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細胞生物學實驗教學改革探索

作者:admin 更新時間:2018年10月11日 09:13:38

  摘要:細胞生物學是當代生命科學的基礎學科,也是發展迅猛的前沿學科之一。為了促進學生的實踐動手能力和實踐創新能力,配合細胞生物學理論課教學改革的不斷深化,細胞生物學實驗教學改革已是大勢所趨。該教研組經過多年的探索,從教學體系、教學內容和教學手段等方面對細胞生物學實驗教學進行了改革,旨在充分調動學生學習的主動性和積極性,培養學生的獨立思考、綜合運用知識和科研創新的能力。


  關鍵詞:細胞生物學;實驗;教學改革;


  作者簡介:胡鑫.Tel:+86-29-87092262,E-mail:[email protected]


  隨著教學改革的持續深化和創新教育的不斷推進,實踐教學已成為培養高素質創新型人才的重要環節。實驗教學作為實踐教學的主要組成部分,在高校教學中扮演著越來越重要的角色。細胞生物學是當今生命科學的前沿學科之一,其實驗技術方法也隨著理論知識的更新而迅猛發展,已滲透到遺傳學、分子生物學和發育生物學等生命科學各分支學科,成為生命科學研究的重要利器[1]。因此,如何在細胞生物學實驗教學中培養學生獨立思考、綜合運用知識和科研創新的能力值得我們深入思考,對細胞生物學實驗教學的改革和創新勢在必行。


  針對目前細胞生物學實驗教學存在的問題,為了提高人才培養質量,以“夯實基礎、注重素質、提高能力、瞄準創新”為原則,本教研組在教學內容的優化、教學方法的多樣化、教學手段的現代化等方面進行了一些思考與探索,積累了一些經驗與認識,在此與大家探討。


  1細胞生物學實驗教學存在的問題


  1.1內容更新滯后,與學科發展相脫節


  傳統的細胞生物學實驗教學僅作為理論教學的補充和附屬,項目單一,內容陳舊,缺乏當代常用的技術手段和知識的綜合性運用。這些實驗只是驗證已知的結果,實驗過程及可能出現的問題是基本固定的。在教學上過分強調獲取正確答案的重要性,學生基本是“照方抓藥”式的機械模仿,探索性不夠,從而使其實驗積極性不高,學習興趣不大,直接降低了教學效果。


  1.2教學模式單一,重視學生自主性不夠


  傳統細胞生物學實驗教學基本上是:實驗材料、實驗儀器及實驗試劑完全由老師事先準備好,學生按照教師講解按部就班進行實驗,結果是操作過程程序化、簡單化,實驗結果同一化。學生不參與實驗的前期準備工作,大大削弱了對基本操作的掌握。教學目標也沒有對學生文獻查閱、資料分析、實驗設計和實驗結果分析等提出具體培養和考核要求。這都不利于學生創造性思維的啟迪和分析問題、解決問題能力的培養。


  1.3教學方法貧乏,培養學生創新能力有限


  傳統實驗教學基本上都是在有限的教學時間內完成有限的實驗,師生之間是“主宰–順從”的關系,師生之間互動和交流極少,忽略了對學生發現知識的方法訓練和能力培養。這種知識傳授方式一方面極大限制了學生對信息的獲取,且與指數式的知識遞增趨勢極不相稱;另一方面,只培養了學生機械記憶的能力,缺乏獨立思考能力的培養,嚴重壓制了學生的創造力和想象力,阻礙了學生創新能力和批判性思維的培養。


  1.4教學技術老套,運用現代教育技術欠佳


  目前,以信息技術為核心的現代教育技術已逐漸在現代教學改革普及起來,但現代教育技術在實驗教學中的作用沒有被充分發揮出來[2],傳統實驗教學維度單一。新信息技術不僅影響著傳統的教育方式,還改變了傳統的課程時空概念。鑒于具有全天候、全開放的特點,網絡逐漸成為一個重要的“教學課堂”。實驗網絡教學平臺的建設可以賦予傳統課堂多維的教學空間和更為廣泛的信息來源。但網絡教學平臺建設滯后,網站內容不夠豐富。還有,利用虛擬現實技術建立的虛擬教學實驗室在工科和醫學實驗教學上有所使用,但在生物科學實驗教學上鮮見應用[3]。


  2細胞生物學實驗教學改革與創新


  2.1更新完善實驗課程體系,強化科研精神和思維的培養


  為了突出實驗教學的地位和作用,我校從2008年開始打破了2004版教學方案對細胞生物學實驗和理論教學合為一門課的成規,將理論課教學計劃總學時統一為64學時,把細胞生物學實驗教學從中分離出來,成為一門有48學時的獨立課程。對教學內容進行了重新編寫和完善優化,即由原來驗證性實驗項目占主體的實驗系列轉變為基礎性、驗證性、綜合性實驗項目有機組合的層層遞進式教學體系。同時,為了與理論教學相呼應,實驗課被安排在理論課結束后的一周之內完成,從周一到周六每天8個學時。通過以上改革實現了從“實驗教學服務于理論教學”到“實驗課程與理論課程齊頭并進、既緊密聯系又相對獨立”的根本性轉變(表1)。


  科學增減實驗項目在保留經典實驗的基礎上,刪除相對陳舊和不適用的實驗,如一些染色實驗的特異性差,甚至作用原理不甚清楚的實驗項目。同時,增加具有時代性和實用性的新興內容,如細胞骨架的免疫熒光觀察和花粉管的鈣離子熒光觀察等作用原理清楚、特異性強和靈敏度高的熒光標記技術。特別是,當代細胞生物學研究已經由靜態分析向活細胞動態研究轉變,我們增設了內質網和高爾基體的動態熒光觀察等活細胞動態研究方面的實驗項目。


  深入創新實驗內容將實驗內容進行重新改造和創新,使“注重素質培養和能力提高”的教學理念切實貫徹到教學過程中去。如,以前的葉綠體觀察實驗只是運用差速離心得到葉綠體的粗提物,然后臨時裝片進行簡單的熒光觀察。這樣的實驗內容比較簡單,內涵不深,外延不廣。改進后的實驗內容在菠菜葉片葉綠體的分離與觀察的基礎上增加了多種植物完整細胞中葉綠體觀察。具體實驗操作包括:將葉綠體提取液臨時裝片,在普通光鏡下觀察所分離的葉綠體的形態;在熒光顯微鏡下觀察葉綠體自發熒光;滴加吖啶橙熒光染料,在熒光顯微鏡下觀察其次生熒光。用鑷子撕取若干種植物(由學生隨意采集)的葉表皮臨時裝片;用刀片刮取葉肉細胞臨時裝片;然后分別在普通光鏡和熒光顯微鏡下詳細觀察。這樣,學生不僅了解了細胞器的提取原理,還對多種植物葉綠體的形態大小有了深刻的印象。更為重要的是啟發了學生多角度研究事物的意識,培養了學生的科研基本素質。


  表1教學改革前后實驗項目對比Table1Comparisonofexperimentalprojectbeforeandafterteachingreformation下載原表


  表1教學改革前后實驗項目對比Table1Comparisonofexperimentalprojectbeforeandafterteachingreformation


  合理開設綜合性實驗將培養單一技能的驗證性實驗項目科學整合為系統化的綜合性實驗,將學生基本實驗操作技術的培養貫穿于整個實驗過程。例如,我們重新編排了動物細胞培養實驗,形成一個含有細胞的復蘇、培養和凍存、細胞的形態觀察和大小測量、細胞的計數、細胞的死活鑒別等系統性、綜合性實驗。這樣,既訓練了學生的基本操作能力,又培養了其綜合運用基本實驗操作技術完成整個實驗的科研能力。又如,本教研組開設了細胞凋亡綜合性大實驗,包括磷脂酰絲氨酸外翻檢測(AnnexinV法)、細胞形態變化檢測(DAPI染色)、DNAladder觀察與TUNEL觀察。通過實驗,不僅讓學生領略了當代細胞生物學實驗技術的風采,深刻理解了細胞凋亡有序發生的顯著特征,更重要的是使學生認識到應該多角度對實驗現象進行檢測,認識到不同方法有各自的優缺點和適用范圍。


  大膽開展創新性實驗創新性實驗是針對學有余力、思維活躍的學生開設的。這類學生數量不多,每年約十幾個。這類學生會主動向老師表達想參與科學研究的愿望。學生可以選擇自己感興趣的生物學問題,廣泛查閱資料,形成實驗思路,設計實驗技術路線。教研室將學生分組,并為其配備科研導師。導師評價學生方案的可行性,引導其正確運用實驗方法與技術。實驗時長為一年。實驗花費不大,教學實驗室和導師科研實驗室完全可以負擔得起。另外,通過申請大學生創新實驗計劃項目和與本科畢業論文(設計)接軌也能夠補充一定的經費。黃金槐是常見的園林植物,其葉片在春秋兩季是金黃色的。教師以這一現象作為切入點引導學生提出“什么原因導致黃金槐葉片變黃”這一科學問題,進而指導學生按照細胞生物學研究技術設計出實驗方案:先進行顯微觀察,即觀察葉片各種細胞的形態和葉綠體的形態與數目;再進行超顯微觀察,即葉綠體類囊體的結構;繼續深入研究,可以運用基因組學、蛋白組學和轉錄組學等技術探究導致黃金槐葉片階段性黃化的分子機制。當然,具體實施由于經費和時間的限制只能進行顯微和超顯微觀察,但必須向學生指出可能的研究方向。這樣由重視“讀”科學轉向培養學生動手動腦“做”科學,形成“以學生為核心”的教學模式,培養學生運用已有知識發現問題、分析問題及解決問題的能力。


  2.2綜合運用多種教學方法,實現“教”“學”良性互動


  運用問題教學法、課堂討論法、啟發教學法等被實踐證明行之有效、符合時代要求的各種教學方法,促進教學模式由注入式向啟發式轉變,倡導學生主動學習、獨立思考,注重培養學生的批判性和創新性思維。


  創新問題教學情景課前提出問題,檢查學生預習情況,逐漸引入實驗內容,可以集中學生的注意力,并激起學習欲望。課后提出問題,引發學生深入思考與分析。利用實驗進行中的空隙時間,由教師提出討論問題,學生圍繞問題自由發言,各抒己見,互相啟發,互相補充;所討論內容是教學內容的重點知識或要求學生自學與思考的部分;最后教師總結討論結果,并解答討論中的遺留問題。在細胞融合實驗中,課前向學生提出“可以運用哪些方法誘導細胞融合,其作用原理是什么?”進而講解本次實驗具體操作;課中討論細胞融合相關知識:單克隆抗體技術的原理與實際應用、利用人鼠雜交細胞定位人的基因和鄧秀新教授利用細胞融合技術培育柑橘新品種等,培養學生的科研思路;課后向學生提出問題“是否能夠利用細胞融合技術培養出上面結番茄下面長土豆的植物?”,激發學生的科研興趣。


  激發學生探究實驗原理在講清實驗目的和原理的前提下,鼓勵學生根據所學知識設置新的實驗參數或設計實驗過程,通過分析得到的不同實驗結果以探索實驗原理。如,我們將細胞融合實驗改進為設計性實驗。讓學生用不同大小的離心力收集細胞,觀察細胞活性并計算收集效率;用不同濃度的聚乙二醇融合細胞,了解聚乙二醇濃度對細胞融合的影響作用;用不同濃度的細胞進行融合實驗,觀察細胞濃度對實驗結果的影響;用不同的實驗溫度進行細胞融合,觀察與分析細胞融合率。這樣,學生通過思考與分析得到的實驗結果可以更好地領會實驗的內涵。


  2.3注重利用現代電教技術,豐富充實實驗教學


  通過多種手段最大限度豐富學生的實驗課程內容與內涵,拉近實驗課教學內容與學科發展現實的距離。


  收集實驗視頻資料當代細胞生物學研究常用的高、精、尖科學實驗技術,如激光共聚焦顯微鏡技術、熒光顯微鏡、顯微操作、全內反射顯微鏡、活細胞工作站和蛋白質相互作用工作站等,所需的設備昂貴、操作專業和經費投入巨大而無法在普通教學實驗室開展。但是這些技術非常有必要向學生進行介紹與展示,我們購買或通過網絡獲取相關實驗技術的視頻資料,將其播放給學生。這樣既直觀形象,又方便經濟;既充實了實驗課堂,又拓寬了學生視野,既打破了技術、空間、時間上的限制,又能很好地調動學生學習的積極性,激發學生的創新思維。


  制作實驗規范課件實驗各方面操作都有嚴格程序,實驗操作的不恰當不僅直接影響實驗結果的可靠性,而且可能傷及實驗者甚至引發安全事故。所以,我們將每一個實驗的試劑配制、操作流程、安全事項及操作警示等內容都制作成課件,使教學內容科學化、規范化、標準化。這不僅訓練了學生嚴格而熟練的實驗操作,又能培養學生求真務實的科學態度。


  2.4建立網絡教學平臺,實現開放多維教學


  網絡教學平臺的出現為細胞生物學實驗課程的改革提供了一個很好的探索思路。網絡教學平臺將有限的實驗教學課時極大地延伸,使學生盡情地暢游在知識的海洋里,開拓他們的思想維度,激發他們的求知欲和創造力。


  細胞生物學實驗網絡教學平臺是依托我校網絡與遠程教育平臺(http://xnzx.nwsuaf.edu.cn/index.do)建立的。該平臺由實驗教學信息、實驗課程資源、實驗課程習題和實驗課程論壇四大版塊組成。實驗教學信息版塊包括課程介紹、教學大綱、教學日歷、教師信息等常規內容。實驗課程資源版塊包括所用教學課件、教材與參考書(各種版本的教材和實驗手冊)、實驗圖片、動畫和視頻資料、研究主題及研究動態等。該板塊將相關文獻資料收集整理展現給學生,使其全方位了解實驗內容和背景,并獲得鮮活的前沿信息。實驗課習題板塊包括課程作業、試題庫等。通過習題形式幫助學生促進知識的掌握,深化知識的理解,訓練其靈活運用知識的能力。實驗課程論壇版塊包括課程答疑、課程討論等。


  值得一提的是,課程討論欄目使傳統實驗室在時間和空間上的延伸成為可能,為教師和學生提供了另一個能夠暢所欲言、廣泛交流、全天候的“實驗室”。如,同學們提出了“把葉綠體移植到動物細胞中會發生什么情況”、“植物嫁接原理是不是與醫學器官移植相似”、“為什么在人細胞與鼠細胞的融合細胞中人的染色體不斷丟失”等問題。它們看似天馬行空、不著邊際,有些問題科學界也沒有研究結果,其實包含著重要的生物學秘密。這種教學手段充分尊重了學生的主體地位和個性發展,使學生在知識、能力、素質等方面的培養有機融為整體。


  3教學效果與反饋


  通過對細胞生物學實驗教學的改革與創新,教學成效顯著。(1)教學內容的提升明顯提高了學生學習的主動性和積極性,學生普遍反映“細胞生物學實驗課是一個豐盛的實驗大餐”,“細胞生物學實驗課對我影響很大,不僅培養了我很好的動手能力,而且訓練了我的科研思維”;(2)在培養學生的創新能力方面有了重要的進展。例如,促進了學生積極參加大學生創新實驗計劃。生物科學專業2007級沈道銀同學談到,“上完細胞生物學實驗課后,自己的思想頓覺豁然開闊,以前覺得科研很神秘,現在覺得很簡單,我有許多科研想法,可以申請多項大學生創新實驗計劃項目。”果然,這個學生作為主持人獲批一項大學生創新實驗計劃項目,并且還作為主要參加人參與兩項;(3)進一步激發了學生主動尋找自己的科研目標,促進了學生對自己的人生規劃進行積極地思考。生物科學專業2007級戴軍同學點評:“細胞生物學實驗課激發了我的科研激情,我對食蟲植物很著迷,但僅限于觀賞。現在我對它們的細胞怎樣分泌外消化酶很感興趣,我將查閱文獻做一些實驗。”這位學生現已考取中國科學院北京植物研究所的研究生。


  細胞生物學實驗課教學改革不僅使教學質量大幅提高,而且也使教師受益匪淺。教師在創新實驗教學的同時,積極開展科研工作。如,圍繞黃金槐葉色這一問題,教師李紹軍帶領學生做了多個創新性實驗,開展了全程科研訓練并申請到大學生創新實驗計劃項目,最終獲批一項國家自然科學基金青年項目(《持綠特性差異國槐及其芽變體葉綠體基因組與蛋白質組學比較》,批準號:31000292)。在教學過程中,學生們活躍的思想也不斷扣動著教師的思維琴弦。例如教師胡鑫指導的學生開展植物器官嫁接的研究,取得了一定的新穎結果并不斷促進對其分子細胞生物學機制的深入研究。在教學改革的過程中,我們也注意收集學生的建議和意見。有個別學生認為“細胞生物學實驗大餐營養豐富,但是學習時間有些集中,感覺消化不良;建議拉長學習間隔。”這些是我們在進一步改革時需要深入思考的。


  4結語


  在細胞生物學實驗教學改革中,我們堅持基礎與前沿相結合,堅持課堂與網絡相結合,堅持傳統與創新相結合,通過整合細胞生物學實驗內容,加強科研素質和創新能力的培養,建立網絡輔助教學的開放型教學模式,以充分調動學生學習的積極性和主動性,切實提高其科研能力和創新能力,為學生發展與終身學習打下堅實的基礎。然而,教學改革是提高教學質量的主旋律,是教學工作的永恒主題,不可能也不會一蹴而就,我們將繼續不斷地思考與摸索。


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