研究性实验在细胞生物学实验教学中的设计与实践

研究性实验在细胞生物学实验教学中的设计与实践

周爱文　陈广牵　谢　青　吴元喜

（华中科技大学生命科学与技术学院实验教学中心，湖北武汉430074）

摘　要：本文通过基于细胞生物学的研究性实验内容的设计与实践，以培养学生的自主实验能力和创新能力。实践表明，研究性实验教学对培养学生的创新意识和实践动手能力等方面有积极的作用。

关键词：研究性教学　细胞生物学实验　创新意识　科研素质

1　引　言

生命科学是实验科学，实验教学始终是培养高素质生物学人才的关键之一。21世纪素质教育的提出，使创新意识和实践能力的培养成为教育界讨论的热点，而实验教学独特的教学特点和教学手段在培养学生动手能力、创新能力、实践能力方面发挥着重要作用。目前，许多高校都提出了按“基础性—综合性—研究性”三层次来安排学生的实验训练计划，我校也不例外。在细胞生物学实验中，我们不仅通过基础性实验使学生掌握基本的实验方法和技术，通过综合性实验培养学生的实验综合技能，而且在此基础上进一步引入研究性实验内容，促进了学生将书本知识转化为分析和解决实际问题的能力，提高了学生的综合素质。本文介绍了细胞生物学实验课中引入研究性实验的教学方法及体会。

2　研究性实验实施的基本步骤

研究性实验基本过程大致分为：选题—设计实验方案—指导老师审阅—进行实验—实验总结、交流（图1）。

2.1　选题阶段

研究性实验教学内容的选择非常重要。实验内容应该能激发学生强烈的求知欲和好奇心。选题原则是实验题目具有科学性、可行性和实用性。三聚氰胺是一种重要的氮杂环有机化工原料，2007年发生在美国的宠物饲料中毒事件和2008年发生在中国的婴幼儿奶粉中毒事件，引起了大家对食品安全的广泛关注。我们将有关三聚氰胺的内容引入到细胞生物学实验教学中，以“三聚氰胺对小鼠肾功能影响”为切入点，将研究性内容引入实验教学中。该内容跟踪目前的食品安全热点问题，与我们的生活密切相关，能极大地激发学生的兴趣。

2.2　实验方案设计阶段

实验内容选定之后，一般将学生分为2～4人的研究小组，由学生开始自行设计实验。学生们分工合作，通过查阅文献，初步确定实验方案，包括研究性实验的原理、材料、方法、操作步骤和观察指标的选择。指导老师对学生实验方案进行考查，尽量减少实验的盲目性、随意性。由于科研思维缺陷和经验不足等原因，往往会出现许多错误，实验设计漏洞和技术细节错误也很多，所以需要教师组织学生进行多次讨论，引导学生发现实验设计中的漏洞，如三聚氰胺浓度设计不合理、后期采样的时间不合适等，通过师生间多次沟通，让学生自己提出相应的改进方案，最后确定实验内容和技术路线。

图1　研究性实验教学流程图

2.3　实验实施阶段

学生提交的研究性实验方案经老师批准后方可进入实验室开始实验操作。指导老师要求学生详细观察和记录实验的整个过程，实验图片和实验数据的记录要完整。如实验失败，学生则要认真地分析失败原因，对实验设计加以修改后再次进行实验。通过这样的实践操作，学生可以较好地掌握实验设计的基本要求，如空白、阳性对照的设计，数据的处理，误差的减小等，同时也锻炼了学生操作使用仪器的能力。实验操作完成后，学生要对实验数据和实验图片进行分析整理，从实验结果中来证明课题假设是否成立，从而锻炼了学生对数据处理的能力，最后撰写出完整的实验报告。

2.4　结题阶段

在结题时，教师要求学生就所做的研究性实验，写出一个比较规范的小论文（作为实验报告），并要求学生以答辩的方式对实验结果进行完善的分析和讨论，以总结实验中的不足之处和失误，并对失误或者失败的实验结果进行合理的解释。通过总结和讨论，学生可根据实验过程中遇到的问题和实验结果，思考实验的改进方法，提出比较合理、可行的进一步实验思路，从而极大地扩展了学生查阅资料的范围，也锻炼和提高了学生自主性、综合性解决问题的能力。学生在实验进行过程中，根据实验情况提出了合理的修改意见。例如，在查阅资料时，根据国家质检总局报告某品牌奶粉含三聚氰胺高达2 563mg/kg，于是在实验中有的小组给予小鼠三聚氰胺的浓度就参照这个数据，结果造成小鼠全部死亡，后来经过讨论和进一步实验找出了比较合适的三聚氰胺浓度。并且，在实验中，不同小组用的给药方式不同，有的采用灌胃，有的采用拌在饲料中饲喂，有的混在水中给小鼠饮用，结果发现同样时间内，灌胃的小鼠最先出现病理变化。就这一现象学生们提出了很多假设，有的还专门研究了后两种方式给药后小鼠的采食量和饮水量的变化。

3　研究性实验教学的优点

研究性实验教学的优点主要表现在以下方面。

3.1培养了学生主动学习的兴趣

主动地接受永远要比被动地接受效果好，被动接受的知识就像海绵吸水，知识只是记住了，知其然不知其所以然，而主动接受，则是将知识转化为自己的，不仅知其然，还知其所以然。兴趣是最好的老师，只有对自己所做的感兴趣，才有可能真正的、主动的投入精力去做。研究性实验过程中，学生由被动变为主动，不再是单一的信息接受者，更多时候他们是信息的收集者、创造者。学生自己全程主导，每一步骤对学生自己来说都是全新的，充满吸引力的同时也充满了挑战性，容易调动学生学习的主动性。如通过探究三聚氰胺对小鼠肾功能的影响这个实验，学生对于石蜡切片的步骤已经烂熟于心，好像这个实验步骤已经自然而然，而不是死记硬背实验步骤。并且通过查阅资料，学生不仅掌握了小鼠及其肾脏的解剖结构，而且学会了小鼠一些生化指标的检测方法。学生通过自己的努力掌握了很多教材上不是很详细的专业知识。

3.2　培养了学生的思维能力

研究性实验是一种开放式的教学模式，学生自己设计实验，激发了学生的探究热情，增强了学生参与的积极性。不同学生可能选择的题目不同，通过这种“不同”同学之间相互交流，不仅挖掘了学生的创新潜能，培养了创新思维，而且培养了学生的异式思维和逆式思维，有助于学生突破思维定势，同时也得到了因材施教的个性化教育。这种开放式教学方式要求实验室全方位对学生开放，学生自己对实验结果负责，增加了学生的责任感和紧迫感，增加了学生的动手机会，因此在研究性实验的实施过程中，学生的综合素质得到了极大的提高。

3.3　培养了学生的团队意识

具有良好的合作精神是一个人成功必须具备的优良品质之一。在研究性实验教学的实施过程中，各小组成员必须很好地相互协作才能获得理想的实验结果，这对学生形成正确的团队观念有积极的促进作用。研究性实验教学给学生提供了一个模拟科学研究的平台，使学生能够从中真正体会到科研的苦与乐，培养了学生良好的科研素质。在探究三聚氰胺对小鼠肾功能的影响这个实验中，各小组成员轮流饲喂小鼠，检测相关生化指标，这就要求每个人都要按时进行，一个人出错就会导致实验数据出现问题，并且有些操作比较繁琐，这就要求学生协作更默契，操作更细心。

3.4　教学相长

生物领域知识更新速度快，日新月异。研究性实验要求教师能在必要的时候给予一定的点拨，而这就要求教师不断更新知识，阅读相关文献。同时这种研究性实验对于教师来说也是一种再学习，教师在研究性实验过程中得到的知识可以补充到教学中，加深学生对于前沿研究以及相关领域进展的了解，有助于启发学生的学习兴趣和创新意识。教师以教促学，以学促教，达到了共同发展的良性循环。

4　结　语

通过与学生的交流，学生普遍反映研究性实验很有意义。以往常规的基础实验，学生都是自己预习一下就开始跟着老师做实验，很少对于实验本身进行思考，就像海绵一样枯燥的吸收，味同嚼蜡，而通过研究性实验，才知道主导一个实验，从方案的设计到试剂准备以及实验进程的安排都要通盘考虑。而且通过自己主导实验，学生极大地扩展了知识面，也对书本知识有了更深的理解，真正将课本知识为我所用，这种知行合一的科研训练促进了学生对书本知识的运用，这对于解决实际问题有莫大的帮助。研究性实验在培养学生的动手能力、分析能力的同时，也增加了学生主动学习的兴趣，把“要我学”转化为“我要学”，已达到了理想的教学效果。

实验课中引入研究性实验内容，对学生实验动手能力的提高起到了很好的作用，但也发现了一些问题。①研究性实验提高了实验难度，势必造成实验时间延长，因而时间上要安排合理。研究性实验开展次数不宜过多，一定要注意基础实验和研究性实验的比例，研究性实验目的在于提高学生实验能力，所以要注重实验过程、对结果的分析和实验总结，从而对学生有更多的引导和启发。②这种开放性实验教学要求实验室在较长时间内开放，这对实验室安全提出了巨大的考验，所以必须加强实验室的管理，树立安全意识。

参考文献

王金发，戚康标，何炎明.实行研究性实验教学培养学生的研究能力［J］.中国大学教学，2005，（4）.

吴元喜，谢青，张晓昱，等.提高本科生研究性实验水平的措施［J］.实验室研究与探索，2009，（8）.

刘幸福，吴元喜，余龙江，等.在实验教学中，试行“以学生为主体”的教学模式探讨［J］.实验技术与管理，2002，（3）.

谢青，吴元喜，杨广笑.用研究性学习理念指导系统生物学实验教学［J］.实验室研究与探索，2008，（9）.