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中图分类号:G642 文献标识码:A DOI 编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2014.11.024
随着我国农业的快速发展,我国的种子产业已发展成为农业生产领域的重要部分。社会对种子科技提出了更新、更高的要求,迫切需要大量的种子科技专门人才。为适应农业发展和种子产业化工程对种子科学专门人才的需求,自2002年以来,许多高等农业院校新增设了种子科学与工程专业[1],天津农学院也于2005年开始招收种子科学与工程专业学生。为了适应快速发展的种子产业需要,培养一大批懂技术、懂管理、懂经营的复合型人才,我们注重课程改革和实践教学的建设,进一步加强学生的动手能力和综合素质的培养。《种子专业综合实验》是该专业的重要专业课之一,对培养学生实践创新能力具有重要的作用。为适应沿海都市型农业院校的发展需求[2-3],进一步培养学生的实验及创新能力,我们结合专业特点对种子专业综合实验的教学内容、教学方法和考核方式等方面进行了初步研究和探索,取得了一些经验和良好的效果。
1 以适应现代种业发展要求为指导思想,构建课程内容体系
理论课和实验课同等重要,两者紧密联系,相辅相成[4]。以往的教学过程中,理论教学和实验教学结合在一起,共同组成一门课程,且实验课程所占的学时数较少,这对提高学生的动手能力,培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力产生了一定的负面影响[5],为了解决这些问题,我们通过调查研究,借鉴兄弟高校的先进教学经验,结合自身的实际情况,最终开设了《种子专业综合实验》这门综合性的实验课程。本课程独立设课,共30学时,1.5个学分,单独考核。本课程综合了种子专业基础课和专业课的许多内容,涉及知识面广,包括种子生理指标测定、种子检验和加工贮藏的许多综合性的实验,一共包括13个实验项目(表1)。
实验内容的设置结合了都市型现代农业的发展和都市型高等农业教育的特点,针对天津市在设施农业方面的优势,加大蔬菜、花卉种子相关实验内容的开设,以现代教学理念为指导,结合生产实际,培养学生的创新能力和综合素质。实验内容包括了必要的“验证性”、“操作性”实验,增加综合性和设计性实验的内容,尽可能地涵盖种子学、种子检验、种子加工与贮藏等实验技术,例如增加“种子加工设备的操作”、“田间检验”等综合性实验和“蔬菜种子必检项目的测定”设计性实验,进一步培养学生的创新素质和独立开展实验研究的能力。同时,为了适应种子专业发展的需求,紧跟现代种业发展的步伐,提高学生的综合素质和动手操作能力,我们对院内部主编教材《种子专业综合实验指导书》的内容进行进一步地更新和完善,包括增加一些新的前沿性的实验内容,对已有实验的内容和图表进行修订和完善等。
2 以培养学生的实际应用能力为主线,改革实验教学形式,提高教学效果
2.1 制作多媒体实验教学课件,丰富实验教学内容
传统的板书实验教学模式很难解决一些验证性和操作型实验的抽象性,学生也很难真正地掌握实验的原理和具体的操作内容,达不到预期的实验效果。制作集文字、图形、音频和视频等多种媒体信息于一体的实验教学课件,通过动画演示实验原理、操作过程及实验结果的甄别,使学生对实验内容有了更形象、直观地了解和掌握,教学效果大大地提高[6]。例如,种子形态构造特征和种子形成发育的全过程可以通过图像和动画效果展示给学生,使得这些抽象的东西更加便于理解,学生在实验过程中可以对自己疑点比较多的内容进行重点的观察和学习;在“种子加工设备的操作”这个实验过程中,先通过观看清晰的图片和视频,把各个设备的基本构成和简单的操作流程给同学们进行讲授,再到车间进行现场操作,这样学生可以得心应手地操作各个设备,真正提高学生的动手操作能力。
2.2 注重参与式实践教学,对实验过程进行改革
改变传统的实验教学方式,让学生参与到实验课的全过程中来,从实验材料准备、药品配制、仪器的调试到实验的具体操作再到实验结果的分析和讨论。每次实验课前有计划地安排几个学生组成一个团队,让他们参与实验材料的准备、药品的配制及预备实验的操作[7],实验课中学生就可以充当实验辅导老师的角色跟其他同学共同完成实验内容,探讨实验结果。这样可以培养学生独立思考问题和团队协作的能力,提高学生动手操作能力和管理协调能力,加深对理论知识的理解,提高实验课的教学质量。
2.3 结合生产进行实践教学
充分利用周边先进种子经营单位和科研院所进行实验教学工作,着重强化种子生产技能的实践,培养学生从事种子生产工作中所必需的各种技能和能力[8]。例如,在学校附近的天津市津丰种业进行种子加工、清选分级、包衣、计量包装及种子贮藏等实验教学;在天津市蔬菜研究所进行“蔬菜种子必检项目测定”中种子纯度的田间检验实验的教学,让学生更加直观地去根据不同品种蔬菜在田间种植的各种农艺性状的差异来进行种子纯度的测定,这种教学方法可以开阔学生的思路,丰富实践经验,进一步巩固和应用所学的知识。
2.4 将种子专业综合实验教学与学生科技创新活动、毕业论文和教师科研有机结合
实验教学与学生的科技创新活动、科研活动和毕业论文有机结合。为了建立研究性、探究性和协作性有机结合的学习氛围,天津农学院设立了各种类型的科技创新基金,如大学生科技创新大赛、大学生创业大赛等。天津市也设立了市大学生挑战杯大赛,指导学生结合种子专业综合实验学习的内容,查阅文献,进行选题申请,开展课外科研活动,通过这些活动来加强学生的实践动手能力、团队协作能力和科技创新能力。同时将本科生的毕业论文工作与实验教学链接起来,注重一些基础实验技能的培养;实验教学要充分利用教师的科研课题和经费,注重对本专业学生毕业论文的后续指导,使种子专业综合实验的教学真正达到学以致用的目的。
3 改革实验考核方法,完善实验评分标准
建立完善的实验考核制度,督促学生认真做好每个实验。我们根据多年的实验教学经验,结合其他高校的成绩评定标准,将种子专业综合实验成绩分为平时考核(60%)和期末考核(40%),平时考核主要针对学生预习报告、实验态度、实验操作规范程度、实验结果和实验报告五个方面进行考核[9]。预习报告主要考查学生对实验的预习情况;实验态度和操作主要考查学生的学习态度和动手能力;实验结果主要考查学生实验课上所测得结果是否准确,是否符合基本的实验要求;实验报告考查学生的实验总结能力,重点考查学生观察问题和分析问题的能力,报告中要说明本实验的注意事项及影响本实验的因素等。期末考核主要对学生的实验操作技能进行考核[10],考核采用抽签或教师随机安排的形式让学生独立进行实验操作,教师根据学生的操作规范程度、实验结果分析是否合理逐项评分。这种考核方式可以客观地反映学生对实验技能和知识的掌握情况,激发学生学习的兴趣,带动学生学习的积极性。
4 结 语
总之,笔者在课程体系、教学形式和内容、教学方法和手段、实验考核方式等方面做了一些初步探索,这些对种子专业综合实验教学效果的提高起到了非常重要的作用,同时也极大调动了学生做实验的热情,提高了学生的创新能力、观察分析问题能力。今后将继续不断改革和完善实验教学模式,提高实验教学效果,培养具有沿海都市型的应用型种业复合人才。
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中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2014)04(b)-0015-02
种子是农业生产中最基本的生产资料,种子质量的高低直接影响农作物的产量和品质。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006―2020年)》中明确指出研究种子综合加工技术是提高种子质量的重要内容。种子加工是实现种子商品化、标准化及科技附加值的重要手段,是促进农业增产的有效措施,是种子产业发展过程的重要组成部分。大量事实表明种子质量就是企业的生命,加强种子加工应用型人才培养,逐步建立起一支高水平、高素质的种子加工技术队伍已成为不可阻挡的趋势。
课程作为学生学习知识、提高能力、培养素质的主要载体在应用型特色人才培养体系构建中发挥重要作用。种子加工虽为种子科学与工程本科专业的一门骨干课程,但在课程体系中所占比例还较少,存在内容滞后、重复、前沿理论和最新发展介绍较少等问题。此外,教学内容反映学科交叉与融合性不强、应用实践内容不足,不利于学生应用创新能力的培养。对此,近年来,青岛农业大学种子科学与工程专业本着开阔学生视野,注重学生应用能力培养的原则,关联扩展,联系生产,群内互补,资源共享,对种子加工课程进行改革建设,建立一个互动、开放、积极、科学和高效率的教学机制,整合教学资源,最大限度地满足教学需要,促进教学改革,提高教学效果,在学生意识养成、知识获取、应用能力培养等方面发挥了积极作用。
1 优化课程体系,构建富有应用型人才培养特色的课程知识结构
种子加工是指从收获到播种前对种子所采取的各种处理,包括种子干燥、清选分级、包衣包装等系列工序,以达到提高种子质量,保证种子安全贮藏,促进田间成苗及满足高产的要求。根据应用型特色种业人才培养目标,优化种子加工课程体系,强化实践教学环节,制订大学生能力培养路线,完善知识结构,加大学生动手能力和应用实践能力的培养。
(1)围绕种子加工课程核心,将种子生产学、种子生物学、农业机械学等相关内容进行有效结合,建立内容紧凑、逻辑关系紧密、学时分配合理的种子加工课程体系;(2)适当压缩与其他课程重复的知识内容,增加种子加工先进工艺和设备等的介绍,如,玉米果穗一次烘干工艺。使学生了解种子加工方面的新成就及发展趋势;(3)通过以下四个方面构建课程知识结构,使学生获得清晰的学习思路。首先,了解种子产业发展现状和种子生产加工概况、以及与相关学科的联系;其次,在理解和掌握种子加工基本原理的基础上,对主要农作物种子加工工艺流程及主要加工设备有较全面的认识;再次,了解现代化种子加工工厂、国内外先进的种子加工工艺技术等情况;最后,通过种子加工实践,培养学生综合应用能力。此外,在学时允许情况下,增加种子加工专题讲座,邀请校内外专家学者给学生介绍最新的种子加工研究成果,进而拓宽了学生视野,提高了学生的学习兴趣。
2 加强学科知识交叉,丰富和发展种子加工课程教学内容
为满足当今种业的发展需求及实现青岛农业大学“名校工程”对应用型特色人才培养目标的要求,需对种子加工课程内容进行相关知识更新和补充。主要措施包括:(1)在使用原有教材基础上,如:《种子加工与贮藏》(2008年版,孙群主编,高等教育出版社)、《种子贮藏加工》(2001年版,胡晋主编,中国农业大学出版社),结合使用种子行业培训教材和国外相关教材,如:《种子加工原理与技术》(2009年版,马志强、马继光主编,中国农业出版社)、《Seeds Handbook: Processing And Storage》(2004年版,Desai B.B.主编, Taylor & Francis);(2)加强与其他专业学科相关教材知识的交叉融合,如:《农业机械学》(2003年版,李宝筏主编,中国农业出版社),并引入国内外种子加工方面的最新文献资料;(3)参考《国家农作物种子生产加工操作规程》《国际种子检验规程》《农作物种子检验规程GB/T3543-1995》以及不同加工设备使用说明书等,编写种子加工操作手册;(4)利用去种子企业、生产基地、管理部门调研的机会,收集教学案例,拍摄和制作大量与教学内容相关的图片和视频,以补充更新现有教学内容中案例、图片和视频的不足,并在原有课件基础上重新制作成集文字、图片和视频为一体的高质量课件。通过上述途径有效整合、丰富、发展了种子加工课程的教学内容,为应用型特色人才培养奠定了基础。
3 积极探索多元化教学模式,不断完善教学方法和手段
传统课程教学多为按照课本知识内容进行逐章讲解,这在一定程度上做到了让学生掌握其基本技术原理,但缺少对学生个性需求的关注,如,种子加工实验课,学生依葫芦化瓢按照教师事先编制的实验内容、步骤被动完成,实验报告基本一致,不利于学生应用创新能力培养。故对种子加工课程教学方法手段改革,积极探索多元化教学模式,至关重要。
(1)把学生作为课堂的主体,教师作为主导,采用启发式、互动式、引导式的教学方法。结合种子加工生产实际,提高案例教学比重,通过案例讲解,详细分析种子加工处理中的关键问题和技术要点,并结合课堂讨论,激发学生学习积极性,使学生从被动学习转为主动思考,培养学生发现、分析和解决问题的知识应用能力。
(2)采用多媒体等现代教学手段,可集中学生注意力,激发学生学习兴趣,提高学生学习效率和综合能力,对提高教学质量具有重要作用。种子加工课程是一门与生产实际紧密联系的课程,许多内容很难用文字阐述清楚,如:种子清选分级。通过播放种子加工视频则可使学生很容易对知识从理性认识向感性认识转变,潜移默化地提高了学生知识应用能力,为实训中参观实践工作顺利开展奠定基础。
(3)建立种子加工课程校内网络资源共享平台,培养学生自主学习能力。由于种子加工课程内容较多,很难利用上课时间对相关知识点进行深入介绍和扩充。利用学校数字化资源中心,建立种子加工课程版块(包括课程介绍、教学大纲、教案、教学录像、课件、参考文献、学习资源、习题与实践、交流互动以及链接与种子加工相关的网址),可让学生不受时间限制,了解更多的种子加工方面的研究动态和最新成果,同时也有利于师生、生生通过平台进行学术讨论和交流。
(4)注重学生应用能力考核,有效评价实施效果。学生课程考核方式和要求是种子加工课程改革的重要内容之一。课堂阶段考评包括课堂讨论(反映学生自主学习、协作和知识应用能力)、课程考试(反映学生对课程基本及重要知识掌握情况)和课程论文(反映学生查阅文献、思考分析和创新应用能力)三个部分。实践阶段考评包括实践报告撰写(反映学生知识应用情况等)、操作规范程度(反映学生动手情况等)和校内外指导教师评价(反映学生的学习状态等)三个部分。通过以上部分进行综合考评,极大促进了学生的学习积极性,提高了学生的综合应用素质。
4 充分利用校内资源,挖掘社会资源,构建应用型特色种业人才培养实践教学平台
为了深化学校、科研院所和企业的合作,实现应用型特色人才培养方式的多元化,建立“共同育人、过程共管、责任共担、利益共享、互惠双赢”的合作人才培养模式。结合我校种子加工课程实践教学特点,在实践环节上应坚持点面结合、抓点带面,充分利用好校内资源,挖掘社会资源,把实践基地建设作为本科生实践应用能力培养的基础性环节。
(1)加强学科交叉、充分利用校内资源。当代种子加工科学技术的迅速发展越来越依赖于不同学科之间的交叉融合,学科交叉融合是科学技术发展的必然趋势。种子加工课程内容本身就具有多学科知识领域的横跨性、交叉性、互渗性。以青岛农大为例,课程涉及到的种子加工机械相关部分与机电工程学院、国际田间试验机械化协会(简称IAMFE,现总部在青岛农业大学)合作教学。此外,充分利用好校内实践实训基地(如我校的胶州农业示范园、莱阳实验站等)为学生提供了良好的实践条件。
(2)加强校企合作,挖掘社会资源。积极与校外种子企业、科研院所共同建立了良好的加工实践平台。目前我校先后与金海种业、登海种业、山东省农科院、中国农业科学院烟草所等10余个全国著名大型农业企业和科研机构建立了种子加工教学实践基地,具有“长期化、多样化、专业化、示范化”的特点,强化了本科生实践技能的培养。同时为今后学生就业提供了良好的选择机会。
(3)积极申报加工中心建设相关科研项目。依托学校积极申报市、省、部国家种子加工工程技术中心等项目,通过新建相关科研机构,行使机构职能和功能(如:种子加工技术示范、培训服务、种子加工设备研发等),为学生提供良好的科研实践平台。此外,积极申报种子加工相关课题,通过学生参与课题项目研究,对全面培养学生知识应用能力、提高综合应用素质具有重要意义。
5 结语
以服务现代种业发展为宗旨,以适应种业产业结构调整和种业产业化发展对种子科学与工程专业人才的需求,以培养高素质、应用型专门人才为目标,青岛农业大学种子科学与工程专业从课程体系、教学内容、教学手段和方法、实践平台构建等方面积极探索种子加工课程改革与实践。科学地体现种子加工课程的基础性、宽广性和系统性,拓展了课程的深度和广度,并强调了课程的研究性、实践性、先进性和前沿性。目前效果初显,充分调动了学生的学习主动性和自觉性,激发了学生的应用创新意识,培养了学生发现问题、解决问题的能力,提高了学生的综合应用素质。但目前该课程还正处于改革建设阶段,在今后的教学过程中,我们将继续探索完善课程改革,根据现代种业对应用型特色人才的要求,及时调整教学体系和教学内容,不断更新知识,更好地向社会和种业输送应用型特色优秀人才。
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H034 作物学报
中图分类号:G642.0 文献标识码:B
文章编号:1671-489X(2016)10-0130-02
1 前言
生物工程是一门新兴的综合性应用学科,是以生物学的理论和技术为基础,结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术,充分运用分子生物学的最新成就,定向地改造生物或其功能,创造出具有超远缘性状的新物种,再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养,以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的新兴技术,包括发酵工程、酶与蛋白质工程、细胞工程、基因工程四大工程。生物工程理论和技术突飞猛进地发展,在农业、食品、医药、化工、环境等行业的应用也越来越广泛。
生物工程也是一门实验性和应用性很强的学科,以培养应用型人才为主,要求学生除了掌握基础的生物工程实验方法外,还要具有整体实验的综合安排能力[1]。实验教学环节不仅是培养学生综合素质的重要方面,也是培养学生动手能力和创新能力的重要环节,在实验中加深学生对理论知识的认识和理解。目前,许多高校生物工程专业实验大多是依附于各门理论课,而且实验内容相对分散,以验证性实验为主,学生在教师的指导下按照规定内容完成实验,处在被动学习地位,抑制了学习的积极性和主动性,影响生物工程专业实验的教学效果[2]。因此,笔者对河南中医药大学药学院生物工程专业学生(2013级)的生物工程综合实验课程进行了一些改革和探索。
2 开展生物工程综合性大实验
制定生物工程实验课程教学大纲 根据本专业人才培养定位和实验开展情况,参考兄弟院校生物工程专业实验的开展项目内容,组织教师制定了详细的实验大纲,通过了教务处组织的实验项目论证,同时组织学科教师编写了《生物工程专业实验》教材。制定教学大纲遵循的原则包括:减少重复性实验,体现专业实验的整体性、连贯性;减少验证性、演示性实验,多开设设计性、综合性实验。
在课程安排上,生物工程实验开设在大三第二学期。在前5个学期,学生已经学习过生物工程基础课和专业课,包括细胞生物学、生物化学、工业微生物、分子生物学、基因工程、细胞工程和蛋白质工程等课程,所以在实验项目设置上,避免开设与细胞生物学、分子生物学、基因工程等课程重复的实验,注重综合性实验的连续性。最终确定的生物工程实验教学大纲包括10个小的实验单元:1)碱裂解法小量制备质粒DNA;2)DNA琼脂糖凝胶电泳;3)聚合酶链式反应(PCR);4)DNA的限制性酶切及纯化;5)质粒载体与外源DN段的链接;6)连接产物转化大肠杆菌;7)抗生素平板筛选重组转化子;8)原核表达载体的诱导表达和检测;9)大肠杆菌发酵培养及表达产物的纯化;10)纯化蛋白的细胞学活性检测。
开展综合性实验 在传统的实验教学中,以验证性实验为主,学生只要根据实验教材,按教师制定好的实验步骤,利用实验教师已经准备好的实验试剂和实验器材,在教师的指导下即可完成。这种机械式完成实验的方式,实验教学效果很差,无法引起学生的兴趣,更加难以培养学生的动手能力和操作能力。在这种情况下,制定生物工程综合性大实验。如“丹参病程相关蛋白的原核表达及纯化”,实验设计依托学科教师的科研课题“丹参病程相关蛋白基因SmPR10的克隆及功能研究”,通过对丹参病程相关蛋白(Pathogenesis-Related Protein,PR Protein)为研究对象,通过SmPR10蛋白在大肠杆菌中的原核表达、纯化以及活性检测进行实验,深入了解生物工程表达异源蛋白的原理,掌握生物工程的实验操作,巩固和检验已学的理论知识,为毕业论文和走向工作岗位打下基础。
该实验综合了分子生物学、基因工程、蛋白质工程、发酵工程、生物分离技术和生物反应器的基本知识,要求学生通过病程相关蛋白的制备了解生物工程的相关基本操作,掌握DNA重组、载体构建、微生物菌种保存与培养、目标蛋白的分离提取等专业实验技能。在综合性实验过程中,培养学生的科学思维, 提高学生综合运用所学知识解决实验中遇到的实际问题的能力。
在实验操作过程中,允许学生的实验结果不尽如人意甚至失败,但是一定要注重强调学生对自己实验过程中所得结果进行分析和解释[3],找出实验问题所在,然后修订实验方案,进行下一步实验。综合性实验有利于拓宽学生思路,培养学生整体安排实验的能力,打破过去传统的实验教学方法,改变在传统实验教学过程中由教师领着学生走的现象。
集中时间安排实验环节 因为生物实验周期长,同时生物工程综合性大实验对实验的连续性要求较高,将学校安排的每周4个实验学时改为4个学时为一个实验单元,每次完成综合性大实验的一个实验项目,而且集中在每天下午开设实验课,体现了综合性大实验的连贯性、完整性和科学性。
改革实验成绩评定办法 以往的实验课成绩完全由形成性成绩构成,主要有考勤、提问、实验报告和最终测试3部分组成。实验报告在最终实验成绩中所占比重较大。有些学生在实验过程中不认真做实验,最后为了写出好的实验报告,就会出现编撰数据甚至抄袭其他学生实验报告的不良行为。
为了体现以学生为中心的教学理念,调动学生实验的积极性,计划在以往实验课成绩评定的基础上建立新的实验成绩评定办法。平时成绩除了考勤、提问外,还重点考核学生对实验资料的收集和对实验文献的查阅情况,以及实验数据的记录、团队合作能力、实验中的操作规范、独立思考能力等。同时引入学生自评、互评和科研小论文的书写,通过每次实验结束时的总结讨论和学生自评、互评,使学生参与到实验结果和实验问题的分析与讨论,加强学生和教师之间的交流,整个生物工程综合性大实验完成后,要求学生以学术论文的形式写作科研小论文。
科研小论文的写作要求完全按照正规学术论文的写作要求。正文之前部分包括题目、作者、作者单位、摘要、关键词(3~5个);正文部分包括前言、实验方法、结果与分析、讨论4部分,要求层次分明;标题层次不得多于3层,采用1、1.1、1.1.1方式。前言部分包括研究背景、国内外研究进展和实验意义。结果与分析是对实验过程中所记录的实验数据和实验现象进行科学的处理,客观地对实验结果进行分析和描述。讨论部分则是对整个实验的分析讨论,如果得到预期的实验结果,对实验过程中的关键步骤进行分析;如果没有获得预期的实验结果,则要分析实验过程中失败的原因,找出问题所在。科研小论文最后要求列出参考文献(不得少于3篇)。
通过科研小论文的写作,锻炼学生写作科学论文的能力,为最终毕业论文的写作奠定基础。
引入先进工程设备 在以往生物工程实验室中,发酵实验都是在摇床上用不同规格的三角瓶来完成,与实际工厂生产过程相差较大。为了培养合格的应用型的生物工程专业人才,购置了6台10 L小型全自动生物发酵罐、1台30 L种子罐和1台300 L的全自动生物发酵罐,可以开展从小试到中试的发酵实验,使得发酵工程实验中的啤酒发酵实验和红霉素发酵实验如同在缩小的工厂进行,整个发酵过程的参数一目了然,使学生了解生物发酵的全过程,掌握发酵接种技术以及发酵过程中温度和pH控制、氧气的供应、添加补料、发酵液的后处理等生产工艺,学习到现酵车间的先进生产技术。
在生物工程综合性大实验开展过程中,采用先进的实验技术培养学生。如在质粒DNA提取过程中,采用试剂盒提取质粒DNA,这是国内外分子生物学实验室的主流方法(而不采用配制试剂、最后酚氯仿抽提的方法提取质粒DNA),同时给学生讲解质粒提取的原理。在PCR实验单元,采用进口的Takara所产的DNA Taq酶和dNTP试剂,让学生手动加入每样试剂,同时讲解每样试剂的作用,复习PCR的实验原理。
3 结语
通过开设生物工程综合性实验,不但巩固了学生以往所学的理论知识,也培养了学生动手操作的能力,给予学生在一个综合性实验中整理安排实验的训练,为学生走向工作岗位打下坚实的基础。生物工程专业实验教学的改革还需更多的探索和实践,改革实验课程的教学方法和教学内容,培养学生动手操作的能力、发现问题和解决问题的能力,最终培养出合格的应用型生物工程专业人才[4]。
新的生物工程综合性实验对教师也提出更高的要求,所以教师也要不断学习新知识、新技术,提高自身的知识水平和业务能力,保证实验改革的顺利进行。生物工程综合性实验改革的探索虽然取得一定的效果,但还有许多不完善的地方和需要解决的问题,如整个实验体系的设计中工科部分所占比例相对较弱,主要受限于学校、学院和学科的特点,这一部分还需要进一步加强和改进。
参考文献
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1 算法分析
设total 为报考相应专业的考生总人数,count为每个考场的人数最大考生数,rc为考场数,i为考生报名编号,设集合A为已生成的考场号和座位号的元数据集合。Ai为第i为考生的考场号和座位号的二元组。(Ai∈A)
2 数学建模
公式1:Aj=f(a,b)0
其中Aj A
Aj为第j位考生的考场号和座位号,Aj应不在已生成的考生考场号与座位号集合中。
公式2:rc=g(total, count)=total/count+1当 total mod count≠0;其中rc为考场数
公式3:b=h(count)=Random(count)+1
公式4:a=l(rc)=Random(rc)+1
3 算法描述(java语言):
3.1考场数目计算
根据公式2得到以下算法:
int room=total%count==0?total/count:total/count+1;
3.2设置已生成考号集合
int rncode=new int [total][2];
3.3设置考场随机编码
根据随机产生器得到考场编码:
Random random=new Random();//设置座位随机产生器
int coucer=0;//设置游标指针初值为0;
3.4考场号和座位号算法
根据公式1-4,采用循环为每一个考生计算并生成考场号和座位号,为生成考号提供了数据基础。
while(coucer
int r=0,c=0;
r=random.nextInt(room)+1;//随机获得考场号
c=random.nextInt(count)+1;//随机获得座位号
//判断当前考场号的当前座位是否在已生成集合中,如果在//重新生成并继续判断直到当前考场号和当前座位号不在//集合中时将其存入已生成集合。
for(int i=0;i
if(rncode[i][0]==r&&rncode[i][1]==c){
r=random.nextInt(room)+1;
c=random.nextInt(count)+1;
i=0;
}
}
rncode[coucer][0]=r;
rncode[coucer][1]=c;
coucer++;
}
4 算法总结
该算法首先采用数学建模建立随机分配考场和座位的数学模型,从而保证了算法的正确性和科学性。再结合算法分析,依据报考人数和考场最大人数为每一位考生随机生成考场号和座位号。为了保证考场号和座位号的唯一性,算法中提供了相应的控制机制来智能排除重复结果保证每一位考生获得的考场号和座位号唯一。该算法复杂度大,执行效率欠佳。
5 算法改进
5.1影响算法复杂度的主要原因
通过分析我们不难发现,上述算法的主要开销用在冲突检测上,所以改进算法的主要途径也应该放在改进检测算法上。
5.2改进方案
为了实现冲突域快速定位,我们设置一个长度为total的标志:
boolean flag =new boolean [total];
通过检测第m位是否为true 即可检测冲突。考场号和座位号可依据如下公式算得:
r=m/total//获得考场号
c=m%total//获得座位号
5.3改进算法实现
while(coucer
//生成随机种子
int m=random.nextInt(total)+1;
//判断种子是否存在,若存在则重新生成
while(flag[m]){
m=random.nextInt(total)+1;
}
flag[m]=true; //设置标志位
//根据种子生成考场和座位
int r=m/total;
int c=m%total;
rncode[coucer][0]=r;
rncode[coucer][1]=c;
//游标自加
coucer++;
}
6改进算法总结
改进算法通过对影响排座算法复杂度的主要原因进行分析,找到了大幅度降低算法复杂度的方法,使得改进后的算法在保持原有优点的基础上,执行效率大幅度提升,更符合实际应用。
本算法关键在于数学模型的建立, 结合实际考场编排问题的一些常见约束条件和优化目标,提出对该问题的一种特定的解决方案,对如何合理、完善、快速的编排考场具有重要的意义。
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高等教育如何面向21世纪培养适应新时代要求的具有创新精神的复合型人才,是目前各级教育部门所关心的重点当前正值国家实施西部大开发战略之际,生态环境建设工程是西部大开发的主战场。对此,高等农林院校肩负着重大的历史责任。科教兴国、科教兴农,新时期对高等农林院校提出了新的要求。为了培养符合时代要求的基础扎实、知识面宽、实践能力强、素质高、具有创新精神和创新能力、德智体全面发展的社会主义现代化建设的高级专门人才,各高等院校纷纷进行了教学改革。“森林培育学”课程教学改革正是在这一背景下展开的。
(一)“森林培育学”课程简介
“森林培育学”课程是高等农林院校林学、森林资源与环境等专业的主要专业课程,主要讲述造林树种的良种生产、壮苗培育、人工林营建、森林抚育的理论与技术。其内容涉及从林木种子和苗木培育、植树造林到幼林抚育、森林经营的森林培育全过程。通过该课程的学习,学生应掌握常用造林树种的良种、壮苗生产及人工林营建和抚育的基本理论与实践技能,并能独立进行苗圃规划、苗木繁殖、种子生产、种子检验、苗木质量检验、苗圃管理、造林规划、植树造林、幼林抚育、森林采伐等林业生产环节。
随着林业科学研究的发展和深入,计算机技术、生物技术、农业工程技术等已经被广泛地应用到林业生产中,各地涌现出许多新的育苗和造林技术,新技术在规模化生产中作用突出。为了更好地服务教学,丰富教学手段,反映学科新发展、新技术,丰富学生的实践经验,提高学生的实践技能,使学生了解国内外学科发展的动态,培养实用创新型林业科技人才,“森林培育学”课程教学改革势在必行。
(二)“森林培育学”教学的目标和指导思想
森林是地球陆地生态系统的主体,是人类宝贵的再生资源,担负着改善生态环境、提供木材和林副产品、提高人民生活质量等多重责任。森林培育学(Silvicult-ure)是研究森林培育理论与技术的学科,内容涵盖森林培育的基本原理、人工林培育技术、森林抚育管理技术等,不仅包含人工林营建的理论与技术,而且也涉及到天然林培育。“森林培育学”课程与植物学、土壤学、植物生理学、树木学、林木育种学、森林生态学等学科密切相关,实践性强。该课程的主要任务是在介绍森林培育学基本概念的基础上,重点讲授森林培育的理论与技术,使学生明确我国造林工作的方针,系统掌握森林培育的原理与技术,培养学生分析问题和解决问题的能力。
该课程的教学在强调理论教学、实践教学、实验教学相结合的同时,尤其要充分考虑该课程实践性强的特点,增加学生动手操作的机会,并利用计算机技术改进教学方法与手段,培养学生独立思考、理论联系实际、解决实际问题的能力。
(三)“森林培育学”教学的实施
目前,全国通用的森林培育学教材是由北京林业大学组织编写的面向21世纪课程教材《森林培育学》(沈国舫,2001年,中国林业出版社)。该教材与原来的教材《造林学》(孙时轩,1992年第二版,中国林业出版社)相比,在体系上变动较大,在内容上也有较大的修改和补充。虽然课程的总体内容还是以林木种苗生产、人工林营建、森林抚育与更新为主,但是在理论部分增加了能反映最新研究进展与成就的内容,删减了具体操作技术的细节。例如,增加了“国家林业重点工程与森林培育”的内容,补充了农林复合经营、森林立地、封山育林等内容,使该课程的教学内容能够适应现代林业发展的需要。随着本科教学改革的深入,各林业院校在“森林培育学”课程的教学计划与实施等方面略有不同,但课时数普遍压缩较多。为了确保“森林培育学”课程教学的顺利实施和提高教学效果,笔者对“森林培育学”课程的教学环节进行了总结,如图1所示。笔者认为在教学计划与教学实施中应注意以下几点:(1)在课程教学计划中,应保证先学习树木学、森林生态学课程,再学习“森林培育学”课程;(2)由于该课程中的“森林抚育采伐与更新”部分与森林经营学、森林经理学课程中的内容存在雷同,所以在开设森林经理学、森林经营学课程的院校,可将该课程中的“森林抚育采伐与更新”内容删减:(3)教学场所强调教室、实验室、实习基地、生产和科研现场相结合:(4)教学中根据学生的兴趣与爱好,成立课程兴趣小组,布置课程小论文,鼓励学生参加一些与课程内容相关的调查、科研试验,以激发学生的专业兴趣,提高实践技能。
(四)“森林培育学”课程改革的内容
1.修订教学计划
根据我校原有的教学计划,“森林培育学”课程的教学时数为70学时,课程教学实习为1周。鉴于该课程实践性强的特点,笔者建议教学时数增加到80~90学时(包括实验学时),其中理论教学60~70学时,实验14~20学时。教学实习由原来的集中实习改为分散实习,总计2~周,由任课教师根据育苗生产环节和当地实际情况灵活安排实习时间和地点,采取参观、实地调查、实际操作相结合的方式,尽量使学生多接触、多了解各个生产环节,掌握主要的技术环节。通过边上课边实习,使学生在实习中及时“消化、吸收”在课堂上学习的理论:通过理论与实践结合,使学生在实践中学到更多知识。根据该课程的教学目标,笔者认为不可忽略的几个重点实习环节是:苗圃规划、母树调查与产量调查、采种、播种育苗过程、扦插育苗过程、苗木施肥、间苗、移植、苗木截根、起苗、分级、产量统计;造林规划与设计、造林整地、立地调查、密度效应调查、农林复合经营调查与设计、混交林调查与设计、直播造林、植苗造林等。
2.丰富教学内容
随着科学技术的发展,现代林业技术已经有了长足的发展,常规技术已经在生产中普及。因此,在该课程的教学中,应增加种子休眠解除理论与技术、设施育苗理论与技术、容器育苗理论与技术、组培育苗、苗木施肥技术、植物激素在森林培育中的应用、现代林业技术动态、径流林业、生态林业、抗旱造林技术等,以丰富教学内容,适应现代林业发展的需要。另外,为了便于学生理解,在课程教学中,可以对章节安排顺序进行调整,按照林木种子和苗木培育、人工林营建、幼林抚育的序列进行讲授。
3.改进教学方法与手段
随着计算机技术的发展,我们迎来了新的历史时期——信息时代。目前计算机技术已广泛应用于各行各业的生产、科研中,也为高等教育教学方法、教学手段的改进提供了机遇。特别是近年来国内外已经编制发行了许多幼儿、中小学课程的教学多媒体光盘,计算机辅助教学取得了瞩目成绩。但是,由于大中专学校的许多课程专业性强,所以有关专业课的教学多媒体软件还不多。
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2植物内生微生物研究的基本特点
首先应该指出,国际国内植物内生微生物研究最大的特点是其范围之大、涉及微生物的种类之多样、功能之繁杂、潜力之广阔。据现行学术界通用的概念和范畴,只要是有机会在植物体内出现的微生物,几乎无所不包含在植物内生微生物的范畴之内[13-15]。这个特征决定了植物内生微生物的研究领域是广阔的,所涉及的学科除生物科学类各基础学科外,还有农学和林学类各基础学科、药物化学、医学、生物工程、食品保藏与加工等多方面的学科。因此,植物内生微生物的研究适合多领域共同协作,在视角和概念运用等方面出现多元化也是很自然的。第二,植物内生微生物基本功能是多层次的。最基本的层次是微生物本身的显。这种功能以微生物的分离物为基础、在人工培养时即得以表达,可通过人工培养以及人工发酵进行研究、挖掘和改良,我国这方面的研究报告最多[16-18]。第二层次是微生物和宿主植物形成共生体(Symbiota)所表现出来的功能。就像绝大多数产毒素的冷季型禾本科植物与其Epichloae类内生真菌的共生体那样,这种毒素的生产和积累的功能不是植物或微生物单独所具有的,或者单独能达到的强度和高度,只有通过宿主植物和内生微生物形成共生体后才体现出来[19-21]。第三层次是内生微生物/宿主植物共生体在不同环境中所表达出来的不同功能或不同程度。上述产毒Epichloae类内生真菌和其宿主植物的共生体也不是在任何时候、任何环境中都能生产和积累毒素,在某种特定的环境条件下生产毒素(多),在另外的条件下则少生产或根本不生产毒素[19,22]。植物生长环境直接介入微生物和宿主植物共生体的生物学特性的表达。这一现象十分符合植物和微生物相互作用的基本规律,可能对利用植物内生微生物的生理活性物质进行生物制药研究和开发的科研人员也会有积极的启发。第三,植物内生微生物给人类带来的影响不全是有益的,有时也会出现有害的一面。从文献的描述来看,这一点在我国目前仅在少数研究中引起了注意。黑麦草内生真菌、苇状羊茅内生真菌、疯草内生真菌等该宿主植物带来的毒素生产和积累则是最突出的例子。无论是产毒的禾本科植物内生真菌还是疯草内生真菌,已经被人们发现的这些有害事例已经给社会造成了巨大的损失[19,23]。另外,虽然没有出现鹅观草致毒的报道,但从其中的内生真菌中也检测到了一些毒素生产基因(王志伟等,未发表)。因此,我们有必要对植物内生微生物给人类带来有害影响也给以足够的关注。同样,我们固然可以期望植物内生微生物给宿主植物带来或加强抗菌作用(Antagonism)、化感作用(Allelopathy)等抑制其它生物生长和发育的功能,在植物抗病、抑制杂草等方面起到一定的正面作用。但另一方面,这些作用是否会导致区域内生物多样性的降低[24-25],产生新的生态问题?这些都需要今后去认真评价。第四,植物内生微生物的功能一部分可通过生物学/生物化学的特征表现出来,另有一部分功能必须通过生态学的方法才能加以研究和利用。新西兰在飞机场及其周边大规模种植产毒素Epichloae类内生真菌和其宿主植物共生体,以此驱避在机场聚集的鸟类(JohnCuradus,私人通信)。这是通过生态学的方法对植物内生微生物的功能加以利用的一个代表性事例。在我国,利用植物内生微生物进行植物病虫害的生物防治也是这类事例中的典型[25-27]。在这些情况下,内生微生物和其宿主植物的共生体特征的稳定表达就十分重要。一般来说,植物内生微生物作为药用微生物利用时,微生物本身相对重要一些,而作为农用资源或环境修复手段加以利用时,共生体的特征则往往更加重要。
3我植物内生微生物研究的发展和特点
进入21世纪,特别是近10年来,我国植物内生微生物的研究发展迅猛。据最保守统计,在我国发行杂志上由我国科研人员发表的植物内生微生物的论文(篇名中含有“内生菌”、“内生细菌”或“内生真菌”字样的论文)在2008年以后每年都超过200篇,2013年论文总数已逼近300(图1)。考虑篇名中没有体现出来的论文以及在国外发表的论文,我国科研人员近年来发表的植物内生微生物研究的论文大约每年可达400篇以上。研究领域也全面开花,基本形成了4大板块、24个分支的局面(表1)。至此,我国已形成了一支队伍庞大、成果丰硕的科研力量,在国际植物内生微生物研究中占有十分显要的地位。从整体趋势来看,我国植物内生微生物研究的特点可概括为“四多四少”。资源探索多、分离培养多、活性检测和生物功能研究多,基础性前期工作多;方法研究少、涉及林木少、与宿主的关联少、实际应用少。特别是以药物开发为目的的资源探索性研究报告最多,以抗菌、抗肿瘤等指标为主的药物开发指向的论文大量出现,形成了我国植物内生微生物研究中最耀眼的亮点[17,28-29]。植物内生微生物研究以生理活性检测以及活性物质探索为主要范式(Paradigm)之一,思路清晰易懂、方法简单、实施容易,是研究生训练的好材料。关注我国植物内生微生物论文数量的上升时机,也不难发现其上升趋势和研究生毕业数量的上升基本同步(图1)。从论文数量整体来看,从20世纪末开始我国科研人员在本国的科学杂志上(中国学术期刊网络出版总库收录部分,1979-2013年),植物内生微生物的研究有了飞速的发展。在21世纪的第一个10年中,我国关于植物内生微生物研究的突飞猛进,论文数量从2000年的14篇增加到2010年的257篇,翻了18.4倍(图1);研究对象也从Frankia等非共生固氮根瘤菌为主、加上几个关于红豆杉内的紫杉醇生产菌以及冷季型禾本科植物中的麦角菌类真菌等零星报道,发展到包括草本、木本、单子叶、双子叶以及蕨类等数十科近百属植物中的微生物;研究方向也增加到包括医药、农业、环境、食品等多个领域(表1)。最近几年来,植物内生微生物相关的论文数量继续增加、研究范围继续扩大,形成了我国微生物学研究中发展最快、研究人员增长和人才积累最快、研究范围扩大最快的领域。在这个领域中,显示各种生理活性、具有潜在的药物开发价值的植物内生真菌以及它们所生产的生理活性物质不断出现,具有抗病虫害活性的内生微生物菌株也大量积累,新的微生物物种被相继提出,并不断开发出重金属抗性增强、难降解化合物的分解等新的应用功能。同时,通过参与植物内生微生物研究而得到基本科学训练的年轻学者也大量进入社会,我国植物内生微生物的研究蕴含着巨大的发展潜力。但是,我国植物微生物研究发展不平衡。在我国的期刊上发表的研究报告主要集中在医药方向和农业方向,尤其是以生物医药开发为目标的药用植物内生微生物的论文数量尤为突出[17,28-29]。而在大尺度生态学中十分重要的天然林木以及草原野草中的内生微生物则报道相对较少[12,30-33]。在研究程度上也存在着“初步研究多、深入追究少”的特点。在生物活性和活性物质研究方面,分离和初步鉴定多、周密的分类鉴定少,活性菌株的初级筛选多、达到或接近可应用水平的筛选少,活性检测和物质初步提纯多、化合物纯化与鉴定少,发展到后期应用的事例则寥寥无几,有关生理活性物质生产的基因及其调控的研究则更少[17,29]。在生态学研究方面,也存在微生物的群落结构、生态分布、生活史研究、培养条件的优化等都比较少的倾向[33-36]。此外,微生物的分离技术、培养技术、微生物的消除技术、接种技术等开发还相对薄弱。考虑这些内生微生物的农业应用,能将植物内生微生物进行工具化的上述操作技术也有待于今后进一步开发。因此,我国的植物内生微生物研究的质量进一步提高、应用面继续扩大、实用性大幅度增加的空间依然很大。
4我植物内生微生物研究的成
4.1医药指向的研究
1993年,Strobel等发表了关于红豆杉内生真菌合成紫杉醇这一发现,在国际上形成了药用植物内生微生物开发的范式。受此范式影响,我国医药指向的植物内生微生物研究以药用植物为材料居多,尤以红豆杉类植物、红树类植物、鬼臼类植物、石斛等兰科植物以及银杏等植物较为常见。红豆杉属(Taxus)植物主要有短叶红豆杉(Taxusbrevifolia)、红豆杉(T.wallachiana)、南方红豆杉(T.chinensisvar.mairei)、云南红豆杉(T.yunnanensis)、东北红豆杉(T.suspidata)等,我国微生物学工作者从中分离得到了紫杉霉属(Taxomyces)、镰孢霉属(Fusarium)、链格孢属(Alternaria)、拟盘多毛孢属(Pestalotiopsis)、曲霉属(Aspergillus)等植物内生真菌和内生细菌。从这些微生物中又分别检测到了抗肿瘤、抗氧化、抗动物病原物、抗病原媒介物、抑制特定酶活性等生物活性,分离到了生物碱类、苯丙素、萜类、醌类、脂类、酮类、酚类、有机酸类、甾体类等活性化合物及其衍生物,其中关于紫杉醇生产的研究报告最多[17,28-29,37-38]。常用的红树类植物主要包括生长在包括港澳地区在内的华南沿海的红海榄(Rhizophorastylosa)、秋茄(Kandeliacandel)、木榄(Bruguieragymnorrhiza)、桐花树(Aegicerascorniculatum)、白骨壤(Auicenniamarina)、海漆(Excoecariaagallocha)等。我国微生物学工作者从中分离得到了链格孢属(Alternaria)、曲霉属(Aspergillus)、芽枝霉属(Cladosporium)、镰孢霉属(Fusarium)、拟青霉属(Paecelomyces)、拟盘多毛孢属(Pestalotiopsis)、青霉(Penicillium)、茎点霉(Phoma)、叶点霉(Phyllosticta)、木霉(Trichoderma)、芽孢杆菌属(Bacillus)等植物内生真菌和内生细菌[39-41]。从这些微生物中又分别检测到了抗菌、抗肿瘤、抗氧化等活性,分离到了肽类、多糖类、尿囊素、异香豆素等活性化合物[37,40-42]。小柴科的桃儿七(Sinopodophyllumhexandrum)、八角莲(Dysasmaversipellis)、南方山荷叶(Diphylleiasinensia)等鬼臼类(Podophylloideae)植物内生微生物中有些菌株能合成具有抗肿瘤活性的鬼臼毒素(Podophyllotoxin);银杏(Ginkgobiloba)的内生微生物中有些具有明显的抗氧化作用;夹竹桃科的长春花(Catharanthusroseus)的内生微生物中,镰孢霉属(Fusarium)真菌等有些能合成具有明显的抗癌作用的长春新碱(Vincristine);天麻(Gastrodiaelata)、石斛类植物(Dendrobiumspp.)等兰科(Orchidaceae)植物中的密环菌属(Armillaria)、角担菌属(Ceratobasidium)、皮伞菌属(Marasmius)、镰孢霉属(Fusarium)、丝核菌属(Rhizoctonia)等内生真菌也生产多种生理活性物质,获得了高度的关注[17,29,37]。关于药用植物的内生微生物及其药物指向的生理活性物质的研究在我国如火如荼,从各个角度总结出来的综述也层出不穷[9,37,43-44],在此不一一赘述。但是王剑文,谭仁祥等提出的利用内生菌寡糖诱导黄花蒿(Artemisiaannua)发根(Hairyroot)合成青蒿素(Artemisinin)的研究提示了植物内生微生物利用的一个新方向[45],提示了植物内生微生物的作用并非一定要以微生物为主的思路,唤起我们对内生菌和宿主两者的相互作用的关注,值得借鉴。
(一)对实践教学重视程度不够
多年来,在“以理论教学为主,实践教学为辅,实践教学是理论教学的一个环节、一个补充”等思想观念的指导下,高师一直存在着“重理论、轻实践”的倾向,课程结构不合理,实践课时少,并且实践类课程都为考查课程,教师和学生不重视,时间安排随意,实践技能没有得到有效的培养和训练,在一定程度上造成学生动手能力不强,缺乏创新意识。
(二)实践教学内容更新太慢
实践教学的突出特征就是要求学生在动手实践的过程中学习知识、形成技能、培养创新能力。然而就目前情况而言,我们没有完整的实验教学体系,没有适合不同层次学生用的教材,使用的教材多为统一版本,存在着教学内容相对陈旧,教学形式单一等问题,无法充分调动学生的主观能动性,很难达到提高分析问题、解决问题能力的目的。
(三)实践教学师资队伍建设相对滞后
教师的素质是提高实践教学质量保障的核心。当前我国高校的师资来源主要是高等院校毕业生,他们尽管学历较高,但缺乏与所教学科相对应的系统的实践和技术,对工作的流程规范不够了解,动手能力不强,实践能力和水平不能满足实践教学的需要。实践教学专职教师数量不足,有实践经验的教师严重缺乏,尤其缺乏具备“双师型”素质的实践教学师资。
(四)实践教学考核体系不规范
长期以来,理论教学有严格的考核评价体系,而实践教学没有建立规范的考核办法和考核标准,更谈不上制定相应的激励机制,不利于学生实践能力的培养[2]。科学、规范实践教学考核体系是提高实践教学效果的重要前提。
(五)实践基地建设不完善
众所周知,我国高校不同程度地存在着经费投入不足的问题,使相当数量的实验室设施落后。同时很多高校没有建立足够的、相对稳定的校内外实习基地,即使已经建立的校外实习基地,由于缺乏重视和管理,大多数也是名存实亡,种种原因,制约了实践教学的发展。
二实践教学体系的构建与实践
(一)实践教学体系框架
高师生物科学专业实践教学体系是以技能训练为核心,依托黑龙江省生物实验教学示范中心、实习基地和网络教学“三个平台”,对学生专业技能、职业技能、综合技能“三种技能”实施项目化训练,建立相应的技能考核和质量监控“两个体系”,做到分项训练、递进提高,四年不断线。
(二)实践教学体系内容构成
1专业技能训练
依托黑龙江省生物实验教学示范中心,实验课堂教学采用“三层次”,第一层次基础性实验,以基本技能训练为主体,如植物种子结构,培养基配制,氨基酸的纸层析等;第二层次综合性实验,重点涉及综合性、实践应用性较强及知识面较广的实验,如植物种子萌发,植物组织培养,酵母RNA的分离纯化及含量测定等;第三层次探究性(创新性)实验,如植物组织培养中激素含量的探究,从中草药中提取多糖的优化工艺研究等,学生根据所学知识和查阅相关文献自行设计实验项目;同时,注重教学内容的先进性,前瞻性,积极引入先进技术和教学方法,拓展实验内容并与生活实际紧密结合。实践证明,“三层次”的实验教学符合学生认知规律,有利于激发学生学习兴趣、提高动手能力和创新意识。
2职业技能训练
高师学生的职业技能训练就是培养教育实践能力,这种能力是教师素质的重要组成部分,是学生未来从事教师教育工作必备的职业能力[3],依托实习基地和教学平台,实行校内实训“三结合”,校外实践“三位一体”,强调全面、全程、全员,使学生的教学设计、课堂教学、说课、口语表达等教学技能明显提高。
(1)校内实训“三结合”
按照《高等师范学校学生的教师基本技能训练大纲》要求和岗位需要,将教师基本技能细化为十大类:包括普通话技能、口语表达技能、书写及书面表达技能、教学设计技能、现代教育技术技能、课堂教学实施技能、组织和指导综合活动技能、教学研究技能和班主任工作技能。十大类教师基本技能训练制订了具体的实施方案,确保每个技能都能得到有效训练。训练采用“三结合”的方式进行。
一是教师教育类课程与实践实训相结合。在生物教学论授课中,采用“案例分析+实践演练+精评+反馈提高”的教学模式,对于有些实践性强的章节内容(如课堂教学技能、说课等),采用“分段式”教学,教师讲授占1/3学时,学生模拟课堂教学占1/3学时,自我评价、同学评价及教师评价占1/3学时,通过课程与实践实训相结合的方式,让学生从中受益,提高学生的教学技能。
二是学生互训与教师验收相结合。利用微格教室对教师基本技能进行项目化训练,要求以小组为单位,自我训练、自我管理,相互学习,共同提高。采用过程性评价与终结性评价相结合,编制微格教学技能训练评价表、说课及课堂教学的评价标准及现场评价表等,实行目标管理、分阶段考核、对学生各项技能进行逐项验收,取得了良好的效果。
三是目标引领与任务驱动相结合。进一步细化和明确每一技能或训练项目的标准和具体要求,让学生充分了解训练项目的内容,使其成为自己的学习目标,成为自主训练、自主学习的动力。教师技能训练的任务细化到每个学期、每个指导教师、每个学生,并加强考核,使每个同学达到标准。
教师职业技能训练强调全面、全程、全员贯穿四年的本科学习,而且训练分年级、有针对性、侧重有序地进行,在训练期间开辟出一些固定的空间,如教学楼的走廊、教室的墙壁等,用小黑板或手抄报等形式展示学生的课业成果。在此基础上,定期举办讲演比赛、朗读比赛、板书比赛、钢笔字比赛、课件制作等丰富多彩为学生所喜爱的一系列竞赛活动,在学生中形成了努力练好自身基本功的良好氛围,学生的基本技能有了长足的进步。
(2)校外实践“三位一体”
与大庆所属的中学建立了105个教育实习基地,依托教育实习基地实现了教育见习、研习、实习“三位一体”。通过三次见习使学生了解中学课堂教学的氛围,通过1周的研习进一步研究整个教学过程,在26周的集中教育实习中,以学科教学论和班主任工作课程为基础,开展学科教学和班主任工作实习,参加实习学校各项活动,开展个别指导工作等,积累育人工作经验。结合中学生物课程改革要求,开展教育教学研究,加强学生感知、体验、锻炼、总结、反思的能力,提高学生的岗位适应性。
3综合技能训练
以毕业论文为核心的科研综合训练和教学研究训练,不仅是学生对所学知识的升华,也是对综合能力的全面检验。毕业论文(设计)具有本科教学中其他教学环节所不可替代的实践性、综合性和创新性,是培养学生实践能力和创新精神的重要环节[4]。学生在大三开始选题,进入实验室进行课题研究。结合学年论文和课程论文,连续举办了大庆师范学院生命科学学院“大学生科技论文大赛”,获奖论文汇编成册。通过此活动激发了学生参与科学研究的意识,培养学生的综合实践能力,毕业论文的质量明显提高。
利用网络教学平台,自主学习网络课程和精品课程,进行师生、生生交流、讨论相关的教学内容或前沿知识,网络教学平台打破了时间和空间的界限,学生可以分层次的学习、复习、预习,充分利用网络资源库,培养学生自学能力,利用网络搜集、处理信息的能力。
野外实习是生物科学专业的重要实践环节。根据教学计划,第二学期安排两周的动植物野外实习(大连、镜泊湖)。在野外实习中,同学们学会了分析环境,掌握动、植物识别特征、生活习性、繁殖等,从了解和认识中激发了学习兴趣,从兴趣中学到了知识,得到了锻炼。野外实习不仅是理论与实践相结合的充分体现,更重要的是加强学生的合作意识,锻炼意志品质,综合能力得到提高。
4建立相应的多维度技能考核体系和质量监控体系
技能考核体系围绕训练项目进行,不同技能训练项目,建立不同的考核方式和考核标准。多维度技能考核体系的建立,突破了单一的理论知识考核和传统的闭卷考试方式,注重综合能力和素质的考核。考核通过将得到相应的学分,这样的改革对学生的学习起到了很好的导向作用,促进了学生学习的自觉性和主动性,使学生不仅注重理论学习,更注重实践能力的锻炼。同时,建立各项管理制度,构建科学可行、具有导向性的全员参与、全程监控、全息反馈的“三全”质量监控体系,多方面、多层次监控教学活动的进行,保证技能训练顺利实施和教学质量稳步提高。
总之,几年的探索与实践,我们深刻体会到,实践教学体系的构建,是培养知识、能力、素质协调发展的应用型本科人才的内在要求,也是适应经济社会的客观需要。能否有效地培养大学生的实践能力,已成为衡量学校教学质量优劣、人才培养目标是否实现的重要标志。因此,需要我们坚持不懈、脚踏实地不断研究和探索,使其日臻完善。
参考文献
[1]陶秋燕.应用型本科实践教学体系的构建[J].北京教育(高教版),2005(9):20-23.
[分类号]G353.1
1 引言
新技术的产生可以导致一系列相关的新产品问世,对人们的生活、企业的发展乃至社会经济产生巨大的推动作用。在某一新技术尚未完全成熟之际,必定会有很多企业围绕这一技术不断进行改进和完善,并申请相关专利技术进行保护。因此,未来主流市场中的主流技术在专利文献中有量的征兆,可以通过对专利数据的定量分析来进行技术热点的监测。
当前利用专利文献进行技术热点监测的方法主要有两种:①通过对具有技术含义的专利著录项,如专利IPC分类号的数量变化来监测技术热点;②利用文本挖掘技术,从专利文献中抽取技术关键词进行词频统计、聚类分析来监测技术热点。在学术领域,学者们基于专利分类号对某个时间点或时间段的技术热点进行了探索。袁冰等指出,通过分析专利涉及的所有IPC分类号,以及这些IPC分类号下分别包括的专利数量,就能够获知整个区域的技术构成情况以及该区域内市场经营主体关注的技术热点。王燕玲认为,将不同主体的1PC分类按时间分布并加以比较,可发现不同主体的IPC变化过程,是一个从创新主体角度研究技术领域热点变化的主要方法。左凤茹对水电行业中世界著名企业的专利申请量按IPC分类号进行统计后,指出目前水电没备的研究热点。栾春娟等认为,经过德温特技术人员标引的“德温特指南代码”(Derwent Manual Codes),对研究专利的技术领域分布更具指导意义,她们利用德温特指南代码,陆续对基因工程、3G技术、生物技术、电动汽车领域进行了技术热点分析。在技术实践领域,主流的专利分析软件如Thomson Data Analyzer(TDA)、Aureka、HIT-恒库等正是基于上述原理,实现了从批量专利文献中抽取专利分类号或技术特征词汇进行统计、聚类分析的功能,并用可视化的方式展示分析结果,生成相应的专利地图,进行技术热点监测。以Aureka为例,它提供了ThemeSeape地形图功能,以分析的专利样本为基础,对其中相关词汇的词频应用聚类分析生成主题(词汇)地形图,以此来描述专利技术热点的分布情况。
但是,由于IPC的分类原则是将同一技术主题归在同一分类位置,使之具有相同的分类号,即侧重于对单一技术主题进行分类,而且IPC将专利要求的技术主题作为一个整体来分类,而不是对其各个组成部分分别进行分类,因此分类不彻底,也造成分类不够细,某个分类号下存在大量文献。这样一来,基于IPC分类号的技术热点难免存在偏差,且比较宏观,难以反映企业关注的微观技术热点变化,更难以揭示技术日新月异的变化和发展。而利用模式匹配、规则基础和自然语言处理技术直接从专利文本中抽取词和词组进行统计或聚类分析,虽然相对比较精确和具体,但也存在着一些相关陛较高的词组或短语,因为出现过于频繁而容易被软件分析系统自动剔除,造成分析的误差。因此,如何提高基于专利文献技术热点监测的准确性,如何利用专利引文所承载的技术关联信息进行获取和关联挖掘,如何对已有的宏观技术热点和微观技术热点监测进行补充,是本文研究的主要问题。
2 基于专利引证的技术热点监测方法
2.1 专利引文的技术情报价值
专利对先有技术(prior art)和科学论文的引用是科学和技术发展规律的表现,它体现了科学和技术的累积性、连续性和继承性,也体现了不同学科、不同研究层次之间的交叉、渗透。大多数发明不是“无中生有”的,一般发明人在进行发明创造活动时,会参考具有相同发明目的的先有技术的发明创造内容和发明人所熟知的先有技术。另外,专利审查员审查专利文件时常会将被审查的专利与主题相近的先有技术相比较,这两种方式导致了专利引文的出现。Arehibugi和Pianta指出,专利引文数据广泛地提供了具体技术领域某一技术发明的相关技术信息。
1965年,普赖斯创造性地研究了科学论文之间的施引与被引证关系,以及由此形成的所谓“引证网络”。专利引证网络是将文献计量引证网络的对象从科技论文到专利文献的直接延伸,通过绘制专利引证关系图来考察互相引证的专利的关联程度和技术相互间的影响,寻找最早被引证的专利文献,洞悉专利的继承性和发展历程。专利与其引证论文或引证专利密切相关,反映了相同或相近的技术创新,这种相关性是由技术本身的传承和发展而形成的。据此,利用各种数学以及统计学的方法对专利与专利之间的施引和被引现象进行比较、归纳、抽象判断,以探索其数量特征及内在价值,专利引文分析也具有重要的技术竞争情报价值。
2.2 基于专利引证进行技术热点监测方面的实践应用
借助专利与专利间的引用与被引用关系,不仅可以揭示出专利的理论、技术起源,而且可以对技术领域中的技术前沿和技术热点进行追踪。Mogee等利用专利同被引(patent co-cltation)对2808条Eli Lilly公司的专利数据进行聚类分析,识别该公司的核心专利技术和技术热点群组,发现主要的技术热点(teehnolo-gy fronts)。孙涛涛等基于专利耦合关系,指出同时引用相同基础技术专利簇的另一个专利簇(base tech-nology)可以构成技术热点。尹丽春等将文献计量学中的共被引方法应用到专利文献的研究中,对在我国申请的数字信息传输领域中的专利技术前沿问题进行探讨。
目前市场上各种专业的商业化专利分析软件(如法国IMCS的Matheo Analyzer、美国汤森路透旗下的Aureka、Innovation和Delphion、中国恒和顿的HIT-恒库等)几乎都有绘制引证网络图的功能,利于追溯目标技术的起源和发展。但是这些软件工具无法利用专利文献中的同被引或耦合技术,借助可视化关系揭示技术前沿或者技术热点。
2.3 基于专利引证的技术热点监测方法设计
研究首先通过基于“关键词+专利引文”的检索策略,从专利数据库中检索、下载研究主题范围内的原始专利数据,构建本地专利专题数据库;其次,按照分析需要对本地原始专利数据进行拙取,将专利号、题名、发明人等专利著录项从专利文献中抽取出来,完成数据预处理;再次,分别利用专利耦合聚类和具体概念词聚类,实现由浅至深、由粗到细的技术热点监测。具体实施流程如图l所示:
值得注意的是,为了构建准确、有效的专题数据集-进行分析,专利数据检索至关重要。在专利数据采集的过程中,首先采用关键词试检,从试检结果中寻找相
应表达的同义或近义词,扩充、调整检索策略,力求保证关键词的全面性与准确性,构建初始专利数据集。然后对初始专利数据集中的专利进行被引频次排序,遴选25-50个高被引专利作为种子专利,并请领域专家对种子专利进行判读。如果专家认为研究领域的种子专利不准确,则需要重新回到第一步,调整检索策略进行数据检索。
此外,在利用专利耦合进行技术监测的过程中,要注意设定合适的专利耦合阈值,阈值过大或过小都会影响耦合矩阵的构建,从而影响耦合技术热点的聚类。同时,那些低于耦合阈值的专利内容相对分散,较难形成热点,应该予以舍弃。
2.3.1 基于专利引证的技术领域数据集构建 利用专利引文和专利引文索引能识别那些用其他方式不能识别的专利之间的关系,而且这些关系往往可以使相关信息的检索变得迅速。正如Garfield E所言,除了专利引文和专利引文索引,现在尚无一种更加有效的工具可以确定某一专利所透露的技术是如何被改动、完善和利用的。马海群指出,引用检索作为传统专利情报检索方式(如分类或主题检索)的重要补充,可以有效地提高专利检索的查准率和查全率。借助专利与专利间的引用与被引用关系,本文提出“关键词+专利引文”的技术领域专利文献数据集构建方法,获得同一批技术专利技术起源的所有相关专利数据,提升检索效率、增强资料的搜集性及准确性,具体步骤如下:①与领域专家讨论,确定相关检索技术关键词,确定检索式进行关键词检索;②根据初检结果,构建与专题技术相关的初始专利数据集;③遴选TOP25-TOP50高被引专利作为该技术领域的种子专利;④检索引证种子专利的专利(citing patent)及其被引专利(cited patent),构建专题技术数据集。
通过上述步骤,构建待分析的技术专题数据集,其专利引证关系如图2所示:
2.3.2 技术热点监测方法文献中的间接关联包括文献耦合和同被引两种,都能用来确定研究热点(re-search fronts)。正如Persson和Morris。所言,耦合论文可以反映“研究热点”的知识结构,同被引论文则提供了一种知识基础(intellectual base)的知识结构。Glanzel指出论文从发表到被引用期问有一个明显的时滞,用同被引来映射学科结构存在时差,而耦合分析则可以实时地反映学科最新的动态变化。Van denBesselaar P等也指出,耦合测度的是源文献之间的关系,同被引测度的是被引文献之间的关系。前者是基于有意识的行为,即著者有意地将两篇文献联系起来,而后者仅是两篇文献出现之后的偶然关联。因此,文献耦合更适于最新研究主题的揭示。
为了在基于IPC分类号的宏观技术热点和基于词的微观技术热点中找到一个较好的平衡点,本文首先利用专利之间的耦合关系获得耦合专利簇,形成中观层面上的技术热点?技术热点交由领域专家识别,为其命名。其次,引入时间轴的概念,对耦合聚类实现的技术热点发展趋势进行分析,帮助技术决策者了解每个技术热点随时间的发展变化情况。再次,利用自然语言处理技术,从技术热点的专利文本中抽取词和词组进行统汁和聚类分析,获得以概念词为表征的技术热点,辅助技术决策。
3 实证研究
3.1 数据集的构建
本文采川基于专利引证的方法构建技术领域专题数据集。研究以DVD领域激光头技术为例,经与领域专家讨论,将optical head、pickup和pick up确定为检索关键词,从美国专利商标局(USPTO)文摘库中检索1995-2004年1O年间的专利数据,检索出1934个专利构建DVD激光头技术领域初始专利数据集。从巾遴选TOP25高被引专利作为该技术领域的种子专利。从USPT0数据库中检索出种子专利的729个施引专利(citing patent),去重后得到515个。上述515个专利又引用了3397个(去重后)被引专利(cited patent)。分别将上述数据下载到本地,构建专题数据库,作为本次研究的分析对象。
3.2 基于专利耦合的技术热点分析
研究首先将515个专利和3397个被引专利的专利号(patent number)、题名(title)、授权日期(issuedate)、专利权人(assignee)、技术分类号(IPC)从数据集中抽取出来,为后续分析做准备。然后将研究的耦合阈值确定为4,对原始数据集中的515个专利进行筛选,舍弃专利耦合强度少于4的那部分专利,得到272个专利作进一步的分析。
其次,根据专利之间的引证关系,生成专利初始引证矩阵。这是个典型的二值矩阵,即矩阵中所有的元素取值均为0或者1,如果两个专利之间存在着引证关系,即取值为1;如果两个专利之间不存在引证关系,即取值为0。本例中的研究对象有272个专利,需要生成272×272的矩阵,由于文章篇幅限制,略去原始的272×272矩阵。专利初始引证矩阵是一个不对称矩阵,根据初始引证矩阵转换成对称的专利耦合矩阵。
再次,采用层次聚类法对专利单元样本进行聚类分析。聚类的过程是:先将n维专利耦合矩阵转换成n维的相似矩阵,然后根据一定的聚类算法把分析对象分成类群。在选择相似性(similarity)测度方法时,本文采用了Dice相关系数来对耦合距阵进行标准化处理,采用离差平方和法(ward’s method)计算类间距离。上述步骤用Matlab提供的statistics toolbox工具,选择层次聚类方法实现,将耦合强度大于4的专利聚成了10个小类的专利簇,得到10个技术热点,并通过领域专家帮助,给每个技术子主题命名。
最后,绘制各技术热点的发展演变图,考察技术热点在10年间的发展变化。从DVD激光头技术各个子技术主题在10年间(1995-2004年)的发展趋势来看,大部分子技术主题在1997-2002年处于上升阶段,随后缩量发展,从一个侧面说明激光头技术整体而言已经相对成熟,自2003年始发明创新逐渐减少。其中,生命力最为旺盛的是技术热点4――光记录设备,从1997年至2004年不断有新技术发明问世。DVD激光头技术10个热点的发展演变如图3所示:
3.3 基于词聚类的技术热点分析
为了考察光记录设备这一技术热点的具体情况,随后将光记录设备的87条专利数据导入Patentics专利检索分析平台,进行概念聚类分析,得到10组概念索引词,表征光记录设备的详细技术热点,见表1。
其中,关于物镜的专利占了该技术热点的1/4,其次为光度头和激光束。在这些子技术热点中,日立、松下电工、富士施乐、日本电气等日本企业在光度头中表现突出,日立、富士施乐、希捷等企业在激光束中有较大的技术优势。
4 研究结论
湖南省永州市新田县一中是湖南省示范性中学。为了推动学校青少年科技活动的蓬勃开展,培养青少年的创新精神和实践能力,提高青少年的科技素质,鼓励优秀人才的涌现,学校从2005年起,由学校科研处、教务处和团委会共同发起,举办了新田一中“云梯科技节”。
新田一中的科技节活动内容主要包括竞赛活动和展示活动两个系列。竞赛活动即科技创新成果竞赛,是科技节的主体内容。其主要项目形式有:发明创造及工程设计类作品、科学研究论文等。
我们的教材是完美的吗?
新田一中的老师对于同学们的科学创新进行指导,要求同学们从自己身边的事情入手,通过观察自己身边的小事物发现创新之处。
升入初三,同学们会接触到一门新课程――化学。化学不仅需要掌握好课本知识,还要同学们具备动手操作的能力,在做实验的过程中掌握老师们在课堂上所教授的知识。面对新课本,同学们按照老师的要求,对自己身边的事物认真观察,上课的课本、做实验的设备都成了他们的研究对象。功夫不负有心人,郑捷、王柱、陈杰三名同学通过自己的学习和理解,对初中的化学课本提出了一些自己的见解和质疑:课本是完美的吗?来看看初三化学教材的发现:实验方面的内容还是有一些值得商榷之处的。
他们认为在初中化学全一册(人教版)第一章第一节教材16页[实验1-9]中可以增做“水底生火”(即白磷在热水底部燃烧)实验,要这样做的理由有两条:1.该实验就是收集一瓶氧气,太单调,学生观察的趣味不浓厚;2.KCIO3制取O2产气较多,如不利用浪费可惜,增做实验后充分利用了O2,提高了学生的兴趣,也为18页讲燃烧的条件做好铺垫。
而教材53页[实验3-4]也可以补充两个对比实验:1.用嘴吹一个肥皂泡再用H2吹一个;2.用纯H2吹一个肥皂泡点火,再吹一个H2与空气混合气体的肥皂泡点火。这样做操作简单,学生观察积极性高,无危险,效果好。
还有教材47页“研究性学习”后面可以增加一个“污水与生物”的家庭小实验。1.用污水养几条鱼;2.用污水养几盆花草等,这样可以让学生对污水有进一步的认识。
这样的建议还有很多,由于版面限制就不一一列举了。这三名同学不迷信权威、勇于探索的科学探知精神是值得我们学习的。
多功能实验装置
初中化学是一门新的课程,理论和实际操作密不可分,有很多课本上的知识都需要通过实验来加深理解和记忆。同学们在自己动手的过程中领略到了化学世界的无穷奥秘和乐趣。
C224班的黄丽、蒋俏娟、谢鹏飞三位同学在多次做实验后,面对众多实验设备,心里就想能不能设计出一个多功能的实验装置,也可以做其他的实验呢?他们把这个想法同老师讲后,得到了老师的大力支持,在老师的帮助下,设计出了这个多功能化学实验装置。(如图)
这个实验装置构造很简单:广口瓶、试管、导气管、橡皮塞、胶皮管、U形管、红墨水等。优点很明显:制作简单、操作方便。
这个实验装置用途十分广泛,可以进行多个实验:
温室效应检测器
将一只厂口瓶内充满空气,另一只广口瓶中充满CO2气体,还有一只广口瓶内充满CH4,将这三只广口瓶都与三个U形管连接好,用100瓦的灯泡等距离地照射广口瓶5分钟,观察U形管中液面的变化情况,作好记录,然后停止照射后过一小时再来看U形管中的液面情况(作好记录),与一小时前的液面记录作一个比较,得出的结论是:CO2、CH2会造成湍室效应,且CH4比CO2温室效应更显著。
做动物、种子呼吸作用实验
在广口瓶中放一些昆虫或刚萌发的种子,再放一小杯NaOH(溶液),塞好广口瓶,放置一段时间,观察U形管两边液面的变化情况。可得出结论:动物,种子的呼吸作用要消耗氧气,呼出二氧化碳。
除此之外,这个设备还能完成其他实验,比如:测试物质间混合放热、吸热的判断实验;铜和稀硫酸的反应实验;测气温变化(或天气冷热警报器);香烟毒素收集器、测定空气中O2的含量。
以上几个实验做后,既可以培养学生的动手能力、创新能力,还能提高学生学习的兴趣,给我们深刻的启示:只要多动脑筋,多做实验是有很大收获的。
城市白色污染研究
为了培养同学们科技创新的精神与社会现实相结合,新田一中的老师让同学们走出学校,走进社会,通过自己的观察,发现问题并找到问题的解决方案。
对于目前比较受到关注的“城市白色垃圾”的污染现象,高184班同学黄璜做了一个题为“合理处理垃圾,营造清洁世界”的科学小论文,论文中对城市中出现“白色污染”的现象及现状做出了较为详细的描述。垃圾吞噬资源、污染环境,怎样才能使垃圾处理既切合本地的实际,取得较理想的效果,又符合可持续发展的科学理念,为后代留下一个和谐美丽的环境呢?
作者根据自己的见解和指导老师的帮助,对这一问题做出相对应的制止措施。
首先政府应该加强环保立法,建立健全一系列法律、法规体系,让人们有法可依。建立废品回收系统,将垃圾变成宝贵的可再生能源。
而我们则应该从小做起,从自己做起。将废弃的垃圾分类收集、集中送至附近的回收站,配合资源回收工作的顺利实施。对于那些生产厂家来说,也应该建立起回收、再生利用体系,并扩大经营、管理。