0 引 言

我校生命科学学院“伯苓班”是入选的国家“基础学科拔尖学生培养试验计划”的生物学科人才培养试点班。从2009年开始,每年经过笔试和面试的严格考核,本着“优中选优”的原则,从新生中选拔出20~30人组成“伯苓班”。人才培养是高等教育的核心与灵魂,而探索适合拔尖人才的培养模式,也一直是高校教学改革关注的重点。作为拔尖人才培养的重要举措之一,伯苓班的成立,能够让学有余力的学生获得更多更好的学习机会,凸显了教育中因材施教的重要性,同时,也为教学质量的提高和教学改革的推进提供了更强大的动力和更广阔的平台^[1]。

生物化学实验(以下简称“生化实验”)是生物实验教学中心面向本院大二年级学生开设的基础实验必修课程。作为实验类专业课程的先导课,生化实验涵盖了滴定、电泳、层析、离心和分光光度法等多项常用实验技术。这些技术内容是生物学科入门的“敲门砖”,更是遗传学、分子生物学、细胞生物学及动植物学等其他领域的重要研究工具。大二年级的伯苓班也是该课程的授课对象之一。生化实验教学的重要性以及伯苓班的特殊性无疑对本门课程提出了更高的目标和要求。因此,探索基于伯苓班人才培养的生化实验教学改革模式则势在必行。

1 教学改革的必要前提

1.1 学生基础好

伯苓班学生是经过笔试、面试层层选拔出来的,在学习能力、沟通能力和科研素养等诸多方面有着明显的优势。另外,院里依托科研平台专门为伯苓班开设了科研训练课程,让学生在大二上学期就有机会进入科研实验室,了解更多的实验技术和仪器应用,拓展知识面的同时,还能提前体验科研学习氛围。因此,对于“见多识广”的伯苓班学生而言,传统的基础性实验教学内容已不足以满足他们的求知欲。因此,只有在实验教学中涉及更广博的知识内容、更热门的科学前沿和更先进的仪器设备,才能充分调动起学生的积极性,激发学生的学习热情。也正是基于伯苓班学生良好的学习基础和综合素质,才能把更加丰富的教学内容和多样化的教学模式水到渠成的引入实验教学体系中,大力推进了实验教学改革。

1.2 经费保障足

实验教学改革中,增设或拓展实验项目必然会涉及到相应试剂、耗材以及相关仪器设备的购置。因此,充足的实验教学经费也就成为了实验教学改革的必要前提。为此,学校为伯苓班实验课划拨专项经费,用来购买课程所需的实验用品,为实验教学改革提供了可行性。另外,一些精密贵重仪器的购置也得到了学校和院里经济上的大力支持,如近年来生化实验室引进的Nanodrop 2000C超微量分光光度计,Tecan Infinite F50酶标仪和G:BOX CHEMI XR5荧光、化学发光凝胶成像仪等,这些先进的仪器设备的引入无疑为生化实验教学内容的拓展和革新提供了有力的硬件保障。

1.3 师资力量强

作为教学过程的主导,教师的业务能力和水平在人才培养过程中起着至关重要的作用。伯苓班旨在拔尖人才培养,其所配备的教师必然要具备突出的教学能力和专业技术水平。在生化实验课程组中,任课教师不但具备多年的教学经验,还主持或参加多项高水平的科研项目,这更有利于将研究成果转化成实验教学内容,利用科研反哺教学,促进实验教学的改革。另外,实验室技术人员也参与到伯苓班生化实验课程中。技术人员均具有硕士学历,并参加过实验室仪器设备的专业培训,可以在实验室仪器设备的使用和维护等方面为学生进行理论讲解和操作指导,成为任课教师实验教学内容之外的有力补充,让学生不再对那些“高大上”仪器望而却步,而是做到知己知彼,心中有数,提高学生的实践能力和创新能力,为将综合性和开放性实验教学项目引入基础教学打下坚实的基础。

2 教学改革的具体措施

为了充分发挥生化实验教学在培养高层次、高质量创新人才中的作用,生化实验课程组在教学内容、教学模式和激励机制等方面进行不断的探索和尝试,更加注重培养学生的自学能力、实践能力、独立分析问题和解决问题的能力,并取得了良好的效果^[2-3]。

2.1 增设实验内容,完善实验教学体系

传统的基础生化实验项目堪称经典,但随着知识与技术的迅猛发展,实验教学内容也必须要与时俱进,对原有实验进行不断的拓展和补充,才能满足当下拔尖人才培养的迫切需求。为此,合理增设实验内容,将科研成果、综合性及开放性实验项目转化并融入到基础性生化实验教学中,才能不断完善实验教学体系,提高实验教学效果^[4]。

2.1.1 增设“质粒DNA的小量提取及核酸电泳”实验

质粒小提及核酸电泳技术一直是面向大三年级开设的分子生物学实验教学内容之一,但考虑到该项实验技术应用广泛,以及伯苓班学生要提前进入科研实验室的特殊性,课程组便将该技术补充到生化实验教学内容之中。课上采用实验室常用的试剂盒提取方法,更贴合目前科研工作的实际情况,为学生进入科研实验室做好铺垫。与此同时,教学中实验原理的讲解巧妙的结合了传统的碱裂解法,让学生充分意识到,任何先进的技术方法都源于经典,只有夯实基础才能有所创新。

2.1.2 将二维电泳技术引入实验教学体系

原有实验教学内容中包含了“SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量”(SDS-PAGE)和“聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳测定蛋白质等电点”(IEF-PAGE)这两个实验,而二维电泳作为近年来的热点,正是这两项电泳的有机结合。但由于二维电泳技术复杂,操作精细,耗时较长,因此一直作为综合性项目,没能引入到基础实验教学体系当中。而对于伯苓班而言,新知识的接受速度和实验操作的完成速度更快,学习能力和实践能力也更强,因此,将二维电泳的双向——“SDS-PAGE”和“IEF-PAGE”进行拆分,分别吸纳到两个基础实验的剩余学时中,让学生在巩固基本内容的同时,学习到先进的热门技术,大大提高了学生的学习积极性。至此,新的生化实验教学内容已基本囊括了本科阶段所有常用的电泳技术,包括基础性的核酸电泳、SDS-PAGE和IEF-PAGE,以及综合性的二维电泳,不仅拓展了伯苓班学生的知识面,也使实验教学体系得到了很好的完善^[5-6]。

2.1.3 利用两种方法进行肝组织DNA的提取和含量检测

基础实验教学内容中采用“浓盐法”提取肝脏组织中的DNA,并用二苯胺法进行含量检测。为了更加符合科研实验室的实际应用需要,开阔学生的眼界,伯苓班在完成经典实验的基础上,还要求利用“动物组织/细胞基因组DNA提取试剂盒”提取肝脏组织DNA,并利用先进的Nanodrop 2000C超微量分光光度计进行含量测定,让学生在同一堂课上体验经典技术与现代方法的不同,并深入探讨它们各自的适用范围。另外,利用Nanodrop 2000C检测DNA含量,样品量只需2 μL,测量时间仅需数秒,而且不仅可以定量,还可检测样品的纯度,让学生充分体会到先进仪器设备的人性化设计为实验带来的方便与快捷。一个实验内容采用两种方法完成,不仅拓宽了学生的思路,激发了学习兴趣,同时也为培养学生的创新能力奠定了基础。

2.1.4 利用HPLC进行维生素C含量测定

高效液相色谱(HPLC)是一种在化学、医学、工业、农业等诸多学科领域中不可或缺的分离分析技术。和二维电泳一样,HPLC同样存在着技术复杂,耗时长的问题,所不同的是,它不能拆分,需要一气呵成,因此一直应用于面向高年级开设的在连续时间内集中完成教学任务的开放性实验。为了让伯苓班学生能够了解这一技术并不增加学生课余负担,课程组依托实验教学中心设备资源,在前期摸索出适合检测水果中维生素C含量的条件,并提前做好样品前处理和仪器调试,让学生在学习完传统的滴定法测含量后,由实验技术人员对HPLC进行仪器原理和操作要点的讲解并指导学生进样,得出实验结果。这样的安排既可以让学生在有限的学时中亲自体验并操作HPLC,还能够将开放性实验的部分内容引入到基础实验教学中,有效推进了生化实验的教学改革^[7-8]。

2.2 改进教学模式,提高学生学习热情

基于伯苓班人才培养的特殊性,除了丰富实验内容外,探索教学模式的革新也是教学改革的重要环节之一,是提高学生创新实践能力的必要途径。

2.2.1 单独组班,单人操作

为了便于集中管理和授课,学院将从每届中选拔出的20~30名伯苓班学生单独组班。不同于大班实验课受实验场地和资源的限制而往往需要两人一组进行实验,伯苓班采用小班教学,由任课教师先集中讲授,再由学生单人操作。这样既方便教师掌握每个学生的真实情况,利于进行针对性的指导,又培养了学生独立发现问题、分析问题、解决问题的能力,为以后独立进行科研工作做了良好的准备。

2.2.2 网上预习,翻转课堂

对于学有余力的伯苓班学生而言,良好的课前预习会让课堂教学内容的理解和掌握事半功倍。因此,教师将自己精心制作的多媒体课件放在生物实验教学中心的线上教学网站上,供学生随时观看。多媒体课件制作精良,重点突出,使学生的预习不再只停留在生硬的教材上,大大提高学生预习的主动性和积极性,从而达到理想的预习效果。学生在预习的基础上,对实验内容更容易消化吸收,动手操作也更规范迅速,这就使教师在实验课堂上有更多的时间组织学生对实验结果进行分析和讨论,从而不断提高学生的沟通能力、思辨能力和创新能力,为翻转生化实验课堂,建立更加适合伯苓班的教学模式作出努力探索和尝试。

2.2.3 仪器培训,亲自上手

在以往的大班实验课上,教学大多关注实验内容本身,往往忽略了对所用到仪器设备的具体讲解,再加上受人数和资源所限,有些学生就会错过亲自操作的锻炼机会。而在伯苓班实验教学中,任课教师和实验技术人员会在仪器原理、操作要点及日常维护等方面向学生进行专门的介绍和培训,并指导学生对所用到的仪器亲自上手操作,既提高了学生的实践能力和教师及实验技术人员的业务水平,更为教学改革提供了有力的智力支持。

2.3 建立激励机制,促进教学改革长效发展

2.3.1 学生方面

伯苓班小班授课,单人操作,每个人都是独立完成自己的实验,成绩的评定只和本人的操作过程、实验素养、课堂表现和实验报告等方面有关,因此,本着对自己成绩负责的原则,学生在教学过程中会更加严谨认真,使教学改革达到更为理想的效果。另外,在课程最后会组织生化实验基本技能竞赛,目的是考察学生生化实验基本功的掌握情况,教师可以在今后的实验教学中更加有的放矢。竞赛要求伯苓班全体参加,由任课教师和实验技术人员考评并给出成绩和名次,并根据竞赛结果发放加盖院章的证书。该证书对于伯苓班今后的保研、夏令营、联合培养等深造机会的申请都有加分作用,因此一直以来的都备受学生重视,对学生起到有效的激励作用。

2.3.2 教师方面

为保证生化实验课程的教学效果,伯苓班每个学生都要根据每位任课教师的教学态度、教学内容、教学方法和教学效果等进行评教打分,结果上报生物实验教学中心。学生的评价既是对教师工作的鞭策和激励,也是教学改革效果的重要反馈,可以让教师清楚地认识到自己工作中的优点和不足,能够在今后的工作中,强化优势,取人之长,补己之短。与此同时,学校和院里一直鼓励教师和实验技术人员申请教学改革项目,在晋升机制上也会向教学方面有所倾斜,这充分体现了对教学工作的高度重视和认可。政策上的大力支持无疑是对教师教学积极性的激励,不但为教学改革创造了有利条件,更成为推进教学改革长效发展的有力手段。

3 教学改革的重要意义

3.1 突出拔尖人才优势,提高学生创新实践能力

因材施教一直是高等教育工作中的重要原则。伯苓班作为“基础学科拔尖学生培养试验计划”的试点班,其整体素质突出,在学习能力、理解能力和实践能力等多方面有着明显的优势,因此,传统的实验教学已不能满足他们的求知欲。通过实验教学改革,将更多、更新、更前沿的知识和技术传授给学生,激发他们对科学研究的好奇心和学习热情,鼓励他们在夯实基础的前提下有所创造,既充分发挥了伯苓班的拔尖优势,又提高了学生的创新实践能力。近年来,本科生积极参与“国家级大学生创新训练计划”“天津市大学生创新训练计划”和“百项工程”等项目,并有多人获奖,教学改革成效可见一斑^[9-11]。

3.2 完善实验课程体系,提升教师综合业务水平

实验教学的革新,就需要将新的教学内容和新的教学模式引入到实验课堂上,一方面可以不断增加贴近当下科研工作的新知识新方法的传授,使实验课程体系得到进一步完善;另一方面也对教师和实验技术人员提出了更高的要求。教师和技术人员不能墨守成规,而是要与时俱进,不断为自己充电,补充专业知识和技术的同时对其他研究领域也要有所涉猎,努力提升自身的综合业务水平,和拔尖人才教学相长,成为胜任伯苓班教学的“拔尖教师”。

3.3 加强生化实验室建设,促进实验室管理多元化

良好的实验环境是推行教学改革的物质基础和硬件保障。基于学校对伯苓班的高度重视和经费支持,生化实验室近年来购置了多种先进仪器设备,要在有限的空间内,使精密仪器既方便师生使用,又利于仪器的维护和保养,就必然需要实验室的合理布局。另外,根据院里和实验中心的相关规定,仪器还可以在课外对师生开放。为此,实验室建立起相应的开放管理制度,在保证人身财产安全的前提下,使仪器物尽其用,最大程度上实现资源共享^[12-13]。与此同时,实验内容的增设会导致使用的试剂药品种类更加多样,实验产生的废液、固体废弃物也随之增加。做好实验室药品试剂的安全管理,妥善处理实验“三废”,树立绿色环保意识,也是实验室管理的重要任务之一。因此,加强实验室建设,实现实验室多元化管理,构建人性化的实验环境,是教学改革过程中带给师生的又一福利^[14]。

4 教学改革的成效

经过多年的积累与探索,课程组已成功建立起基于伯苓班人才培养的生物化学实验教学体系,并已连续4年应用于生化实验课程中。改革后的教学体系提高了学生的学习积极性,增强了学生的动手操作能力,取得了良好的实验教学效果。另外,伯苓班学生在实验技能类竞赛中多次获得优异成绩,其表现得到广泛认可和一致好评,也在一定程度上体现了实验教学改革的成效。与此同时,伯苓班学生可以提前进入科研实验室学习,在有生化实验课程作铺垫的前提下,能够更好地理解并参与到科研工作当中,不断总结心得,梳理思路,通过自主选题、自组团队、自选导师的方式,研究自己感兴趣的小课题,其中最具代表性的就是申请学校专门为鼓励本科生科学研究而设立的“创新科研计划项目”,不但大大提高了学生的科研素养,更能充分激发学生的创新意识和创造力,为实现伯苓班人才培养目标奠定坚实的基础。

5 结 语

人才培养是高等院校教育工作的重中之重。伯苓班作为拔尖人才培养对象,其教育模式和培养方式一直是教育工作者关注和探究的热点。在为伯苓班开设的基础性生化实验课程中,根据伯苓班的优势和特点,通过完善实验内容,改进教学模式和建立健全激励机制等方法,有效的对生化实验教学进行了革新,不但提高了学生的创新实践能力和教师及技术人员的综合业务水平,并且建立起实验室多元化管理模式,对拔尖人才的培养具有深远意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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