科研反哺综合模式在生物分离工程教学中的应用

栗孟飞, 张 真, 孙 萍, 司怀军, 杨德龙

(甘肃农业大学 生命科学技术学院 干旱生境作物学重点实验室， 兰州 730070)

生物分离工程(Biological separation engineering)是生物工程或技术等相关本科专业的一门必修课程，是生物技术、生物制药和生物能源等专业的桥梁学科，在实现它们的产业化过程中起到关键作用[1-2]。生物分离工程课程内容主要包括：原材料选取原则，细胞破碎方法，提取原理与方法，萃取原理与技术，吸附分离原理与技术，色谱分离技术(如高效液相色谱法、气相色谱法、质谱法、离子交换色谱和亲和色谱等)，结晶和干燥等[3]。因此，该课程是在物理化学、生物学和生理生化等学科的基础上发展而来，并广泛应用于细胞工程、基因工程、蛋白质/酶工程和发酵工程等，具有明显的多学科交叉与紧跟学科前沿发展的特点。

随着我国一流大学和一流学科的建设，我国对高等教育和科研经费的投入逐年增加，为专业人才培养提供了更为优良的教学环境[4]，同时，也为教学质量提出了更高的要求。基于“教学科研相统一”的观点，也即教学促进科研，科研反哺教学，二者互动达到双赢[5-6]；因此，科研反哺教学(Research feeding teaching, RFT)近几年越来越多的应用到实际教学工作中，如传染病学[7]、中药药理学[8]和中药化学[9]等。综合性实验教学(Comprehensive experimental teaching, CET)方式要求学生具有扎实的理论知识和实验技能，对学生进行全面训练的复合性实验教学[10]。目前，也有很多专业基础或专业课程开始应用CET教学方式，并已取得良好的教学效果，如生物化学[11]、药物化学[12]和生物制品专业综合实验[13]。开放性实验教学(Open experimental teaching, OET)方式是根据学生的时间进行实验方案的设计、研究与分析，由被动变为主动的实验教学[14]。目前，已有很多专业基础或专业课程开始应用OET教学方式，并已取得良好的教学效果，如植物组织培养[4]、生物化学[15]和动物学[16]等。

为了提升生物分离工程课程的教学质量与效果，很多学者已经对其理论教学方法、实验操作创新等方面进行了改革与探索，如学科前沿知识的引入[17]、REF[18]、CET[19]，以及参与式[20]、互动式[2]和探究式教学[21]等，而对于它们之间相结合的实验教学模式还未见报道。因此，基于REF、CET和OET 3种实验教学方式的优点，本教研室在生物分离工程前期OET和CET实验教学模式的基础上，针对2013级(52人)、2014级(50人)和2015级(54人)生物技术专业本科生(共计156人)，引入了REF+CET+OET相结合的综合教学模式。现将教学经验总结如下。

1 理论与实验教学课时的设置

根据学校新的专业教学大纲修订，由原来的理论教学48学时、实验教学24学时(总学时72，理论∶实验=2∶1)，调整为目前的理论教学32学时、实验教学32学时(总学时64，理论∶实验=1∶1)，在注重理论教学的同时，提高学生实验教学的学时数，实现了理论教学与实验教学并重。

2 科研反哺综合教学模式

为了有效地体现REF+CET+OET综合教学改革的效果，我们在2011级OET和2012级CET+OET实验教学改革经验的基础上，在实验改革过程中主要遵循以下5个方面的教学原则(图1)。

图1 “科研反哺+综合性+开放性”实验教学过程中遵循的5个原则

1) 科研项目内容的公开化。基于RFT的原则，将与生物分离工程课程紧密相关的在研或已完成的科研项目，研究具体内容，已完成的科研成果等(发表的研究论文、授权或公布的发明专利、成熟的实验体系或标准等)，提前提供给学生，让其有充分的时间阅读与了解当前某一科研领域研究前沿。2) 学生设计实验方案的独立性。在阅读与了解科研项目研究内容的基础上，学生根据研究兴趣选择实验内容，以小组(每2人一组)形式查阅资料，设计实验方案，主要包括：时间安排、实验材料选取、生物活性物质分离与纯化具体步骤、活性物质检测方法及其参考文献、数据统计与分析方法等。然后，授课教师根据维果茨基提出的“最近发展区”原则[22]，结合学生设计的实验方案、具备的理论知识与操作能力，及时调整实验资源，保证研究内容的顺利开展。3) 实验内容的连贯性与综合性。在保证实验顺利开展的基础上，要求实验内容具有连贯性与综合性。在一个完整的实验方案中，研究内容要求学生完成如下步骤：实验材料的选取→预处理→细胞破碎→生物活性物质提取→初步分离→萃取浓缩→分离与纯化→测定、分析或鉴定→图片采集、数据记录与分析等。另外，除参与教师所提供的科研内容之外，还鼓励学生开展与现实生活紧密相关的实验内容，如独立申请本科生科研训练计划(Student research training program, SRTP)和全国大学生创新创业训练计划项目等。4) 实验室开放性。在进行实验室安全教育与了解管理规则的基础上，全面开放实验室，让学生有充足的时间进行实验耗材的准备、实验试剂的配制、仪器的熟悉与调试、预实验以及正式实验的顺利开展等。在开放性实验过程中，授课教师、专业实验技术人员或研究生会及时解决学生临时出现的问题。5)实验考核的多元化。在实验成绩考核过程中，强调实验成绩与课程成绩应直接相关[课程综合成绩=理论知识(50%)+实验考核(40%)+出勤率(10%)]，实验考核成绩主要体现在6个方面(图2)：实验操作技能与安全性、研究内容的完整性、数据采集与分析制图、实验结果撰写报告完整性、科研项目主要负责人认可度、科技论文的转化性等(通过SRTP和全国大学生创新创业训练计划项目结题、中国科技论文在线www.paper.edu.cn提交学术论文或投稿到正规学术期刊等)。

图2实验教学考核成绩的组成

3 教学改革效果评价

为了客观地评价REF+CET+OET(总学时64，理论∶实验=1∶1)综合教学改革的效果，分别以OET和CET+OET模式下(总学时72，理论∶实验=2∶1)的2011(人数170)和2012级(人数108)生物技术专业本科生的期末考试成绩为参考，对2013级(52人)、2014级(50人)和2015级(54人)生物技术专业本科生采取了期末考试和问卷调查2种评价方式，结果见表1(期末考试成绩比较)和表2(问卷调查评价)。

从表1可以看出，在REF+CET+OET相结合的综合教学模式下，2013、2014和2015级期末考试的平均成绩分别为78.24、78.65和78.47分，优于2011级OET实验教学模式下的70.48分和2012级CET+OET实验教学模式下的73.81分；并且随着OET、CET和REF 3种教学模式的逐步相结合，教学效果也逐渐提高，同时，90～100、80～89和70～79分3个分数段的人数比例也逐渐增加，60～69和<60分分数段的人数比例逐渐下降。以上结果充分说明REF+CET+OET相结合综合教学模式的优越性。

表1 在OET、CET和REF实验教学模式下期末考试成绩比较

表2 “REF+CET+OET”相结合综合教学模式的教学效果评价(n=156)

对2013、2014和2015级156名学生进行无记名教学效果问卷调查，结果如表2所示。98%以上的学生认为REF+CET+OET相结合的综合教学模式有益，其中，80%以上的学生认为REF+CET+OET模式下的相关能力培养等方面具有“非常有用+有用”，尤其表现在提高实验动手操作能力(95%)和有利于理论知识的掌握(90%)；然而，42%的学生认为该实验教学模式在师生相互沟通方面还有待于改进，教师在实验过程中应增加与学生的交流、互动与沟通。

4 结语

为了提高生物分离工程课程的教学质量，我们对5个年级的生物技术专业本科生进行了教学改革，逐步将OET、CET和REF模式引入实验教学中。实验教学改革实践表明，REF+CET+OET相结合的综合教学模式，充分体现了科研应用于教学的反哺性、教学现代化与人性化的优越性，激发了学生学习该课程的兴趣，促进了学生的相互交流和讨论，有利于掌握理论知识，提高思维创新、实验操作、科技论文撰写等方面的能力。基于以上良好的教学效果，充分说明REF+CET+OET综合教学模式适宜于我国目前高等教育教学和科研投入的环境，值得在类似课程实验教学中推广。