本書以循序漸進地培養學生動手能力和創新素質為目的，從基礎、案例、外延三個層次介紹了綜合性大實驗設計的相關知識。其中，基礎部分側重介紹立題創意、方案構思、資料查詢這三個關鍵初始難點的解決途徑。案例部分選擇了生物化學、微生物學、細胞生物學、分子生物學、免疫生物學、生物工藝學、生物分析、酶工程、發酵工程、制藥工程、基因工程等生物工程領域骨干實驗課程的綜合性大實驗實例。而外延部分通過課外科技活動，包括大學生創新性實驗計劃、創新基金等實例，來說明從課程實踐到正式的科研實踐的飛躍過程，為有擴展研究興趣的學生詳細介紹了具體可行的操作方案。
本書主要面向生物工程類專業本科生及實驗課教師，也可為指導課外科技活動的教輔人員及不單獨開設綜合性大實驗的相關課程教學提供參考。
前言
第一部分 綜合性大實驗設計的基礎知識
第一章 設計基礎
第一節 綜合性、設計性實驗概述
第二節 設計構思必要的基礎知識
第三節 實驗流程的設計要素
第四節 設計方案的藥品器材設計
第二章 實驗參考資料的檢索
第一節 常用實驗設計參考資料相關檢索系統介紹
第二節 實驗參考資料的檢索技巧
第二部分 綜合性大實驗實例
第三章 專業基礎實驗
第一節 生物化學部分
第二節 微生物學部分
第三節 細胞生物學部分
前言
第一部分 綜合性大實驗設計的基礎知識
第一章 設計基礎
第一節 綜合性、設計性實驗概述
第二節 設計構思必要的基礎知識
第三節 實驗流程的設計要素
第四節 設計方案的藥品器材設計
第二章 實驗參考資料的檢索
第一節 常用實驗設計參考資料相關檢索系統介紹
第二節 實驗參考資料的檢索技巧
第二部分 綜合性大實驗實例
第三章 專業基礎實驗
第一節 生物化學部分
第二節 微生物學部分
第三節 細胞生物學部分
第四節 分子生物學部分
第五節 免疫生物學部分
第四章 專業實驗
第一節 生物工藝學部分
第二節 生物分析部分
第三節 酶工程部分
第四節 發酵工程部分
第五節 制藥工程部分
第六節 基因工程部分
第三部分 大學生課外科技創新訓練項目
第五章 課外科技活動的組織
第一節 課外科技活動的組織的基本方法與形式
第二節 課外科技活動選題與課程綜合性大實驗的結合方式探討
第六章 國家大學生創新性實驗計劃項目
第一節 大學生創新性實驗計劃項目介紹
第二節 創新基金申請基本流程
第三節 創新基金標書的書寫技巧
第四節 創新基金申報成功與結題范例
第七章 大學生挑戰杯項目
第一節 “挑戰杯”概述
第二節 歷屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽回顧
第三節 歷屆“挑戰杯”競賽獲獎精品項目概述
第四節 挑戰杯級別項目的實驗設計特點
主要參考文獻
附錄一
附錄二
第一章 設計基礎
<br>第一節 綜合性、設計性實驗概述
<br>一、什么是綜合性、設計性實驗
<br>實驗是教學的重要組成部分，學生通過實驗能加深對理論知識的理解，并能掌握一定的操作技能，養成嚴謹、認真和實事求是的科學態度。實驗能開拓學生的思維，提升其觀察、分析和解決問題的能力，培養學生的實踐能力、創新能力和科學素質。科學技術的發展對人的創新能力的要求越來越高，為了培養高素質的具有創新能力的科學研究與應用人才，學生必須學會從實踐中發現問題，并將已有的知識運用到實踐中，從而解決問題。
<br>實驗可分為三類，分別是驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗。教育部在？普通高等學校本科教學工作水平評估方案（試行）？中對這三類實驗做了明確注釋。
<br>（一）驗證性實驗
<br>驗證性實驗是指在已有的實驗步驟設計框架下進行實驗操作過程，重新驗證結果是否達到原理所描述的實驗，旨在使學生加強對基礎理論的掌握或學習某種儀器的使用方法，是一種再現式的以書本知識為主、以傳授理論知識和實驗技能為主要特征的教學模式。
<br>（二）綜合性實驗
<br>綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗。學生在具有一定知識和技能的基礎上，運用某一門課程或多門課程的知識對實驗技能和方法進行復合型實驗。綜合性實驗一般可以在一門課程的一個循環之后開設，也可以在幾門課程之后安排一次有一定規模、時間較長的實驗。綜合性實驗具有的特征如下：
<br>（1）實驗內容的復合性，如涉及多個知識點，多學科知識點綜合及交叉；
<br>（2）實驗方法和手段的多樣性和綜合性；
<br>（3）能力培養的綜合性。
<br>（三）設計性實驗
<br>設計性實驗是指給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。它不但要求學生綜合多門學科的知識來設計實驗方案，而且要求學生能充分運用已經學到的知識，去發現、解決問題。要求學生綜合多學科知識和各種實驗原理來設計實驗方案，還要求學生能運用已有知識去發現問題、分析問題和解決問題。設計性實驗是循序漸進、由淺入深的綜合能力的訓練過程。最初階段實驗題目和方案由教師制訂，而實驗步驟由學生自己擬定，自己選定實驗儀器設備、繪制實驗結果的圖表等；進一步的設計性實驗則在教師出題后，全部由學生自己組織實驗；更為高級階段是學生自己選題，自己設計，在教師的指導下進行，最大限度發揮學生學習的主動性。設計性實驗具有學生學習的主動性、實驗內容的探索性、實驗方法的多樣性等特征。
<br>二、綜合性、設計性實驗的基本內涵
<br>綜合性實驗是建立在驗證性實驗的基礎上，運用相關知識或實驗方法、實驗手段對學生的理論學習、實驗技能與思維方式進行全面訓練的一種復合性實驗。其特點在于實驗內容的復合性、實驗手段與方法的多樣性，給學生更多的自主性，增強其實驗動手能力，培養學生綜合運用多學科的理論知識、全面分析問題和解決問題的能力。設計性實驗是結合或獨立于課程教學而進行的一種探索性實驗，在實驗教師的指導下，根據給定的實驗目的和實驗條件，由學生搜集資料、自行設計實驗方案，選擇實驗器材，并對實驗結果做出綜合分析與處理。綜合性實驗要求學生對每個環節和步驟都要周密思考、認真和細心地操作，這對于培養學生嚴謹求實的科學態度有重要意義。綜合性實驗一般需要多名同學組隊共同完成整個實驗，合理進行人員安排和時間安排以及協調好每個人的工作是確保實驗順利進行的重要條件。綜合性實驗培養學生團結協作精神。
<br>三、為什么要開設綜合性、設計性實驗
<br>創新型國家需要大量的高素質、創新型的科研或應用型人才。因此，高校在教學過程中應該著力培養學生的綜合分析能力、實驗動手能力、數據處理能力及查閱文獻資料的能力；在實驗、實踐過程中培養獨立解決實際問題的能力、探索創新能力及組織管理能力。而上述能力和素質的培養僅僅通過理論學習是遠遠不夠的，還需要進行大量的綜合性、設計性實驗訓練，因為這類實驗能充分調動學生的學習主動性、積極性和創造性，讓學生把所學得的基礎知識應用于實驗的選題與自主綜合設計，通過自主和創造性設計實驗研究項目，獨立完成選題、實驗設計、動手操作到結果分析和論文撰寫的全過程。學生在實驗過程中，通過仔細觀察實驗對象的各種變化，分析和掌握其發生的原因和機制，使學到的基礎理論知識與實踐更好地相結合，最終達到提高發現問題、提出問題、分析問題和解決問題能力的目的，并提高自身的自學能力、實踐能力，培養創新思維，樹立嚴謹的科學研究作風和科研創新精神。
<br>四、綜合性設計性實驗的設計思路和原則
<br>（一）實驗設計的思路
<br>1.實驗設計的含義
<br>實驗設計是指在正式進行科學實驗之前，實驗者根據一定的目的和要求，運用有關的科學知識、原理，對實驗過程中的材料、手段、方法、步驟等全部方案的制訂。
<br>2.實驗設計的內容
<br>一個完整的綜合性設計性實驗方案，一般包括以下幾方面的內容。
<br>1）明確實驗的目的和原理 明確實驗到底要解決什么問題，要用到什么原理。
<br>2）確定實驗思路 就是根據原理對實驗做出假設，并對可能產生的現象做出預期，設計實驗思路。
<br>3）設計實驗步驟 根據上述實驗目的、原理和思路，設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。實驗設計遵循以下幾個要求：簡便性、可行性、安全性和精確性。
<br>4）記錄實驗現象和數據 在實驗中將觀察到的現象如實、準確地記錄下來。可以用文字、數據或符號進行記錄。
<br>5）分析得出結論 根據實驗觀察到的現象和記錄的數據，通過分析、計算、作圖、推理等處理，歸納出一般概括性判斷，并用文字、圖表、繪圖等方法作一個簡明的總結。
<br>3.實驗設計的關鍵環節
<br>1）實驗設計中的假說 在實驗設計中，確定實驗目的是一個實驗假說的形成過程中的重要環節。實驗假說需注意強調預見性、客觀性和多樣性。
<br>2）實驗材料和實驗手段的選擇 選擇恰當的材料和手段，是所設計的實驗能夠達到預期結果的重要保證。
<br>3）反應變量的確定和控制 依據實驗條件和環境因素充分控制無關變量，使實驗具有科學性，結果不受干擾。
<br>（二）實驗設計的原則
<br>1.科學性原則
<br>科學性是實驗設計的首要原則，是指實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗材料和操作程序和方法的選擇要恰當，整個設計思路和實驗方法都要符合基本知識和基本原理以及其他學科領域的基本原則。
<br>2.可行性原則
<br>可行性原則是指在設計實驗時，從實驗原理、實驗的實施到實驗結果的產生，都具有可行性。所選用的藥品、儀器、設備和方法在現有的實驗條件下能夠得到滿足。
<br>3.簡便性原則
<br>設計實驗時，要考慮到實驗材料容易獲得，實驗裝置比較簡單，實驗藥品便宜，實驗操作過程簡便，實驗步驟少，實驗時間短。
<br>4.安全性原則
<br>安全性是指實驗設計時應盡量避免使用有毒藥品和具有一定危險性的實驗操作。如果必須使用，應在所設計的實驗方案中詳細寫明注意事項，如寫清對操作方法、實驗條件的具體要求以防造成環境污染和人身傷害。
<br>5.可重復性原則
<br>重復、隨機和對照是保證實驗結果正確性的三大原則。因此，在實驗設計中也必須注意實驗的可重復性。任何實驗部必須要有足夠的實驗次數，才能判斷結果的可靠性。
<br>五、綜合性、設計性實驗的基本步驟
<br>（一）立題
<br>以實驗小組為單位，根據已學的基礎知識提出自己感興趣的實驗研究項目，并利用圖書館及網絡查閱相關的文獻資料，了解國內外研究現狀。
<br>（二）方案設計的內容
<br>實驗小組在立題基礎上，按照規定的格式寫出實驗的設計方案。綜合性、設計性實驗方案的內容應詳細并具可操作性，具體的內容和格式要求如下。
<br>（1）題目。
<br>（2）立題依據（研究的目的、意義，以及欲解決的問題和國內外研究現狀）。
<br>（3）實驗器材與藥品（器材名稱、型號、規格和數量；藥品或試劑的名稱、規格、劑型和使用量）。
<br>（4）實驗方法與操作步驟（包括實驗的技術路線、實驗的進程安排、每個研究項目的具體操作過程，以及設立的觀察指標和指標的檢測手段）。
<br>（5）觀察結果的記錄。
<br>（6）預期結果。
<br>（三）實驗準備
<br>根據實驗的設計方案，準備實驗所需材料和樣品。
<br>（四）預實驗
<br>按照實驗設計方案和操作步驟認真進行預實驗。在預實驗過程中，要做好各項實驗的原始記錄。實驗結束后，應及時整理實驗結果，發現和分析預實驗中存在的問題和需要改進、調整的內容。
<br>（五）正式實驗
<br>按照修改后的實驗設計方案和操作步驟認真進行正式實驗，做好各項實驗的原始記錄，實驗結束后，及時整理實驗數據。
<br>（六）實驗結果討論分析
<br>各實驗小組對實驗數據進行歸納和處理，匯報實驗的結果。
<br>第二節 設計構思必要的基礎知識
<br>一、實驗設計的概念
<br>綜合性、設計性實驗要求學生具備構建實驗框架的思路和文獻檢索能力，具備相關理論知識和實驗技能，具備較強的探索研究未知實驗方法與結果的能力，具備求實精神和嚴謹的學風。所謂實驗設計，就是要求學生設計實驗原理，選擇實驗器材，安排實驗步驟，設計數據處理方法及分析實驗現象。它包括設計實驗方案、設計實驗步驟等。要求學生理解實驗原理、靈活運用實驗知識和基本技能，并具備分析問題和解決問題的能力及創造能力。
<br>二、實驗設計的基本理論
<br>實驗是科學研究過程中的一個重要環節，是在人為控制條件下，研究對象的變化，以其結果論證科學結論的一種科學方法。科學研究的方法通常分為以下幾步。
<br>（一）觀察
<br>觀察是科學研究方法的第一步，這里的觀察，是在處于自然常態條件下進行。對事物進行觀察時必須周詳，并將其記錄下來。而尤為重要的是要保持客觀的態度。
<br>（二）提出問題
<br>人們對事物作縝密觀察以后，進一步提出值得探討的、有意義的問題。因此，進行研究時，不僅要提出問題，而且要提出確切的問題。此外，對問題的表述，也要清楚而正確。
<br>（三）假說
<br>科學方法的第三步是假說。假說，也稱假設或猜測，指用來說明某種現象但未經證實的論題，也就是對所提出的問題所做出的參考答案。假說一般分為兩個步驟：第一步，提出假說，即依據發現的事實材料或已知的科學原理，通過創造性思維，提出初步假定；第二步，做出預期推斷，即依據提出的假說，進行推理，得出假定性的結論。一個問題常有多個可能的答案，但通常只有一個是正確的。因此，假設是對還是錯，還需要加以驗證，即依據假設或預期，設計實驗方案，進行實驗驗證。
<br>（四）實驗
<br>實驗是驗證假說和解決問題的最終途徑，指在人為控制的條件下研究事物的變化的一種方法。這是科學方法的最大特色，也是科學方法中最困難的一步。如何求證假設可充分展現研究者的能力。在科學實驗中，要掌握或貫徹以下幾點。
<br>1.對照性
<br>在實驗設計中，通常設置對照組，通過干預或控制研究對象以消除或減少實驗誤差，鑒別實驗中的處理因素同非處理因素的差異。
<br>實驗設計中可采用的對照方法很多，除陽性對照、標準對照、自身對照、相互對照外，常采用空白對照，即不給對照組任何處理因素。值得強調的是，不給對照組任何處理因素是相對實驗組而言的，實際上對對照組還是要做一定的處理，只是不加實驗組的處理因素。
<br>2.隨機性
<br>實驗設計中的隨機原則，是指被研究的樣本是從總體中任意抽取的。這樣做的意義在于：一是可以消除或減少系統誤差，使顯著性測驗有意義；二是平衡各種條件，避免實驗結果中的偏差。
<br>3.平行重復
<br>平行重復原則，即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復，這是具有科學性的標志。上述隨機性原則雖然要求隨機抽取樣本，這能夠在相當大的程度上抵消非處理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影響。平行重復的原則就是為解決這個問題而提出的。
<br>4.單因子變量
<br>單因子變量原則，即控制其他因素不變，只改變其中某一變量，觀察其對實驗結果的影響。除了整個實驗過程中欲處理的實驗因素外，其他實驗條件要求做到前后一致。
<br>（五）結論
<br>觀察、實驗的價值即在于獲得驗證性的結果。因此，在實驗中要記錄實驗的事實、現象和數據，即捕捉、記錄由實驗變量而帶來的反應變量。然后，論證、說明實驗中的自變量與因變量的因果關系，從而得到實驗的結果。
<br>（1）如果所獲得的結果與假設相符，則肯定假設。
<br>（2）如果結果與假設不相符，則否定假設。
<br>（3）如果結果與假設無關，則無從判斷。
<br>科學實驗必須遵循真實、客觀的基本準則，即實驗中的觀察一定要實事求是，一切從實驗出發，使獲取的事實、現象、數據盡可能地反映客觀事物的本來面目。以上科學方法是進行實驗設計，制訂實驗方案的理論依據。
<br>第三節 實驗流程的設計要素
<br>一般來說，完善的設計方案需具備以下幾個條件：實驗所需三大資源，即人力、物力和時間條件滿足；實驗設計的“三要素”和“六原則”均符合專業和統計學要求；對實驗數據的收集、整理、分析等有一套規范的規定和正確的方法。而其中準確把握實驗設計的“三要素”和“六原則”，是科學實驗設計的核心。
<br>一、實驗設計的“三要素”
<br>（一）實驗對象
<br>實驗所用的材料即為實驗對象。實驗對象選擇的合適與否直接關系到實驗實施的易難，以及別人對實驗新穎性和創新性的評價。一個完整的實驗設計中所需實驗材料的總數稱為樣本含量。最好根據特定的設計類型估計出較合適的樣本含量。樣本過大或過小都有弊端。
<br>
新書資訊