设计性思维在微生物学实验教学中的引导方法研究

微生物实验教学在生物工程学科中占有重要的地位，因此我校将微生物实验教学作为生物工程专业的单列骨干实验课程，并且为了贯彻创新与设计的素质教育模式，积极推动了包括微生物实验教学在内的实验课程改革。本文就从设计基础建立，设计特征与基本要求，以及设计目的与应用价值三方面，探讨如何通过教材与教学法改革，来达到从传统的按部就班验证的培养模式到科学的设计思维的引导培养模式的转化，希望对微生物实验教学改革提供一定的参考。

一、设计思维基础的建立

如果说把创新性的思维看成是项目的提出的话，那么设计就是要围绕这个项目的主题来提出可行的实现方案。要提出可行的实现方案，则对于需要创新的领域应具备牢固的知识基础。否则提出的设计必定是属于臆测的，甚至是荒谬的。但是，由于学生实验往往是在未学完所有相关知识，甚至连微生物理论课程都只进行到一定阶段的前提下进行的。例如，在我校生物工程专业，微生物课程是三年级本科学生在学习了普通化学知识，生物化学知识的基础上学习的。微生物实验课程是在微生物理论课程进行了约1/3时间开始的，此前，除了中学的生物课程涉及的极少显微镜知识，和化学相关课程中涉及的药品知识，学生没有接触过微生物实验技术，显然，创新热情与实现手段的认知上有可能存在相当大的缺口，极大的束缚了创新思维的飞翔。因此，在教学中首先必须让学生建立起一个相对有保证的实验技能与实验知识基础，才能使设计不是无源之水，无本之木。从具体措施上，就应该做到：

凡是要求学生设计的实验，不能仅仅简单的删除老教材中的实验步骤，改为让学生自主决定在大方向下如何做，而是应该慎重的筛选保留原教材中该实验涉及的新增实验知识点的内容。

【例】《环境微生物的检测》是教材中第一个实验，因此，无菌操作概念，平板标记方法，划线接种方法和基本取样方法，即空气微生物，器具微生物，人体微生物的采样就属于必须介绍的新增知识点。虽然极简单，可以通过演示后在短时间内掌握，也必须注意在具体教学过程中，应该留出一定的时间来在教师指导下演练正确的操作。

其次，在初步估算学生可能提出的方案后，在教材中对一些有可能涉及到的实验操作或实验方案作出提示。

【例】在《环境微生物的检测》实验中，考虑到有很大可能学生需要离开实验室采集样本，因此对于远程采样，在教材中增加了如何采取路途中的污染防护措施的内容。而在实际教学中，针对学生提出一些比较新异的取样，比如远程的网吧鼠标取样，还需要实时的与学生探讨取样的代表性，以及获得样本时如何既符合教材中要求的无菌操作原理，又能方便的携带器材的问题。

其三，设计内容比较重的实验，如果新增知识点较为复杂，不是单个实验花费一个学时左右的时间可以比较熟练的掌握的，则应该安排在知识基本学完的一些阶段。

【例】《酸奶发酵过程及制品的分析检测》涉及的基本知识点有：培养基的配制，器具消毒方法，牛乳中细菌的检查，乳酸菌数量的测定。因此，这类实验的设计，应该放在学习这些知识的实验后进行。

其四，对于确实教材中难以预测的学生提案中涉及的阶段外或教科书外知识点，在保证不损伤学生创新热情的基础上，教师在审查的时候，需要剔除涉及无法通过简单的课前训练能掌握的实验方法的设计。当然，如果仅仅是理论知识有少量的缺口，可以通过提前指导学生进行课外资料检索并自学的方法来弥补教材知识点的欠缺。为了保证基础知识的准备，在教学安排上，涉及知识面广的大型设计实验，应该分为三个阶段来进行：即，学生草案提出及教师初审阶段，学生在教师指导下进行非教材知识检索自学阶段，学生完善设计方案并正式实验阶段。

二、设计的特征与要求

传统教学对于实验往往规定过死，实验步骤形同按方抓药，学生机械的按老师规定的方法内容来进行实验结果的验证，因此传统实验教学中，验证而非创新是主流，学生对于重复没有自己思维内容的实验也确实具有比较大的厌倦性。在实验教学改革中，提倡以创新思维为特色的学生自主设计自主实验是改革的一个重点，也是激发学生学习实验技能的一个良好方法。但是，自主实验并非学生自由实验，而是在一定方向上，引导学生按照正确的道路，自主发展其创新思维。由此可见，在教学改革中，除了在一定方向上，开放实验内容的设计外，更应该引导学生明确适宜的设计理念。我们在教学中，是把一个微生物设计性实验类比成一个小型的科研项目，因此，参考正式生物工程类科研项目的特点，以优秀的小型项目申请书为蓝本，引导学生分析其设计特点，使学生的实验设计与学科未来的研究特点有机的结合起来，从而达到逐步培养学生学科研究素养的目的。这在以前教学中尚比较少应用，学生对这类教学内容非常感兴趣，收到了良好的教学效果。

当然，在按照正式科研实验来组织规范设计的同时，也应该重视学生实验与普通科研实验相比，有明显的不同特征：

有明确的时间范围限制：与普通科研实验不同，学生实验有明确的学时限制。因此在实践中，有些明显需要超过太多学时才能完成的设计，显然不能同注重创新内容，而不局限单独实验的具体时间的科研项目相比。

【例】《酸奶发酵过程及制品的分析检测》中，跟踪一周内室内温度和冰箱内酸奶制品的质量变化，即使只计算测定时间，需要的学时数也大大超过了12学时的课程规定时间。对于这样的实验，在冬季室内温度较低的情况下，简单的缩短时间在一两天内，实验数据难以体现差异。所以变室温为采用培养箱内培养温度30度左右（模拟夏季温度）与冰箱内储存，就比较容易在限定的时间内，体现出不同温度对于酸奶制品的保质效果。

同时，在教学组织方面，虽然总体上只限制具体的实验时间，但是教学中应该注意时间的分层次合理应用，做到开放与有序的结合。

有非常显著的实验经费与仪器条件约束：如果设计中出现非课程基础药品范围的药品、菌种，以及非实验室具备的仪器条件，不象科研实验那样可以通过临时添置或异地检测来达到目的。因此，需要在教材中，或教学过程中提供实验常规药品、具备的菌种和仪器清单给予学生，限定实验设计中不能采用条件范围外的实验手段。

有较高的安全性要求：由于学生实验并非职业要求，学生本身专业技能的熟悉程度也不能和专业人员相比，因此，对于一些有危险的微生物采样或检测设计，需要慎重评估其设计方案的可行程度，避免对学生安全的危害。

总的来说，对于这类由于实验课程本身的限制性，而不是设计基本理念的不合理性造成的设计问题，应该小心的保护学生的创新思维。在教学中不能简单的叫学生重新设计，而应该分析学生的创新思路的前提下，与学生共同探讨在限制条件范围内实现可行性设计的途径。当然，这需要实验教的教师不仅仅熟悉教学的内容，对于涉及学科领域的一些综合实验技能有比较好的掌握，能比较好的预测学生设计的非教材内容的各种需要条件。显然，实验教学改革不但对学生是个挑战，对于实验教学人员的素质也提出了更高要求。

三、设计目的与应用价值

虽然在实验大方向下，应该尽量的发挥学生自主实验的特点，在学科理念基本合理的前提下，不要过多干涉看起来类似奇思怪想的设计。但是，创新应该是有目的的创新，设计应该是有目的的设计。这个目的，可以认为是设计出的实验，其最后结果，在某一方面从理论或应用上具备有一定的参考价值。由于学生在实验教学前，大多未参与过正式的学科研究，因此对于设计的目的与应用价值的考虑，往往成为其设计中最薄弱的一个环节。具体表现在这样几个方面：

设计内容属于关联度不大的实验拼凑：由于设计性实验，要求学生不能简单的验证某个实验内容，需要包含一定的研究性和创新性，因此，最简单的设计思维方式，就是罗列几个实验内容，而不太注意其中的合理联系。

【例】在《环境微生物的检测》实验中，将人体微生物采样和其他环境微生物采样进行简单的叠加，在每一界的实验教学过程中，均会出现类似比较人脸部微生物与地面或楼梯把手上微生物数量这样明显缺乏实验结果参考价值的设计方案。这类实验方案的处理方法，应该是指导学生理解对照实验与数据结果的应用价值上入手。例如，可以保留人体微生物采集的思路，转而比较洗涤方式或洗涤前后微生物数量的变化。

多人设计目的的撞车：由于学生对于研究领域不熟悉，同时，长期拘泥于呆板的你教我学的方式，创新思维僵化程度非常高。因此容易出现比较严重的简单设计目的的思路重合，或者简单照抄范例的思路。

对于重复性设计，原则上不提倡，其解决的方法可以尝试这样的途径：首先，在实验教学中，或在教材中，应该在不同实验中不断强化其学科研究知识，提供最新科研信息，并有意识的分析一定数量的科研文章的设计思路。从而使学生逐步熟悉现代微生物学研究的特点，从模仿逐步过度到比较完全的自主创新。其次，对于确实重复的提案，在启发学生挖掘研究内涵的基础上，指导重复组共同增加实验内容，互相提供实验数据的共享。这样既避免完全否定，伤害学生的创新积极性，同时也避免简单的让部分学生保留方案，伤害了其他组学生的自尊心。

四、讨论

生物工程实验教学改革中增加的设计性实验，对于教材和教学法都提出了更高的要求，保留原教材中合理的方面，尤其是重视保证基础实验技能的学习的基础上，应该根据学生的自主设计的可能范围，提供比较有选择性的学习内容，为其创新思维的飞翔提供有力的知识护航。同时，利用多种手段既要逐步培养学生掌握本学科领域研究中的实验设计思维模式，也要非常重视实验教学与实际科研的区别，从而在素质培养中，实现教学与科研的良性结合。

注释：

①王伟等.微生物学实验必须建设以技术学为中心的独立课程体系[J]. 中山大学学报论丛,2001,21(5).54-55

②吴克等.生物工程专业学生创新能力培养模式探索[J].合肥联合大学学报,2001,11(2).86-89

③刘树青等. 促进微生物实验技术创新水平的改革初探[J]. 微生物学通报,2004,31(5).127-129

④蔡婀娜、李夏兰、陈宏文.生物工程专业实验课教改探讨[J].高等理科教育,2000,(4):72-74

⑤吴克等.生物工程专业学生创新能力培养模式探索[J].合肥联合大学学报,2001,11(2).86-89

⑥李苹、杨一平、秦建，微生物实验教学中心综合性实验的教学法研究[J].《实验技术与管理》，2006，7（21），71-75

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