多元培養(yǎng)
——生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革之思考

辛廣偉， 孟世勇

(北京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100871)

0 引 言

生物學(xué)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)貫穿了科學(xué)發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)人才的整個(gè)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)不僅傳授知識(shí)、驗(yàn)證理論和掌握實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力和良好的生物學(xué)素質(zhì)[1]。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是生物本科教育中極其重要的一環(huán)。為了更好的培養(yǎng)創(chuàng)新型生命科學(xué)人才，進(jìn)入本世紀(jì)，全國(guó)各個(gè)大學(xué)紛紛整合資源，建立教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心[2-5]。經(jīng)過(guò)10多年的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了豐碩的成果，從原來(lái)的以基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主到現(xiàn)在的有較多的探索實(shí)驗(yàn)、有開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室等，使得全國(guó)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上了一個(gè)新臺(tái)階，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力方面成果顯著。

雖然本科生生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，但隨著國(guó)家招生政策的變化和生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍面臨著很多新的挑戰(zhàn)。那么，新形勢(shì)下的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該做出那些變動(dòng)?

1 面臨的新挑戰(zhàn)

1.1 本科生來(lái)源變化導(dǎo)致學(xué)生入校時(shí)起點(diǎn)不一

在自主招生政策實(shí)行以前，各大學(xué)的學(xué)生生源是由絕大部分的普通高考生和少量保送生構(gòu)成。而在實(shí)行自主招生之后，一些重點(diǎn)大學(xué)的學(xué)生生源就發(fā)生了顯著變化，主要由自主招生、競(jìng)賽保送生、高考生第一志愿和部分高考調(diào)劑生構(gòu)成。例如，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2015年來(lái)自競(jìng)賽保送和自主招生的學(xué)生已經(jīng)占68%，是主要的生源來(lái)源途徑。

生源來(lái)源的變化直接導(dǎo)致本科生在入校時(shí)的生物知識(shí)基礎(chǔ)不一致。奧賽保送生和自主招生他們對(duì)生物學(xué)感興趣，對(duì)生物學(xué)某些分支學(xué)科有了較為深入的了解，生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)也相對(duì)較為扎實(shí)。其缺陷在于基礎(chǔ)知識(shí)不全面，某些操作技能不規(guī)范。雖然可以獨(dú)立完成一些基本的實(shí)驗(yàn)操作，但對(duì)如何進(jìn)行生物學(xué)研究的理解也尚未深入。高考第一志愿的學(xué)生，他們也對(duì)生物學(xué)感興趣，學(xué)習(xí)勁頭足，但是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作能力相對(duì)薄弱。還有一批是高考調(diào)劑生，這部分學(xué)生可能并不喜歡生物，而是由于各種其他的客觀原因來(lái)到了生科院，他們生物學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱較差，部分學(xué)生甚至想著轉(zhuǎn)系、換專業(yè)，不愿意選修實(shí)驗(yàn)課程。

鑒于生源的變化，學(xué)生入校時(shí)的基礎(chǔ)有強(qiáng)有弱，那么如何才能有針對(duì)性地培養(yǎng)好不同層次的學(xué)生，使學(xué)生們?cè)谏险n時(shí)既不會(huì)因?yàn)橹貜?fù)學(xué)習(xí)某些實(shí)驗(yàn)技能而浪費(fèi)時(shí)間，又能真正培養(yǎng)出現(xiàn)代生命科學(xué)需要的人才，就成了現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心急需解決的問(wèn)題。

1.2 實(shí)驗(yàn)課程日趨多樣化，學(xué)分限制成為選課瓶頸

自從上世紀(jì)初引入博物學(xué)以來(lái)，生命科學(xué)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)包括植物、動(dòng)物、微生物、遺傳學(xué)、細(xì)胞、生化、分子、生物信息和生物生態(tài)等十幾門(mén)分支學(xué)科，幾乎每門(mén)分支學(xué)科都有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課。以我校生命科學(xué)院為例，目前該院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課除了上述經(jīng)典學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程外，還針對(duì)當(dāng)今生命科學(xué)的最新進(jìn)展，開(kāi)設(shè)了細(xì)胞的基因編輯技術(shù)、生物大分子相互作用實(shí)驗(yàn)、抗體技術(shù)及其應(yīng)用等高級(jí)技術(shù)類實(shí)驗(yàn)，共計(jì)近20門(mén)實(shí)驗(yàn)課程[6-7]。以上課程有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)以及針對(duì)最新實(shí)驗(yàn)技術(shù)展開(kāi)的技術(shù)培訓(xùn)類實(shí)驗(yàn)，對(duì)于鞏固理論基礎(chǔ)，掌握前沿的生物技術(shù)具有非常重要的促進(jìn)作用。然而目前本科生畢業(yè)實(shí)驗(yàn)課要求學(xué)分是6個(gè)學(xué)分，這就形成了課程多而學(xué)時(shí)少的矛盾。如何才能在有限的課時(shí)內(nèi)完成對(duì)學(xué)生的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練是個(gè)值得深思的問(wèn)題。

1.3 越來(lái)越多本科生進(jìn)入PI實(shí)驗(yàn)室，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)漸失去吸引力

目前很多大學(xué)的生科院在鼓勵(lì)本科生進(jìn)PI(課題負(fù)責(zé)人)實(shí)驗(yàn)室參與科研訓(xùn)練，由此學(xué)生直接參加實(shí)際的課題研究。如，我校先后建立了“北京大學(xué)校長(zhǎng)基金”“北京大學(xué)泰兆基金”和“北京大學(xué)莙政基金”等有數(shù)個(gè)科研基金，鼓勵(lì)本科生進(jìn)入科研組進(jìn)行實(shí)踐。生命科學(xué)學(xué)院所有的PI實(shí)驗(yàn)室均向本科生開(kāi)放。目前，生命學(xué)院目前有33%的二年級(jí)本科生和42%的三年級(jí)本科生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研課題研究。本科生進(jìn)入PI實(shí)驗(yàn)室這種學(xué)習(xí)方式可以直接接觸科學(xué)前沿，對(duì)于鼓勵(lì)學(xué)生思考、提出問(wèn)題并解決問(wèn)題等科研思維的訓(xùn)練以及動(dòng)手能力的培養(yǎng)都具有積極的作用，很多學(xué)生甚至在本科期間就發(fā)表了高水平的科研論文。2014～2015年3月，生命科學(xué)學(xué)院共有18位學(xué)生在有關(guān)SCI期刊上發(fā)表了論文。

然而上述培養(yǎng)方式也有一些缺點(diǎn)。①本科生在科研組得到PI親自指點(diǎn)的機(jī)會(huì)并不多，一般是跟隨實(shí)驗(yàn)室的研究生做實(shí)驗(yàn)，研究生的水平本身就參差不齊，本科生所參與的“科研”技術(shù)重復(fù)過(guò)多，有“搬磚”之嫌。②本科生在科研組參與真正科研耗時(shí)很長(zhǎng)，最容易導(dǎo)致的結(jié)果是對(duì)某個(gè)領(lǐng)域的某一點(diǎn)了解的特別清楚而對(duì)整個(gè)大學(xué)科認(rèn)識(shí)不足。比如，在植物系統(tǒng)進(jìn)化方向的科研組，本科生的主要工作是采樣、PCR、建系統(tǒng)樹(shù)，有時(shí)會(huì)切片看形態(tài)，但他們并未完全掌握整個(gè)植物生物學(xué)的很多基本技能和知識(shí)。③學(xué)生在科研組雖然受到了最前沿的科研訓(xùn)練，但對(duì)于文獻(xiàn)閱讀、論文寫(xiě)作和學(xué)術(shù)交流(Presentation)等方面也并未得到系統(tǒng)的訓(xùn)練。那么如何看待本科生進(jìn)PI實(shí)驗(yàn)室？如何使學(xué)生們?cè)诳蒲薪M不再搬磚而真正受到全方位的訓(xùn)練是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要面臨的新問(wèn)題。

面對(duì)這些新的挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心必須重新樹(shù)立自己的定位，探索如何確保生物專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)時(shí)既具備過(guò)硬的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，又保證基礎(chǔ)良好的優(yōu)秀學(xué)生免于重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)，將更多時(shí)間投入到科研實(shí)踐中。

2 解決途徑

2.1 重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，同時(shí)增加課前考核

在實(shí)際的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)課對(duì)于學(xué)生得到標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，加深對(duì)生物學(xué)理論的理解和應(yīng)用有著不可替代的作用。比如，遺傳學(xué)中雄蠅不重組的知識(shí)點(diǎn)，很多學(xué)生感到難以理解也不知其在實(shí)際研究中有何應(yīng)用價(jià)值，但是在經(jīng)過(guò)三點(diǎn)測(cè)交和果蠅工具果蠅雜交實(shí)驗(yàn)后，多數(shù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有了較深刻理解。生物學(xué)科本就是實(shí)驗(yàn)學(xué)科，因此筆者建議，應(yīng)該針對(duì)剛剛?cè)胄５谋究粕贫ㄒ婚T(mén)必修的、整合生物各學(xué)科的核心概念和基礎(chǔ)操作的實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生受到規(guī)范的操作訓(xùn)練，有了扎實(shí)的基礎(chǔ)后再參加實(shí)際的科研。

鑒于生源的多樣性，為了避免對(duì)某些確實(shí)是高水平的本科生造成重復(fù)培訓(xùn)和時(shí)間浪費(fèi)，可以在課程開(kāi)始前一周進(jìn)行操作考核，通過(guò)考核的學(xué)生可以不必再修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。

2.2 打破學(xué)科界限，增設(shè)綜合類實(shí)驗(yàn)課程

隨著現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展，實(shí)際科研中解決問(wèn)題的手段已經(jīng)不再靠單純某一學(xué)科或某一種技術(shù)，而是多學(xué)科多層次地去研究?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)也要遵循實(shí)際科研的研究思路，打破學(xué)科與學(xué)科之間的界限，建立綜合性實(shí)驗(yàn)課程。如研究某一基因的功能，可以按照從基因的克隆、突變體構(gòu)建開(kāi)始(分子)，到蛋白的表達(dá)純化(生化)，到細(xì)胞的定位觀察(細(xì)胞)，再到組織和成體功能研究(遺傳發(fā)育)這樣的理念去設(shè)計(jì)一門(mén)綜合課程。

綜合性課程有以下3個(gè)優(yōu)勢(shì)：①課程以問(wèn)題為主導(dǎo)，提高了學(xué)生興趣和參與度。②與之前各學(xué)科獨(dú)自開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)相比，實(shí)際的課程量得到壓縮，有效解決了課程多而學(xué)分不足的矛盾。③課程更為實(shí)用，學(xué)生們可以將所學(xué)立刻應(yīng)用到實(shí)際的科研中。

2.3 充分利用本科生資源，開(kāi)設(shè)高級(jí)研究性實(shí)驗(yàn)課

本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)人數(shù)較多，操作相對(duì)簡(jiǎn)單但重復(fù)次數(shù)很高。針對(duì)此特點(diǎn)，普通的實(shí)驗(yàn)課只要經(jīng)過(guò)細(xì)致規(guī)劃，本科生不僅能得到專業(yè)技能訓(xùn)練，而且在訓(xùn)練過(guò)程中可得到大量重要的科研數(shù)據(jù)可供進(jìn)一步研究。

經(jīng)過(guò)查閱國(guó)外相關(guān)教學(xué)文獻(xiàn)[8-12]，以及對(duì)UCLA、MIT等名校負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師進(jìn)行實(shí)地訪談，筆者認(rèn)為在教學(xué)和科研相結(jié)合的教學(xué)模式中，美國(guó)UCLA的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所(Howard Hughes Medical Institute)的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)模式值得國(guó)內(nèi)教學(xué)借鑒。在過(guò)去2年中，UCLA創(chuàng)新性地將138名的本科生的遺傳實(shí)驗(yàn)課與前沿的果蠅的基因組功能研究有機(jī)結(jié)合起來(lái)，并發(fā)表了一系列具有高影響力的科研文章[13-15]。UCLA遺傳實(shí)驗(yàn)的教學(xué)具有3個(gè)顯著的特色，①教學(xué)與科研相結(jié)合，緊跟學(xué)科前沿，并可以得到大量的科研數(shù)據(jù)，最終發(fā)表科研文章。②教學(xué)中沒(méi)有指定的教材，而是老師根據(jù)本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，并把一些學(xué)科的基本概念涵蓋其中。③開(kāi)放本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生隨時(shí)可以做實(shí)驗(yàn)。改變了以往“下課后實(shí)驗(yàn)就結(jié)束”的傳統(tǒng)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣，大大提高了學(xué)生的參與度。雖然每次的實(shí)驗(yàn)操作方法是類似的，但是整體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容卻不重復(fù)，而是在一步步地向前推進(jìn)，讓學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)科研的過(guò)程，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和論文撰寫(xiě)的能力，并使學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神有很大提高。

2.4 有效管理學(xué)生進(jìn)PI實(shí)驗(yàn)室

本科生進(jìn)PI實(shí)驗(yàn)室是一種新的培養(yǎng)方式，然而也存在老師對(duì)學(xué)生直接指導(dǎo)不足、學(xué)生“放羊”管理、學(xué)術(shù)寫(xiě)作與交流能力培訓(xùn)不系統(tǒng)等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，中心應(yīng)把本科生進(jìn)PI實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)當(dāng)成一門(mén)課程來(lái)管理。定期(比如2周1次，不建議超過(guò)1個(gè)月)開(kāi)1次學(xué)術(shù)報(bào)告，每個(gè)班由2或3名教學(xué)中心的老師組成指導(dǎo)團(tuán)，跟蹤學(xué)生的進(jìn)展，并針對(duì)學(xué)生的學(xué)術(shù)寫(xiě)作與交流能力進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)。這樣做既可以讓學(xué)生們重視進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)，又可以側(cè)面督促PI對(duì)學(xué)生的管理和指導(dǎo)，讓學(xué)生既接觸到最前沿的科研訓(xùn)練，又能真正有所收獲和進(jìn)步。

3 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)新時(shí)期新的挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)該做出相應(yīng)的改變，對(duì)不適應(yīng)時(shí)代的教學(xué)模式和內(nèi)容做出變革。但是變革是基于一步步的探索，不是一蹴而就。比如，實(shí)驗(yàn)考核通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)就需要各專業(yè)的老師進(jìn)行討論。如何量化學(xué)生的操作規(guī)范程度？實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果的成功與否能否作為考試結(jié)果的主要參考？鑒于實(shí)際科研中常會(huì)實(shí)驗(yàn)失敗并重復(fù)，真正考試時(shí)可否允許學(xué)生重復(fù)？這些都是需要討論的問(wèn)題。

隨著高校對(duì)本科科研投入的增加和對(duì)本科生科研的鼓勵(lì)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也必須跟實(shí)際的科研結(jié)合起來(lái)。UCLA的教學(xué)科研相長(zhǎng)的模式非常值得借鑒。在國(guó)內(nèi)的某些著名高校，比如北京林業(yè)大學(xué)，已經(jīng)建立了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室并且取得了較好的教學(xué)效果[16-17]，這種開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的模式也值得推廣和學(xué)習(xí)。

盡管現(xiàn)在高校的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨種種挑戰(zhàn)，但是必須強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生物教學(xué)中不可或缺的重要性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然基礎(chǔ)但是全面，分子、生化、遺傳、細(xì)胞、生理、微生物等所有專業(yè)的科研所需的基本操作都可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到訓(xùn)練。只要時(shí)時(shí)以創(chuàng)新精神、創(chuàng)新理念要求自己、時(shí)時(shí)把學(xué)生的需求放在第一位，并擁有一支素質(zhì)過(guò)硬的教師隊(duì)伍，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一定能在新時(shí)代生物人才的培育中發(fā)揮基礎(chǔ)性和引導(dǎo)性的重要作用。