科研项目引入本科实验教学的探索
才金玲 唐娜 崔永岩
摘 要：文章从当前大学生专业技能与创新能力的培养目标出发，充分发挥高等院校科研优势，以本科生专业能力培养和素质教育等为基础，在本科生实验课教学中引入专业课教师的科研项目，构建科研项目促进实验课教学的新模式，并以“基因工程实验”教学为例，将从环境中新获得的功能菌株的基因鉴定与“基因工程实验”相结合。与传统实验课相比，科研项目与本科生实验课教学相结合的模式，能充分激发学生的科研热情，提高学生的自主创新能力，同时，也为培养创新型人才提供一种重要的途径。
关键词：科学研究;教学改革;实验教学;人才培养
中图分类号：G647 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2021）06-0001-03
目前，我国普通高校的大学生普遍存在科研思维较弱和动手能力不强的问题，与我国所提倡的创新型和应用型技术人才的培养目标还存在较大的差距。因此教育培养模式，尤其是实验课教学模式的改革势在必行。
我国高校专业课教师的主要工作内容包括教学和科学研究两大块。其中教学是专业课教师最重要的工作任务。教学效果的好坏直接决定了所培养学生的业务水平和创新能力。而开展科学研究能逐渐提高专业教师的业务能力和教学能力，教学和科研两者互相补益。一般从事一线科研工作的专业课教师其课堂内容更丰富，教学内容更能贴合社会需求，更能引发学生的学习热情，使学生毕业以后具有更高的工作适应性。目前大多数高校的专业课教师均将科研项目与博士和硕士研究生的培养相结合。在保证研究项目顺利完成的同时，也培养了研究生理论联系实际、分析问题、解决问题的能力。相对来说，本科生很少有机会接触教师的科研项目，缺乏对科研流程最基本的了解，主要通过本科实验课程的学习和完成毕业论文两种方法将理论知识与生产实践相结合。
实验课教学是学生尤其是理工类学生理解并运用理论内容，进行科学思维培训和创新知识培养的媒介。相对于理论课教学，实验课教學更具有直观性，是理论联系实践的重要环节。开展生动有趣的实验课，能极大地促进学生的学习热情，提高学生的动手能力。
目前专业实验课多采用经典实验和验证性实验的教学模式，对学生创新能力和综合应用能力的培养相对较少[1]，学生通常按照实验课教材记录实验步骤，获得实验结果，撰写实验报告。这种教学方法相对保守、枯燥，长期开展会降低学生对实验课的热情，产生应付实验课的情况。培养本科生的创新能力成为亟待解决的问题。将专业课教师的科研项目融入本科生实验课教学过程中，让学生能接触到更多先进的科研仪器设备，了解当前的专业热点，进而全方位提高专业素
质。尤其是探索性的科研能极大地提高学生的科研热情和自主学习能力，为其今后在专业工作中积累经验。
天津科技大学设立的“实验室创新基金”和“大学生创新创业大赛”，点燃了本科生参加科技活动的热情，培养了学生的创新意识，提高了学生的动手能力。
一、将科研成果与本科生实验教学相结合必须保证学生掌握学科基础技能
通常科研项目的研究内容较多，科研难度与本科生的能力不匹配，不能直接作为本科实验教学的内容，必须经过取舍，保证在培养本科生基本技能的基础条件下开展;必须先将科研项目中的实验内容经过筛选、拆分成更小的单元作为实验课教学内容，将科研项目中前期成熟的方法手段与本科生实验教学内容相结合。例如在生物化工系教师的许多课题里，需要从环境中分离获得大量不同的功能菌株。一般新分离的功能菌株，首先需要将这些菌株进行分子鉴定，将新获得的功能菌株的分子鉴定与“基因工程实验”相结合。这样做既能保证本科生学习获得必要的基础知识，又能增加实验的不确定性。例如从环境中分离获得的是什么菌种，一般通过16S rRNA序列与GeneBank中已有序列相比对，与16S rRNA序列最近的菌种就有可能是获得的新菌种的种属。只有在确定新菌种的种属后，才有可能知道该菌的特性和潜在的应用价值，以及后续确定获得菌种未来该从哪些方面进行开发等。学生通过该学习才有可能发现实验中潜在的应用价值，从而激发他们的创新意识和探索精神。
在“基因工程实验”课程中，教师首先带领学生提取细菌基因组DNA，并分析基因组DNA的含量和质量。接下来根据细菌16SrRNA序列设计引物，聚合链式反应（PCR）扩增16SrRNA，获得16SrRNA全基因序列。之后将PCR产物进行胶回收，获得高纯度的PCR产物，并将目的基因片段导入质粒。在制作感受态大肠杆菌时，将前期获得的带有目的16SrRNA序列的质粒转化到感受态大肠杆菌中，通过抗性筛选和蓝白斑筛选，获得携带有目的基因的大肠杆菌，提取质粒，并利用质粒特定引物PCR扩增，检测携带导入大肠杆菌的质粒中目的基因是否是阳性的，最终将携带阳性质粒的大肠杆菌送测序公司进行测序，获得目的片段的碱基序列，与GeneBank上的DNA序列进行Blast比对。利用Mega和Clustal等软件建立细菌16SrRNA进化树，初步确定微生物的种属。在这些实验过程中，既能保证本科生获得实验技能，又能感觉到实验具有的应用价值。在成功获得一些真正有用的实验结果后，这种成就感会激发学生的科研热情。反之，在实验失败后，鼓励学生寻找实验设计的不足，并改善实验方法，从而最终解决问题。这种将科研项目与实验教学相结合的模式，既能培养本科生的学科实验技能，又能促进教师的科研项目推进，一举两得。
二、将科研方法引入实验教学
科研方法是指在研究中发现新现象、新事物，或提出新理论、新观点，揭示事物内在规律的工具和手段。这是运用智慧进行科学思维的技巧。采用适宜的科研方法能使科研工作高效快捷。相对于传统的本科实验课程，科研项目一般更具有探索性。将科研项目引入实验教学既能降低学生因做传统实验而造成的枯燥感，又能有一定的创新性，抓住学生的兴趣点。作为本科生，如果能在实验教学的过程中学习到一些常用的科研方法，对他们今后从事科研工作或发挥创新能力具有重要意义[2]。例如在“基因工程实验”课教学过程中，需要不断寻求更优性状的菌种以提高发酵产品的经济性和高效性。教师将实验室新分离的菌种交给本科生进行分子鉴定，学生有机会提取不同微生物的基因组DNA，了解不同微生物的特性。因为不同微生物的基因组DNA提取方法略有不同，学生就要从专业网站查阅相应微生物基因组DNA的提取方法，并与专业课教师讨论实验开展的可行性。查阅文献的过程中，教师要培训学生从哪些科研网站查阅文献，因为大多数本科生的专业英语基础不强，笔者一般建议本科生首先从CNKI中查阅一些中文文献，通过阅读中文文献让学生对该领域有个大致的了解;然后再查阅英文文献，如Web of Science、SpringLink、Science-Direct等网站的文献，在该网站主要查阅一些文章的标题和摘要;最后对真正感兴趣的文献再下载进行全文精读，获取需要的实验方法和思路。这种培养学生查阅文献的方法，会培养本科生从科研的角度解决问题，提高他们解决问题的能力。
三、将科研实验室设备和技术引入实验教学
在我国大多数高校中，本科實验教学和科研工作是相互独立的。大部分高校对于本科实验经费投入相对较低，本科实验室所配备的设备和仪器基本上都是一些常规的仪器，缺乏先进的科研设备。学生使用老旧的仪器设备，导致其参与本科实验课的热情不高。如果学校的重点实验室和科研实验室能面向本科生开放，将能提高实验室资源的利用率，同时本科生能有机会接触到先进的技术、仪器和实验方法。天津科技大学生物化工方向的专业课教师参与完成了许多国家级和省部级科研项目，具有完成该类项目的软件条件和硬件条件。而一些高精尖的仪器设备在大学中普遍使用率不高，尤其是一些仪器的电子器件如果长期不使用，也会导致损坏，这将直接导致资源的巨大浪费。如果这些科研实验室对广大本科生开放，不但可以提高学生的动手能力，而且还能使他们掌握最新的研究设备的使用方法，拓展其科研视野。
四、改进研究方法
在保证学生掌握基本实验技能的基础上，本科实验教学要尽可能减少验证性实验的比例，提高综合性实验和研究性实验所占的比例。在科学技术飞速发展的当下，实验内容和研究方法也在不断更新。如果本科生实验课仅限于课本，不能及时更新，那么培养出的学生很难适应社会需求。因此，将本科生实验教学与当前正在实施的科研项目相结合，能促进实验教学不断探索新的实验方法，让学生了解最新科技成果[3]。对实验项目进行科学重组，使其与现代化科技发展相适应，与生产和工程实践相结合，既能培养学生的创新能力，增强学生的实践能力与自主研究意识，为社会输送创新型人才提供途径，又能让学生及时了解学科发展动态和趋势，学习最新技术和理念。例如PCR技术在“基因工程实验”课中非常重要，学生充分掌握该内容对其今后的科研开展具有重要的意义。影响PCR的因素有很多，一个小失误就可能导致实验失败。在实验失败后，让学生及时总结经验，不断完善实验方案，例如通过改变模板浓度、Mg2+浓度、退火温度及时间等条件，最终获得阳性结果。在解决问题的过程中，学生能扎实地掌握基础知识，同时掌握分析问题、解决问题的方法。
五、养成持续学习的习惯
构建全民终身学习的教育体系既是国家经济社会发展的民生政策，也是教育事业发展客观而意义深远的要求。科研项目应用于本科生实验教学的关键是实验内容的逻辑化设计。在教学过程中转变教学思路和方法，根据学生目前的知识水平，培养其能力，最终实现学生学习和思维方式的转变，以培养出适合社会发展需要的创新型人才。在学习过程中学生会形成一定的生物化工学科素养，其主要核心内容包括以下方面：理解“基因工程”基础理论;将基因工程原理用于生物化工技术领域;了解一系列的相关实验技能;在学习生活中遇到不懂的事物时，养成观察现象、分析结果、得出结论的习惯;在学习“工业微生物”课程的过程中，养成独立思考的能力，形成终身学习的习惯。
现代高等教育是连接基础教育与社会生活的桥梁。在大学生毕业进入社会遇到问题时，学生的最初想法不应该是绕开问题，而是要找到解决这个问题的方法。例如在什么网站查阅资料、如何查阅资料、如何综合分析问题，并最终找到合适的解决问题的方法。
六、寻找创新点
将专业课教师科研项目与本科生实验教学相结合，能有效提高本科生的专业素养以及分析问题、解决问题的能力。在科研项目完成过程中以学生为主体、体现自主性和设计性的实验教学方法，改变了传统的以验证性为主的本科实验课的旧模式，使教学内容不再是无用的书面知识。将教学内容与市场需求结合，能够促进知识转化为动力，体现知识的价值和重要性。主要表现在实验的完成没有既定的教材，没有现成实验步骤，完全由学生自主查阅相关文献、设计实验方案、整理实验结果、总结实验结论来完成。这些过程能极大地拓宽本科生的专业知识和专业素养。例如在“基因工程实验”课中学生能针对不同种微生物，通过查阅文献确定最终需要使用的微生物基因组DNA提取方法，以及针对不同种微生物物种采用不同的PCR引物。在这个过程中，学生不但充分掌握了基因组DNA的提取原理和PCR的基本原理，使其在毕业后工作的过程中形成遇到问题查阅文献的习惯，从而提高综合分析问题、解决问题的能力，还能有效保证实验课教师在综合了解了每个学生的科研兴趣、知识基础、动手能力、表达能力和协作能力的基础上，将学生分成不同的实验小组，使其小组成员分工协作。在研究方案实施的过程中，始终要以学生为主体，指导教师主要负责在技术上进行把关，纠正错误的科研思路，监督科研项目进展。
总之，高校教师依托科研项目，设计本科实验课程，让本科生参与研究，不但能保证教师的科研项目按计划有序进行，还能使本科生得到充分的科研训练，了解本专业的最新发展动态。本科生在参与教师科研项目的同时，充分培养了学生的自学能力、创新能力、分析能力和总结能力。学生毕业后进入工作岗位，能很快适应工作需求。如果本科生考研，也能快速地与研究生阶段的科研课题相结合。
参考文献：
[1]张琦弦.培养本科生科研创新能力的探索型实验设计[J].实验技术与管理，2018（4）.
[2]李云飞.大学生创新能力的培养与开发探究[J].继续教育研究，2017（7）.
[3]林晶，张莉，金向阳.科研项目驱动下的包装工程专业创新实践教学的探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2018（7）.
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