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1實驗教學體系的優化

原有實驗課程結構中,授課教師依據各自的經驗和對理論課程重點內容的理解自行設置實驗課內容。由于授課教師間缺乏應有的溝通,并出于對傳統基礎實驗的重視,造成了專業基礎實驗課重復性內容較多,不能喚起學生的興趣,浪費了教學資源。在專業實驗課的設置上,授課老師在有限學時內將實驗分解成幾個部分來強化理論知識,造成課程設置前后不銜接、不連貫,導致了學生知識面過窄,不能綜合運用所學解決實際問題。為了改變生物工程專業不合理的實驗課程體系,考慮到專業的辦學特色和實際實驗條件,統一調整了實驗課程結構,將重復的實驗內容保留在一門課程中,其它課程則增加一些實用性、創新性實驗,并在專業實驗課階段,以綜合性大實驗的要求來建設每門課程,使每門實驗課都有一個完整的體系,有針對性地培養學生的不同素質,使每門課程在有限的學時內都有不同的內容、不同的重點,同時使整個實驗課程結構具有前后聯系、逐漸加深、互相支撐的特點,有利于調動學生的實驗熱情,并使其掌握更多的實驗方法。

專業基礎實驗課的目的是訓練和規范學生的基本實驗技能和操作方法,對所觀察的現象做出合理的分析,并通過獲得的實驗數據撰寫合格的實驗報告。在調整實驗課程結構時,刪除了部分重復實驗,增開了一些實用實驗。同時,在實驗條件滿足的前提下,去除了一些驗證性實驗,增加了一些學科前沿性實驗。例如在原有課程結構中,普通生物學、微生物學、細胞生物學中都開設了“顯微鏡的結構和使用”這一實驗,在依據理論課程結構對實驗課程進行調整后,這一實驗只保留在細胞生物學中,其他兩門課則分別改設了“血涂片的制作和血型鑒定”和“啤酒或其他樣品中微生物的分離和純化”,改設的兩個實驗將理論知識應用到解決具體實際問題上來,調動了學生的主觀能動性,使學生掌握了相應實驗技能,并使學生對于理論知識的理解更加深刻。再如免疫學實驗,在原有課時不變的基礎上增開了“免疫印跡實驗”,使學生掌握了蛋白質垂直板電泳、電轉移的原理和方法,學會用Bradford法測定蛋白質濃度并能夠根據蛋白質免疫印跡結果對蛋白質進行定性分析,通過這一實驗使學生掌握了相關實驗技術,引起了學生的科研興趣,取得了良好的教學效果。

專業實驗課的目的是通過交叉學科知識運用、自主文獻檢索和實驗設計培養學生的創新意識和實踐能力,因此在這一類實驗的設計中加入了許多設計性、綜合性、工程性知識的應用。同時,將“課題制”引入專業實驗課,實驗以課題的形式布置給學生,由學生自主完成實驗,開拓了學生的眼界,熟悉了科研的一般過程。實驗分為三個階段:第一階段為準備階段,在這一階段教師給出題目,學生自主查文獻、設計實驗方案,定期向老師匯報進度,培養學生的實驗設計和創新能力;第二階段為操作階段,在這一階段學生進行具體實驗操作,由于實驗連續性較強,實驗技能要求較高,鍛煉學生的實驗操作技能;第三階段為總結階段,在這一階段教師對學生的實驗進行評述,同時對實驗成績進行評定,實驗成績的80%取決于學生在實驗中所表現出的查閱文獻能力、實驗設計能力、實驗技能、實驗報告撰寫能力四方面,20%取決于實驗結果,新的考評機制打破了以往通過出勤率及實驗現象評分的機制,有效地促進學生獨立思考能力,提高學生的綜合實驗素質。以基因工程課為例,實驗設計依托教師的科研課題,國家自然科學基金項目“基于人參發根的人參皂苷生物合成機理研究”設計實驗,以目前的研究熱點人參皂苷合成途徑中的關鍵酶達瑪烯二醇合成酶(DS)為研究對象,通過DS在釀酒酵母中的異源表達來研究DS在人參皂苷合成途徑中的應用,整個實驗內容涵蓋了分子生物學、免疫學、微生物學、基因工程、生物分離工程等多門課程內容,培養了學生的創新意識和科研思維,提高了學生綜合運用所學知識解決實驗中遇到的實際問題的能力。再以生化工程為例,以發酵法制備酒精為內容設計實驗,通過固定化酵母進行酒精發酵及對發酵性能進行測定,使學生掌握細胞固定化的多種方法和發酵法生產酒精的流程,整個實驗內容涵蓋了微生物學、發酵工藝原理、生物工程設備、生物分離工程等多門課程內容,培養了學生的工程應用能力,為將來的工作和學習打下了良好的基礎。值得一提的是,學生在正式實驗之前進入實驗室,在實驗室老師的指導下自行準備實驗所需的藥品和儀器,這樣就有效的使學生熟悉了儀器并規范了其實驗操作,為下一階段的學習打下了良好的基礎。

2生產實習和畢業論文改革

實習和畢業論文(設計)是生物工程本科實踐教學中非常重要的環節,是將所學的理論知識、專業知識與實際應用相結合的實踐過程。生產實習是通過學生在工廠內的學習和實踐,使其接觸工業化生產,了解實際生產的過程。由于工廠方面對安全和生產有要求,學生在生物工廠實習期間,很難切身參與到實際生產過程中,實習效果不理想。畢業論文(設計)是本科教學過程中最后一個重要的教學環節,是培養學生的工程實踐能力,提高學生的創新能力和解決實際問題能力的重要一步。由于師資力量不足、選題脫離實際等原因,畢業論文(設計)存在諸多問題。為了培養創新型及工程型的生物工程人才,改進了原有實習和畢業論文(設計)環節,將企業的生產工藝在學校實驗室規模下加以實現,同時聘請企業高水平技術人員指導本科生的工藝實習和畢業論文,并將解決的企業問題作為學生的畢業論文選題,調動了學生的學習積極性,取得了較好的教學效果,具體措施體現在以下三方面:

(1)工廠認識實習與實驗室操作相結合。實習前,指導教師會對總體內容進行介紹,同時布置關鍵問題,引導學生查閱文獻資料并設計總體試驗方案,然后組織學生去相關生物工廠認識實習,通過工廠相關技術人員的介紹及實地考察學習,學生與自己設計的實驗方案相印證,從而加深對某一生物產品的生產設備、工藝路線的認識。同時我們依據學生理論課所學習的基礎知識和生物工程的發展趨勢選取了三項實驗內容,能夠在學校實驗室條件下,實現小規模制備,有利于學生充分理解某一生物制品的生產工藝原理并掌握相關工藝路線,這三個實驗分別是:以淀粉為原料,發酵制備酒精,使學生熟悉整個生產工藝,理解和掌握發酵法生產酒精的工藝原理和關鍵技術;利用白腐真菌發酵制備降解木質素粗酶等,使學生了解生物質資源的利用狀況及發展趨勢;通過實驗室規模的生物反應器培養人參發根來提取人參皂苷,并對其含量進行測定,使學生了解發根培養的原理及優勢。通過這些精心選擇的實驗內容,使學生實際操作與企業參觀相結合,培養了學生積極思考的習慣,鍛煉了學生操作技能,達到工程訓練的目的,實習效果明顯提高。

(2)與企業合作實現雙贏。組織教師到工廠調研,并聘請相關企業高水平技術人員給教師授課,使教師充分認識某一生物產品的生產設備、工藝路線、工廠設計等,積極鼓勵教師承擔企業橫向項目或與企業聯合承擔科研項目,解決企業生產中存在的實際問題或研發新工藝。教師通過這類項目,真正參與到企業的生產中,熟悉了企業的生產工藝,提高了科研應用能力,便于指導學生的實踐與畢業設計。同時,教師將科研項目中的一部分作為學生的畢業論文選題,由于學生有過生產實習的經歷,這種以企業生產實際為背景開展的畢業論文較易喚起學生的科研興趣,提高了學生綜合運用所學知識解決生產中存在的實際問題能力,為今后的學習及工作打下了堅實的基礎。例如我系教師與大成集團合作進行的“玉米淀粉酶法浸泡生產工藝”的項目,在玉米淀粉生產工藝中,采用酶來處理玉米,減少了一氧化硫用量及浸泡時間,降低了環境污染,提高了生產效率,取得了較好的研究結果。其所帶本科生的畢業論文為“一株產中性蛋白酶菌種的篩選”,引導學生在解決實際問題的同時,熟悉淀粉生產的工藝。再如我系教師承擔的項目“大腸桿菌木糖好氧發酵生產琥珀酸的研究”,其所帶本科生的畢業論文為“琥珀酸代謝網絡的改造”,使學生更好地理解琥珀酸生產工藝的同時,大膽進行科研創新,改造原有工藝,培養了學生的創新能力及工程意識,取得了較好的教學效果。

(3)聘請企業高水平技術人員作為副導師指導本科生的工藝實習和畢業論文。這些技術人員對其工作領域的工藝路線和設備較為熟悉,因此其指導內容針對性較強,更加注重生產中的實際問題,有效地解決了科研與生產相結合的實際問題,提升了實驗教學效果;同時,這一措施也解決了我們的師資力量不足和學生缺乏工程意識的問題。經過近幾年不斷對教學方案進行改革和實踐,學生的工程應用能力有了顯著提高,能夠針對工廠存在的實際問題通過查閱文獻提出解決方案,同時通過畢業設計也能對一些工藝路線和設備結構提出設計方案,有效地培養了學生分析問題和解決問題的能力,為學生就業提供了更好的保障。

3課外實驗構建

為了更好地拓寬學生的知識領域、延伸專業技能、掌握科學研究的方法和手段,將“大學生創新性實驗計劃”作為延伸課內實驗的平臺,“開放實驗室”為這個平臺的有益補充。每一次申報“創新性實驗計劃”前,相關任課教師經討論研究后都會從承擔的科研項目中提出與課程實驗相關的研究項目供學生選擇,學生可以根據興趣自組科研團隊申請加入項目研究,經導師同意后,在導師的指導下自行文獻檢索、實驗設計、向學校申請“大學生創新性實驗計劃”立項。由于實驗項目建立在課程實驗的基礎之上,學生較易接受,因此項目申報率2012年達到70%,同時,實驗項目建立在科研項目的基礎之上,立項也較為容易,項目申報成功率2012年達到56.7%,項目的水平也不斷提高,2012年國家級、校一級項目數占總項目數的60%以上,這也從另一個側面說明學生的創新意識和綜合素質在不斷提高。立項失敗的科研小組由指導教師提供一定實驗經費,實驗室提供常規的藥品和耗材,在“開放實驗室”進行相應的實驗。鼓勵學生將選題與畢業論文相聯系,提高了學生參與課外實驗的熱情。例如“人參三萜苷元生物合成關鍵酶P450的分離與鑒定”、“人成纖維細胞生長因子-10(FGF-10)在人參中的表達”、“利用人參根際微生物發酵法轉化人參皂苷的研究”等實驗項目與基因工程課程實驗都出自教師的同一項國家自然科學基金項目。再如“產1,3-丙二醇微生物的篩選及其發酵條件的優化”、“生物降解秸稈木質素的瘤胃微生物的篩選及其理化性質研究”、“人參發根簡易培養裝置的研制及人參皂苷工廠化生產方式的研究”等實驗項目全都建立在生產實習實驗的基礎上。這些實驗項目雖然各自研究重點不同,但其相關科研背景及實驗方法學生在課程實驗中都有所了解,較易產生科研興趣,同時新的實驗內容開闊學生的科研視野,最大限度地提高了學生的創新能力。

4結語

隨著生物技術的不斷發展,生物產業對于創新型和工程型復合人才的需求不斷提高。針對這一點,我們對原有實驗教學環節進行了改革,教學效果不斷改善,學生的創新能力和工程意識不斷提高。新的實驗模式對于實驗教師提出了更高的要求,因此實驗教師必須與時俱進、推陳出新,不斷地學習新知識、掌握新技術、開發新實驗。

作者：徐立新陳玉香錢延春單位：吉林大學生物與農業工程學院