合性、設計性實驗教學改革探索與實踐[J]. 實驗技術與管理, 2007, 24(7):94-96.

[2]梁喜龍, 方淑梅, 左豫虎, 等. 關于高等學校綜合性、設計性實驗教學的思考[J]. 高等理科教育, 2007(5):125-127.

[3]王忠印. 高校實驗室開展設計性實驗探析[J] .通化師范學院學報, 2006, 27 (2): 136-137.

[4]盧 瓊, 陳薈婷, 尹 立, 等. 開放式設計性實驗教學對醫(yī)學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)[J]. 當代醫(yī)學, 2010, 16(10):160-162.

[5]陳懷俠, 蔡火操, 黃建林, 等. 設計性實驗教學的實踐與思考[J]. 實驗技術與管理, 2006, 23(11):105-107.

[6]王海燕. 藥學實驗教學中合理開設綜合性設計性實驗探討[J]. 實驗室科學, 2013, 16(3):158-161.

[7]龔勁松, 李 恒, 李 會, 等. 面向制藥工程專業(yè)的本科生微生物學教學改革實踐與應用[J]. 生物學雜志, 2015, 23(3):100-103.

[8] 宋衛(wèi)星. 設計性實驗教學過程規(guī)范化的思考與探索[J]. 實驗技術與管理, 2009, 26(7):125-130.

[9]劉獻君. 論“以學生為中心”[J]. 高等教育研究, 2012(8):1-6.

[10]伍冠一, 趙鐵建, 韋燕飛, 等. “以學生為中心”生理學設計性實驗教學模式實踐與探索[J]. 教育現代化, 2017, 16(1):38-48.

[11]朱鐵群, 成慶利. 微生物學設計性實驗教學個案分析[J]. 微生物學通報, 2007, 34(5):1011-1013.

[12]謝 苗, 甘純璣. 生物化學設計性實驗教學規(guī)劃與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(5):119-122.

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)建設工程資助項目(PPZY2015B146);江南大學教改項目(JG2015032, JG2015120)

張旦旦，實驗師，研究方向為微生物與生物制藥， E-mail: zhandd2006@126.com

史勁松，教授，研究方向為微生物與生物制藥， E-mail: shijs@163.com

10.3969/j.issn.2095-1736.2017.06.120

G642.423

C

2095-1736(2017)06-0120-03