基于创新思维导向的实验教学内容体系的探索--以动物生物化学实验教学为例.pdf

作者简介:焦显芹,女,硕士,高级实验师,主要研究方向为基础兽医研究.基于创新思维导向的实验教学内容体系的探索 以动物生物化学实验教学为例焦显芹,钟凯,耿娟,陈宇(河南农业大学 动物医学院,河南 郑州 )摘要:为实现我国从教育大国走向教育强国的目标,高校强化培养学生的创新精神和创新能力势在必行,以“夯实基础、综合训练、创新设计性实验项目”为载体,以“探索性学习理念”为指导,以“强化培养学生的创新思维和科研能力”为目标,将科技发展的前沿知识融合到实验教学中,丰富实验教学内容,改进实验技术手段,探索多种教学模式,激发学生科研的兴趣和热情,实现培养学生的创新思维和创新能力的目标.关键词:创新能力;实验教学;内容体系;改革与探索中图分类号:Q ;G E x p l o r a t i o no fE x p e r i m e n t a lT e a c h i n gC o n t e n t S y s t e mB a s e do nI n n o v a t i v eT h i n k i n gO r i e n t a t i o n T a k i n g t h eE x p e r i m e n t a lT e a c h i n go fA n i m a lB i o c h e m i s t r ya sa nE x a m p l eJ i a oX i a n q i n,Z h o n gK a i,G e n gJ u a n,C h e nY u(C o l l e g eo fV e t e r i n a r yM e d i c i n e,H e n a nA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u ,H e n a n,C h i n a)A b s t r a c t:T o r e a l i z eo u r c o u n t r y sg o a l o f t r a n s f o r m i n g f r o mab i ge d u c a t i o nc o u n t r y t oap o w e r f u lc o u n t r y i ne d u c a t i o n,i t i s i m p e r a t i v e f o rc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s t os t r e n g t h e nt h ec u l t i v a t i o no fs t u d e n t s i n n o v a t i v es p i r i ta n di n n o v a t i v ea b i l i t y I tt a k e s“c o n s o l i d a t i n gf o u n d a t i o n,c o m p r e h e n s i v e t r a i n i n ga n d i n n o v a t i v ed e s i g ne x p e r i m e n t a lp r o j e c t”a st h ec a r r i e r,g u i d e db yt h ec o n c e p to f“e x p l o r a t o r y l e a r n i n g”,w i t ht h eg o a lo f“s t r e n g t h e n i n gt h ec u l t i v a t i o no fs t u d e n t s i n n o v a t i v et h i n k i n ga n ds c i e n t i f i c r e s e a r c ha b i l i t y”I t i n t e g r a t e s t h ec u t t i n g e d g ek n o w l e d g eo f s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t i n t o t h e e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g,e n r i c h e s t h e e x p e r i m e n t a l t e a c h i n gc o n t e n t,i m p r o v e s t h ee x p e r i m e n t a l t e c h n i c a lm e a n s,a n de x p l o r e sav a r i e t yo f t e a c h i n gm o d e s I tc a ns t i m u l a t e s t u d e n t s i n t e r e s t a n de n t h u s i a s mi ns c i e n t i f i c r e s e a r c ha n dc u l t i v a t e s t u d e n t s i n n o v a t i v et h i n k i n ga n d i n n o v a t i v ea b i l i t y K e y w o r d s:i n n o v a t i v ea b i l i t y;e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g;c o n t e n t s y s t e m;r e f o r ma n de x p l o r a t i o n 引言深化创新创业教育改革是国家实施创新驱动发展战略、建设创新型国家的迫切需要,将创新创业教育与专业教育相融合,并融入人才培养的全过程,提高人才培养质量以及学生的创新精神、创业意识和创新创业能力是深化教育改革的重要途径.生物化学是从分子水平揭示各类生物体的化学组成和物质变化规律的一门基础性学科,在农业类高校是动物医学、动物科学、农学、生物工程、生物科学、生物技术、环境科学、药学等学科必需的先导性的基础科学.动物生物化学研究的内容是动物机体内的微观变化,其发生特点是微观、错综繁杂、抽象,参与代谢的生物酶种类繁多、性质千变万化、实验技术的创新速度快,使多数学生在动物生物化学学习的过程中感觉难度大、知识体系理解困难,学习积极性不高.动物生物化学实验(以下简称生化实验)可以帮助学生从可视角度和宏观角度对微观抽象的生化反应的理解和掌握,对理论知识起反哺作用.另一方面,生命科学的迅猛发展也必须依赖于实验技术和方法的不断革新和进步,纵观生物化学实验技术发展简史可以看出,每一种新的生化物质的发现与研究都离不开实验技术,每一次新的实验技术的发明都大大地推动了生物化学研究的进步.所以生化实验教学应给予足够的重视,对人才创新意识和创新能力的培养起着至关重要的作用.当前动物生化实验教学知识体系的现状 教学目标不明确,教师对实验教学思想上不够重视重理论教学,轻实验操作.教师对实验教学的重视和实验课程的精心设计对培养学生的创新意识和创新能力的引导至关重要,但受传统教学观念的影响,教师在理论课上投入更多的精力,对实验课的重要性没有给予足够的重视,如今多层次的教学比赛如“教学名师”“讲课大赛”等等也鲜有涉及实验教学方面的内容.大部分学生对实验课产生敷衍心理,出现问题不会深入分析和解决,对科研思维能力和创新能力的培养和提升极为不利.实验内容缺乏创新性,实验课程学时相对偏少,且实验技术手段落后目前大多数实验教材的内容安排是按理论知识顺序,实验项目知识单一,多为验证性的,内容独立、实验方法落后,运用先进实验技术的综合性实验和创新性实验内容较少.而生化实验包含的内容多、所需的仪器设备更新换代快、实验技术项目广泛,相对于丰富的内容而言,实验课时则显得有些偏少.在生物技术迅猛发展的当下,这些因素都制约着学生实验技能的提升和创新思维的发展.缺乏多种形式的实验教学手段目前的实验教学方法仍沿用以往传统的教学方式:实验教师提前配好试剂、做好预实验,调试好实验设备,做好实验内容板书或P P T课件,实验课上,指导教师将实验目的、原理、方法和步骤以及注意事情进行讲解,学生照搬实验步骤完成实验,整个过程互动环节少、缺乏问题式引导,数字化信息时代的各种教学手段和教学模式的运用不充分,这种僵硬的实验教学模式不利于调动学生自主学习的主动性,严重泯灭了学生对实验的热情,不利于学生创新思维能力的锻炼和培养.评价实验教学效果的形式缺乏科学性教学质量效果评价“以学生为中心、产出导向、持续改进、探究式教学和形成性评价”等先进的教育思想和理念没有在评教工作中得到充分的贯彻和体现,评教工作存在“为评而评”的现象,不能真正反映教学质量效果的优劣.对学生实验学习效果的评价,大多数还停留在实验报告的撰写和出勤率考核方面,对学生在实验过程中的严谨性、操作的规范性,提出问题、创新性解决问题的能力等没有纳入考核的范围,实验报告也只是对实验结果现象简单描述、宽泛性地进行分析总结,没有实质性的内容,缺乏对实验设计的审视和思考,不利于学生创新思维能力的培养,与学校和国家的人才培养目标有一定的差距.实验室教学与改革 本科实验的仪器设备陈旧且数量不足先进的仪器设备是开展高质量实验的基础条件,目前高校“重科研、轻教学”的情况比较突出,科研成果是评价学校、大学排名的重要指标,科研成果是晋升职称的重要筹码,所以科研上都不惜重金投入先进高端的科研仪器设备,教学和科研仪器设备的共享目前有一定难度,本科实验仪器设备和科研设备严重脱节,远远不能满足本科实验教学的需要,更落后于生物技术的发展.实验教学基于以上存在的不足,生物化学科研团队教师应不断挖掘潜力,整合实验教学内容、优化实验教学体系,多方位创造条件,将生化实验教学质量再提升一个新台阶.动物生物化学实验教学知识体系整合的基本思路 主观教学理念的转变 年国务院办公厅发布 关于深化高等学校创新创业教学改革的实施意见,号召高等学校继续深化创新创业教育改革,高校成为开展创新创业教育的主要承担者和主阵地,基于此,学校和学院主管教学的领导要充分认识到实验教学是教学质量提升的重要组成部分,也是培养创新创业和高素质人才不可或缺的重要环节,教师对实验教学要给予重视,理论和实验协同并进,实验设备及时更新、实验经费加大投入,将培养学生的综合实践能力和科研创新思维能力作为实验课教学的终极目标.组织编写适合专业特色的实验教材 年教育部提出:“十四五”期间,将教材建设与选用纳入本科教学质量国家标准.专业培养目标引领教材建设、教材建设支撑课程体系的创建,高校教师参与教材建设是百年树人的践行,比起发几篇论文来说,其影响力更为深远.根据专业特色和培养目标选用或者编制合适专业特色的实验教材,纳入现代生物学最新实验技术和方法,有利于培养学生的科研能力、创新能力,有助于实现高素质综合型人才培养目标.设计多层次实验教学内容,满足新时代创新人才需要我院生物化学科研团队根据学科发展也在不断更新和优化实验项目,以能力培养、创新思维为核心,以递进式、模块化为指导思想,实验内容保留部分基础经典性实验;以生物大分子物质的分离制备为主线,以点带面,设计综合性的训练项目;以产学研为出发点,以大学生创新创业项目和生产实践为带动,交叉多学科、丰富设计性实验项目资源.每年“生泰尔杯”和“雄鹰杯”等专业性全国技能大赛的举办,为设计性实验又提供了条件和机会.科学合理的实验内容设计既能巩固基础、锻炼基本实验技能,也培养了学生科研思维、创新意识、创新能力,为以后的工作和科研打下了良好的基础.充分利用数字化的教学手段,采用多形式的教学方式,完善教学效果的评价体系,强化学生的主体地位当今数字化网络高度发达,实验教学应将现代信息技术深度融入实验教学中,挖掘学生的学习潜力.以微视频、网络动画、虚拟演示等方式通过班级QQ、微信群、学习通等各种媒介平台,方便学生业余时间学习.实验教学采用智慧教学、翻转课堂、P B L教学、案例教学、虚拟仿真演示等多种教学手段相结合,进一步促进信息技术与实验教学的深度融合,加快实验教学模式和学习方式的变革.强化学生为主体,充分调动学生参与实验的热情,建立师生互动的良好氛围.制定综合完善的考评体系,客观、全面地考核学生的综合能力,不仅能极大地提高学生主动学习的积极性,也是实验教学创新发展的重要举措和必然趋势.改革实验教学内容知识体系的具体措施河南农业大学动物医学院生物化学科研团队承担着动物医学院、动物科学院和国际教育学院动物科学高校实验室科学技术共 余个专业生物化学实验课教学任务,学生人数每年 人左右,生化实验课时均为 学时,课程安排都集中在大二第一学期,班级多,上课密度大,实验场所不足等.教学团队精心梳理学科发展前沿知识和最新的实验技术,将实验教学内容归类串并,整理综合,创新实验方法和丰富实验教学内容.)调整后的内容删除了延续多年的血液样品的处理、血清蛋白质醋酸纤维薄膜电泳等方法简单、实验技术手段落后、知识单一的验证性实验.影响唾液淀粉酶:活性因素实验中,改变以往在不同的影响因素条件下,不断检测放置在最佳反应条件试管里的反应液,待反应完全后,再同时检测不同条件下各组反应液中淀粉和碘液混合呈现的不同颜色,以此判断温度、p H值、激活剂和抑制剂对酶活性的影响,实验中唾液淀粉酶用学生自己的唾液制备,酶活性差别大,实验中易受其他多种因素的干扰,据多年的实验观察,有很大比例的实验结果均不够理想.目前更新检测方法,设置相同的反应时间后(预实验效果最佳时间为 m i n),检测剩余淀粉和碘液混合后的颜色变化来判断结果,实验结果大多比较理想,而且也大大缩短了检测过程中的等待时间.P C R扩增技术实验,以更先进的实时荧光定量P C R取代普通P C R.以创新性的思维和实验技术手段重现经典实验,既能让学生掌握生化实验基本技能,也有利于培养学生的创新思维能力.)以生物大分子的分离制备为轴线,设计综合性实验项目:以蛋白质的分离纯化及鉴定和细菌基因组的提取、Sr R NA基因P C R扩增、琼脂糖凝胶电泳鉴定两个综合性实验.蛋白质分离纯化是以分离纯化羊血清免疫球蛋白G(I g G)为例,免疫球蛋白G(i mm u n o g l o b u l i nG,I g G)是血清中免疫球蛋白的主要成分,占动物血清中免疫球蛋白总含量的 左右,其中 分布于血清中,在机体抗感染、中和毒素等免疫防御中发挥重要作用,I g G在生产和临床上均有广泛的应用,它是具有一定代表性的蛋白质.实验首先采集动物新鲜的血液离心得到血浆,血浆经过盐析、等电点沉淀制备I g G粗制品,再经过脱盐、分子筛、离子交换层析等一系列的方法进行纯化,最后采用S D S P A电泳鉴定其纯度及其分子量大小.由于实验学时的限制,后续的I g G的活性免疫检测作为开放式实验,学生可以预约课余时间在指导老师的指导下自行完成.本实验与生产实践和临床应用结合紧密,有利于提高学生的学习兴趣,实验材料以动物血液为原料,容易获取,费用低,不仅使学生巩固蛋白质的有关性质,也掌握了实验中常用的离心技术、盐析技术、层析技术、电泳技术、紫外分光光度技术以及凝胶成像仪设备的使用技术等,使枯燥孤立的实验技术和实际应用相结合,作为解决实际问题的工具,有利于调动学生的求知欲和科学研究的热情.D NA提取及纯度鉴定实验项目以往以动物肝脏为实验材料,实验动物消耗大、肝脏原浆液用量多,有害试剂氯仿异戊醇等用量大,废液无害化处理困难,有悖于创造绿色环保安全的实验室理念.改进后的实验材料采用从病鸡肠道分离纯化的大肠杆菌.大肠杆菌作为模式生物,是研究得最为详尽的原核细菌,繁殖迅速,培养代谢易于控制,用量小,大大减少了有害试剂的使用量,而且更接近于科研.实验首先提取大肠杆菌基因组D NA,这个步骤仍采用经典的方法,学生通过实验过程可以充分理解原理,科研常用的市售提取试剂盒,虽然操作简单,但实验结束后,学生对实验原理理解得不透彻;第二步将提取的D NA作为模板,采用 Sr R NA通用引物,P C R扩增其基因片段;第三步是琼脂糖凝胶电泳鉴定;以上步骤均为学生动手操作内容;第四步,对未知细菌微生物(本实验已知为大肠杆菌)扩增后的结果可以引导学生进行测序,基因网站对比测序结果,以此可以判断未知细菌的种属类型,这些作为演示性实验内容,结合生产实际,帮助学生对实验有个整体的认知,充分利用P C R和电泳等待时间,为学生介绍引物设计和基因查询有关知识以及常用网站的使用方法,扩展学生的知识面,将基础实验与科研思维密切联系,培养学生的科研素质和科研热情.)以创新思维训练为导向,将科研创新成果及典型案例融入本科实验教学中:本科实验教学中融入科研成果典型案例是提高生化实验教学质量的有力举措,也是培养大学生的创新意识、创新精神和创新能力的重实验室教学与改革要途经.清华大学科研成果转化为教学资源典型案例汇编 一书,介绍了科研转化教学的成功典型案例,为高校丰富实验教学资源提供了一条重要参考途经.我院近几年来也在积极创造条件,筛选生物化学研究最新的典型案例,将符合实验教学内容、可操作性强的科研成果融入实验教学中,不断丰富实验教学内容,提升实验教学的高阶性、创新性和挑战度,努力实现“两性一度”的国家课程建设目标.作为设计性开放实验可以选择科研团队的科研成果,也可以通过文献数据库查找整理典型案例,按符合实验教学的形式整理实验原理、实验方法和步骤,列出所需实验仪器设备和试剂耗材等,在教师的引导下,以小组为单位预约实验室完成相应的实验.实验成果可以作为大学生创新创业项目的申报和参与专业比赛项目.近几年新型冠状病毒的持续传播,新冠病毒核酸检测已成日常.实时荧光定量P C R对新冠病毒的检测发挥着重大作用,紧跟时代发展需求,为学生尽早熟悉和掌握先进的实验技术,实时荧光定量P C R技术将在 级学生实验中推广使用.从软件到硬件,多层次、全方位尽力为学生提供创新设计性实验的机会,锻炼和培养学生的创新能力、科研能力和解决实际问题能力.生物化学实验在大二第一学期开设,是最早开设的专业基础课之一,学生专业知识相对薄弱,考虑到学生的知识结构和接受能力,实验课程内容的改革不能盲目追求深度和广度,要结合实际,遵循教学规律,寓基础于综合,寓基础于创新,强化基本的实验技能,为培养科研思维和综合素质的人才目标打下坚实的基础.加强实验室软硬件条件建设,保障新方案顺利实施本科实验教学由于受实验场所、实验经费、仪器设备的限制,实验教学课程体系的改革比理论教学改革面临更多困难和挑战.指导教师和专职实验技术教师应充分认识实验教学的重要性,吐故纳新,与时俱进,不断学习前沿知识,参与各种先进仪器设备使用的培训,努力提高自身的综合业务水平.相应的实验设备是支撑实验课程体系改革的首要条件,本科实验设备的不断更新是新实验开设和系列实验课程开展的有力保障,近几年来我院也加大了本科实验设备的投入和购置,实验中心仪器设备也实现了共享,对生化实验教学内容体系改革后的顺利实施提供了保障.实验室也逐步加大开放的力度,学生经过实验室安全和基本操作技能培训合格后,在指导教师和专职实验技术教师的双重指导下,课余时间可以自主开展实验.确因条件局限,目前难以实际操作的实验项目,可以通过实体拍摄影像、动画演示以及虚拟仿真等方式让学生观摩,使学生开阔视野,激发热情,培养和提高创新能力及科研思维能力.实验教学紧跟科技发展的前沿,不断探索实验教学内容体系改革,提高学生对实验课的兴趣,由被动变主动,强化学生基本的实验技能,锻炼学生科研思维能力,激发学生的创新能力,也为后期开设的微生物学、动物传染病学等专业课程的实验奠定坚实的基础.在两个一百年奋斗目标的交汇期,建设社会主义现代化强国的今天,生物行业的发展对生命科学人才教育提出了新的要求,培养的人才需具备较强的实践能力、创新精神才能适应社会和行业的发展需求.大学生创新创业训练的理念与专业实验课相结合,是深化创新创业教育改革的重要思想和途经.参考文献余昌海深化高校创新创业教育改革须正确处理好四对关系J教育理论与实践 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