汪 波， 李文芬， 顏亨梅

(北京師范大學珠海分校 工程技術學院， 珠海 519085)

作為理論教學配套的教學方式，實驗教學注重的是學生親自體驗和觀察，是培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新思維的主要環(huán)節(jié)[1]。目前，教學實驗的種類主要包括基礎驗證性實驗和綜合設計、探究性實驗[2]。相比較而言，由于設計、探究性實驗在培養(yǎng)學生綜合素質、提高科研創(chuàng)新能力方面的獨特優(yōu)勢[3]，在教學內容的設置上，各高校正逐漸加大其比例，為培養(yǎng)應用型、創(chuàng)新型人才打基礎[4]。

我院生物技術專業(yè)作為省級戰(zhàn)略新興產業(yè)特色專業(yè)建設對象，尤為重視培養(yǎng)學生發(fā)現問題、解決問題的能力，對實驗教學內容、教學方法、考核方式進行多方面改革嘗試，通過對大三學生開設生物技術綜合技能訓練實驗課程，在其前期掌握的知識與技能上，進行研究性實驗的設計、開展與總結，培養(yǎng)學生獨立思考的能力?；诖四康?，實驗內容的選擇與設置成為關鍵。教師是教學改革的主體[5]，通過帶動學生參與科研項目，既可以讓學生了解學科發(fā)展前沿[6]，也可以幫助教師完成實驗項目內容。因此，我們對此進行了探索和嘗試，并將完成過程記錄如下。

1 實驗項目的選擇和設置

生物技術綜合技能訓練實驗課程安排在大三第二學期，學生已經完成動物生物學、生物化學、分子生物學、生物統(tǒng)計學等課程的理論學習，初步掌握了相關實驗技能。如何通過該課程的訓練，促使學生掌握基本的實驗設計、項目執(zhí)行與開展、數據總結等科研技能，解決實際問題[7]，是實驗項目設置需要考慮的首要原則。

主持的國家自然科學基金項目“基于分子生物技術的蜘蛛攝食生態(tài)學分析及控蟲效能評價”主要通過定性、定量研究蜘蛛捕食獵物的種類和消化速率。定性研究方面，利用形態(tài)學觀察和DNA條形碼技術研究蜘蛛消化道內獵物的種類；定量研究方面，利用常規(guī)PCR技術和實時熒光定量PCR技術分析蜘蛛捕食不同數量獵物后的消化速率，詳細實驗內容如下。

1)定性實驗：DNA條形碼與物種鑒定。

室內觀察擬環(huán)紋豹蛛捕食昆蟲的種類，分為果蠅組、蚜蟲組、稻飛虱組等，將捕食獵物后的擬環(huán)紋豹蛛處死，在顯微鏡下解剖取消化道備用，提取DNA，鑒定DNA質量，設計CO-Ⅰ基因引物，設置退火溫度、時間梯度，鎂離子濃度梯度等，PCR擴增，凝膠電泳檢測基因擴增情況，回收、測序，BLAST，分析擬環(huán)紋豹蛛消化道內獵物種類。具體實驗內容和要求見表1。

2)定量實驗：qPCR技術測定蜘蛛捕食獵物后消化速率。

通過設置進食不同數量獵物的蜘蛛組、消化獵物不同時間的蜘蛛組、不同溫度下消化的蜘蛛組，要求學生前期查閱文獻和預實驗，設置單因子梯度，進行普通PCR實驗，利用Gel-Proanalyzer軟件對比marker和擴增產物條帶亮度，估算基因含量，繪制蜘蛛體內獵物DNA含量和捕食獵物數量、消化時間的關系曲線，選擇條件合適的實驗組進行實時熒光定量PCR，具體實驗內容和要求見表2。

表1 DNA條形碼技術鑒定捕食獵物種類實驗安排

表2 PCR測定蜘蛛捕食獵物后消化速率實驗安排

2 實驗項目的實施過程

第1周進行實驗分組(按照狼蛛捕食獵物種類分為果蠅組、蚜蟲組、葉蟬組、稻飛虱組等，每組5～6人)和教學計劃的講解，要求學生掌握整個學期的大體實驗思路與實驗流程，安排學生查閱DNA條形碼原理和技術、食性分析方法、實時熒光定量PCR原理和技術等方面的文獻，并做出讀書筆記。

實驗項目按照先易后難的原則進行安排，第2至第9周先進行定性分析實驗，要求學生熟練掌握動物顯微解剖、DNA提取、引物設計和評價、PCR擴增、BLAST等理論知識和實驗技術，確認能利用DNA條形碼技術分辨蜘蛛體內液態(tài)獵物后再進行定量分析實驗。

同樣，第11至第13周引導學生進行實驗梯度設計，利用常規(guī)PCR和電泳凝膠定量法分析蜘蛛消化獵物的速率，通過半定量技術鑒定體內獵物DNA模板量差異顯著的蜘蛛組作為后續(xù)實驗樣品，要求學生查閱文獻，掌握實時熒光定量PCR技術原理，第14至第16周再進行實時熒光定量PCR擴增，保證實驗的可行性。

由于課堂教學時間的限制，部分耗時較長的、操作簡便的教學內容，被安排在課外執(zhí)行，作為省級實驗教學示范中心，我院一直實行開放實驗室制度，這有力地保障了實驗教學進度的正常進行。具體實驗教學計劃見表3。

表3 實驗教學計劃Table 3 Experimental teaching plan

3 實驗教學過程中的質量控制

實驗考核方案的合理性嚴重制約教學質量[8]，為了更好地培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和科研技能，采取了注重實驗參與過程和實驗總結的多元化考核方式，主要從以下幾個方面對學生進行綜合評價。

3.1 學生學習主動性考察

蜘蛛捕食獵物種類、蜘蛛可捕食獵物最大數量、蜘蛛消化獵物所需最長時間，PCR擴增條件設置等實驗方案均需學生自行設計，在正式實驗開始前，要求學生課外先完成預實驗，以保證實驗梯度設計的合理性。實驗報告能有效記錄學生完成實驗的全過程，要求學生課前完成實驗設計、課中培訓實驗技能、課后分析實驗數據，重點是對實驗過程中遇到的問題、以及解決方法進行梳理，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。例如學生在進行DNA條形碼鑒定蜘蛛體內獵物種類實驗時，之前接觸的常規(guī)PCR擴增普遍是驗證性實驗，引物設計、PCR擴增條件設定都是按照實驗步驟進行，按部就班的實驗未能使學生完全理解各項實驗條件設置的內涵[9]，對引物設計原則理解也不透徹，導致電泳檢測擴增產物時發(fā)現多次出現100 bp的非目標條帶，查閱文獻后猜測其為引物二聚體，于是通過重新設計引物、提高退火溫度，降低Mg溶度，降低非特異擴增概率，最終成功解決問題。

3.2 實驗技能和科研素質的考察

實驗教學基本教學目的是培養(yǎng)學生掌握相關的實驗技能，更深一步的是培養(yǎng)學生具備觀察問題、分析問題、解決問題的科學素養(yǎng)，其中最關鍵的是促使學生養(yǎng)成實事求是的科研態(tài)度，基于此目的，學生必須記錄原始數據、圖片等，并于實驗結束后立刻提交，類似于凝膠成像系統(tǒng)、實施熒光定量PCR儀等設備中記錄的內容要求以“小組+日期+記錄人”命名，保留原始數據備案，一來有利于學生在實驗受阻后分析問題根源，二來方便教師檢查學生實驗進展。

3.3 團隊協(xié)作能力的考察

實驗項目都是綜合設計性實驗，任務量大，部分實驗內容還需要課外完成，因此實驗內容主要以小組形式完成，這就要求團隊成員之間通力合作，通過組員之間互相監(jiān)督、評價，提高學生參與度；同時PPT匯報時候，小組匯報人由指導教師隨機抽取或者組員自己抽簽確定，避免個別不主動學生影響全組學習積極性[10]，能夠較好地保證每個學生對實驗方案設計、實驗內容執(zhí)行、實驗數據總結全過程的掌握。

表4 考核方案

4 實驗教學改革執(zhí)行后的教學效果評價

4.1 培養(yǎng)學生掌握基本的實驗技能

生物技術綜合技能訓練實驗課程充當著完成生物技術專業(yè)大實驗的功能，將前期所學的基礎驗證性實驗串聯(lián)成完整的實驗體系[11]，幫助學生鞏固掌握基本的實驗技能，如動物顯微解剖技術、DNA提取和檢測、BLAST、實時熒光定量PCR技術等，在此基礎上，培養(yǎng)學生具備完整實驗設計的能力，從整體教學過程來看，基本達到了教學目的。例如定性檢測實驗過程中，學生沒有意識到對照實驗的重要性，擴增CO-Ⅰ基因后，無法分析測序結果，分析實驗過程發(fā)現只考慮不加模板情況，未設置陰性對照組，導致假陽性結果(擴增產物為獵物CO-Ⅰ基因和蜘蛛CO-Ⅰ基因混合物)的出現， 最終通過提高引物特異性解決問題。

4.2 提高學生科研素質和創(chuàng)新思維

實驗教學不單要完成教學目的和要求，鍛煉學生掌握基本的實驗技能，更重要的是培養(yǎng)學生主動分析問題和解決問題的科研素質，激發(fā)學生創(chuàng)新思維。通過實驗項目的訓練，絕大部分學生基本能夠掌握文獻檢索、資料收集、資料分類和篩選能力；根據實驗目的進行初步實驗設計；自行合理安排課內、外時間完成實驗；對實驗數據進行統(tǒng)計、分析；實驗受阻時候能夠主動分析問題，查閱資料，提出解決方案；項目式的實驗內容要求學生合作完成，鍛煉了學生的協(xié)作能力[12]，更重要的是，提前引導學生進行科研訓練，在一定程度上有助于改善學院教學與科研脫節(jié)的狀況，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維[13]。例如：半定量的實驗方法就是學生在DNA電泳檢測時候，觀察到Marker條帶的亮度和提取的DNA樣品亮度不同，Marker濃度是固定的，因此聯(lián)想到條帶灰度不同是否代表DNA濃度不同，查閱文獻和資料，發(fā)現確實有軟件可以根據光密度進行線性分析，估算樣品的上樣量。

近年來，教學團隊指導的學生科研成果提升明顯，共獲大學生創(chuàng)新訓練項目國家級1項、省級4項，省科技攀登計劃資金項目2項，學生發(fā)表論文5篇，較大程度上激發(fā)了學生參與科研的興趣。

4.3 改善了教師的教學和科研水平

將教師科研項目與實驗教學相結合，引入學科發(fā)展前沿動態(tài)，不僅提高了學生的參與度，而且促使學生融會貫通所學知識，提升了教學效果[14]，課程教學質量評價結果顯示，學生評教為優(yōu)秀，但同時，也對教師提出了更高的要求，教師需要根據專業(yè)培養(yǎng)計劃的要求，對實驗內容進行適當調整，增加學科前沿知識與技術比例，激發(fā)學生興趣，以項目制教學方式改善教師教學水平；另一方面，也督促教師關注學科發(fā)展動態(tài)，提升教師科研水平。

5 教學改革方案推廣的可行性建議

實踐證明，通過將教師科研項目引入實驗教學內容，達到了較好的“教學相長”的教學效果，既有助于提高學生綜合素質和科學素養(yǎng)，也加強了教師的教學科研水平。從整體流程中可以看出，教學改革方案的關鍵在于實驗項目的選取和設計，既要滿足學科經典知識點和實驗技能的掌握，同時也要引導學生追蹤學科前沿[15]，這也是教師科研項目研究的出發(fā)點，因此如何把握這兩者之間的過渡與銜接關系到教學改革的成敗，這個就需要教師與學生之間具有良好的溝通，及時根據實驗過程中的反饋進行及時調整與更新，以保障實驗教學的順利進行。