國(guó)際基因工程機(jī)器大賽對(duì)本科生科研教育的啟示

呂原野，張益豪，王博祥，李承，張浩千，歐陽(yáng)頎,

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國(guó)際基因工程機(jī)器大賽對(duì)本科生科研教育的啟示

呂原野1，張益豪1，王博祥2，李承1，張浩千1，歐陽(yáng)頎1,3

1 北京大學(xué) 定量生物學(xué)中心與生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京 100871 2 華大基因?qū)W院，廣東 深圳 518083 3北京大學(xué)物理學(xué)院，北京 100871

呂原野, 張益豪, 王博祥, 等. 國(guó)際基因工程機(jī)器大賽對(duì)本科生科研教育的啟示. 生物工程學(xué)報(bào), 2018, 34(12): 1923–1930.Lü YY,Zhang YH, Wang BX, et al. Bringing scientific research education closer to undergraduates through International Genetically Engineered Machine competition. Chin J Biotech, 2018, 34(12): 1923–1930.

近年來(lái)，國(guó)際基因工程機(jī)器大賽 (International genetically engineered machine，iGEM，簡(jiǎn)稱iGEM大賽)在全球迅猛發(fā)展。僅2017年iGEM大賽全球注冊(cè)隊(duì)伍就達(dá)到了史無(wú)前例的313支，中國(guó)地區(qū)有98支iGEM團(tuán)隊(duì)報(bào)名參賽并取得了優(yōu)異成績(jī)。與國(guó)內(nèi)已有的諸多大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、科研培養(yǎng)項(xiàng)目不同，iGEM的組織模式是以學(xué)生為主體的研究型學(xué)習(xí)。該模式取得了豐富的教育效果，體現(xiàn)了新的教育理念，對(duì)于我國(guó)高校組織本科生課外科研訓(xùn)練有較大的借鑒意義。文中以北京大學(xué)參加iGEM大賽為線索，介紹國(guó)際基因工程機(jī)器大賽 (iGEM) 的背景和基本情況并以一個(gè)參賽周期為序再現(xiàn)北京大學(xué)iGEM團(tuán)隊(duì)組織和參賽的主要過(guò)程。通過(guò)與其他本科生科研訓(xùn)練的組織模式進(jìn)行比較，探討iGEM對(duì)本科生科研訓(xùn)練意義，并總結(jié)iGEM的組織經(jīng)驗(yàn)和對(duì)本科生科研能力培養(yǎng)以及組織本科生科研學(xué)術(shù)競(jìng)賽的啟示，希望能為國(guó)內(nèi)高校的iGEM活動(dòng)組織以及本科教育改革提供借鑒。

iGEM，合成生物學(xué)，研究式學(xué)習(xí)，國(guó)際基因工程機(jī)器大賽，基因工程

1 合成生物學(xué)與iGEM大賽

“合成生物學(xué)” (Synthetic biology) 是在遺傳工程 (Genetic engineering) 的概念提出并實(shí)踐十多年的大背景下，在DNA測(cè)序、DNA合成、計(jì)算機(jī)建模以及相關(guān)定量分析技術(shù)進(jìn)一步成熟的基礎(chǔ)上，于21世紀(jì)初期興起的一門交叉學(xué)科。進(jìn)入新千年后，合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速，來(lái)自生物、化學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等不同學(xué)科的科學(xué)家從各自的角度切入生物技術(shù)領(lǐng)域，取得了許多精彩的工作成果，其中比較經(jīng)典的有：加州理工Michael Elowitz等的“生物振蕩網(wǎng)絡(luò)”[1]和波士頓大學(xué)James Collins團(tuán)隊(duì)的“大腸桿菌撥動(dòng)開(kāi)關(guān)”[2]；德州大學(xué)奧斯汀分校和加州大學(xué)舊金山分校2004年的iGEM聯(lián)合參賽項(xiàng)目“生物顯示器”[3]；加州大學(xué)伯克利分校Jay D. Keasling團(tuán)隊(duì)的“酵母產(chǎn)青蒿素項(xiàng)目”[4]等。

目前，學(xué)界對(duì)于“合成生物學(xué)”的定義還存在不同認(rèn)識(shí)，其中一個(gè)可行的定義是：合成生物學(xué)是設(shè)計(jì)那些自然界中不存在的生物系統(tǒng)以及重新設(shè)計(jì)天然生物系統(tǒng)的學(xué)科；它強(qiáng)調(diào)對(duì)生物系統(tǒng)有意圖的工程設(shè)計(jì)[5]。所以，合成生物學(xué)不同于以前“發(fā)現(xiàn)式科學(xué)研究”的范式，它主張從“分析”轉(zhuǎn)向“綜合”，從“發(fā)現(xiàn)”轉(zhuǎn)向“應(yīng)用”。時(shí)至今日，隨著基因編輯、DNA測(cè)序、生物信息學(xué)等技術(shù)方法的進(jìn)一步發(fā)展，合成生物學(xué)的研究平臺(tái)也由早期的原核模式生物轉(zhuǎn)向了工業(yè)微生物、植物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞，其在信息處理、制作材料、化學(xué)加工、能源、制藥等各個(gè)方面的應(yīng)用前景也得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍認(rèn)可。

國(guó)際基因工程機(jī)器大賽[6]——全稱international Genetically Engineered Machine Competition (以下簡(jiǎn)稱iGEM) ——與合成生物學(xué)幾乎同時(shí)誕生。iGEM最早于2005年由麻省理工學(xué)院發(fā)起，旨在推動(dòng)合成生物學(xué)學(xué)科發(fā)展，促進(jìn)各國(guó)大學(xué)生在該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)、交流與合作。每年6月，在賽制組委會(huì)注冊(cè)的學(xué)生隊(duì)伍都可以獲得一個(gè)裝有“標(biāo)準(zhǔn)化DNA元件” (Standard parts，以下簡(jiǎn)稱“元件”) 的工具箱。隨后整個(gè)夏季，學(xué)生在自己學(xué)校運(yùn)用組委會(huì)提供的元件以及自己新開(kāi)發(fā)的元件構(gòu)建新的生物系統(tǒng)并表達(dá)在活細(xì)胞中。每年11月初iGEM“歡聚大會(huì)” (Jamboree) 在麻省理工學(xué)院舉辦，期間各參賽隊(duì)伍將展示他們的工作，評(píng)選出各方面獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得者。大賽總冠軍被稱為“最終唯一大獎(jiǎng)” (The only grand prize)，另有針對(duì)特定方面的突出表現(xiàn)而專門設(shè)計(jì)的單項(xiàng)獎(jiǎng)。由于其特有的趣味性和應(yīng)用性，經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，iGEM從最早的麻省理工、加州理工、普林斯頓等5所北美學(xué)校的學(xué)生暑期聯(lián)合科研比賽，成長(zhǎng)為了有上百支隊(duì)伍 (包括本科生、研究生、高中生) 參與的大型賽事，成為了最具影響力的世界級(jí)大學(xué)生學(xué)術(shù)競(jìng)賽之一。

iGEM的成功離不開(kāi)Drew Endy、Tomas Knight和Randy Rettberg等奠基者和組織者，其中又以Drew Endy對(duì)iGEM的影響最為重要。Drew Endy 原為麻省理工學(xué)院生物工程系助理教授，2008年夏季到斯坦福大學(xué)任教，他圍繞iGEM的建立和發(fā)展做了一系列的工作：1) 與Tomas Knight等一同確立了從“元件” (Parts) 到“裝置” (Device) 再到“系統(tǒng)” (System) 的合成生物學(xué)工程原則[7]；2) 與Randy Rettberg等一同建立了“標(biāo)準(zhǔn)生物元件注冊(cè)庫(kù)” (Registry of standard biological parts) 的網(wǎng)站[8]；3) 主持成立了“生物磚基金會(huì)” (Biobricks Foundation，BBF)?！霸?裝置-系統(tǒng)”的原則是iGEM把生物系統(tǒng)工程化的理念基礎(chǔ)，“標(biāo)準(zhǔn)生物元件注冊(cè)庫(kù)”的網(wǎng)站為歷屆iGEM提供了“元件”信息的存儲(chǔ)、交換和檢索平臺(tái)。

作為工程學(xué)家，Drew Endy 試圖把標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化這兩個(gè)工程原則引入到基因工程中，希望設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)能夠變得如同設(shè)計(jì)電路一樣簡(jiǎn)單。他認(rèn)為限制人們對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的4個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是：1)生物系統(tǒng)的復(fù)雜性；2)構(gòu)建和描述合成生物系統(tǒng)的繁瑣程度及不可靠程度；3)生物系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自發(fā)涌現(xiàn)的物理多樣性；4)生物系統(tǒng)的突變和進(jìn)化能力。他繼而提出，對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化 (Standardization)、解偶聯(lián)化 (Decoupling) 以及抽象化 (Abstraction) 的“基礎(chǔ)性技術(shù)” (Foundational technologies) 可能是應(yīng)對(duì)前三個(gè)挑戰(zhàn)的辦法，這樣的技術(shù)能幫助我們把設(shè)計(jì)和構(gòu)建生物系統(tǒng)的工作變得規(guī)范化、日?；瑥亩蟠蟠龠M(jìn)合成生物學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用[9]?！皹?biāo)準(zhǔn)生物元件注冊(cè)庫(kù)”網(wǎng)站、“DNA-元件-裝置-系統(tǒng)”的抽象原則以及iGEM競(jìng)賽等都是在這個(gè)理論背景下對(duì)“基礎(chǔ)性技術(shù)”所作出的探索和嘗試。在iGEM競(jìng)賽中，每支隊(duì)伍都需要利用標(biāo)準(zhǔn)化的DNA元件以及自己開(kāi)發(fā)的新元件進(jìn)行生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建。這樣的主張大幅降低了大學(xué)生參與生物系統(tǒng)理性設(shè)計(jì)和基因工程實(shí)驗(yàn)的門檻，直接促進(jìn)了iGEM比賽的蓬勃發(fā)展。

2007年，受大賽組織方的邀請(qǐng)，北京大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)和中國(guó)科技大學(xué)4所中國(guó)地區(qū)高校分別組隊(duì)第一次參加iGEM比賽。其中，北京大學(xué)首次參賽即一舉奪得賽會(huì)最高獎(jiǎng)項(xiàng)“最終唯一大獎(jiǎng)” (The only grand prize)。除此之外， 4支中國(guó)隊(duì)伍還拿到了兩項(xiàng)決賽入圍獎(jiǎng)、兩項(xiàng)單項(xiàng)和四塊金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?duì)于首次參賽的中國(guó)隊(duì)伍來(lái)說(shuō)，這樣出色的成績(jī)對(duì)iGEM在中國(guó)的發(fā)展起到了良好的推動(dòng)作用。伴隨著合成生物學(xué)學(xué)科的飛速發(fā)展和iGEM大賽的迅速擴(kuò)張，越來(lái)越多來(lái)自中國(guó)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)參與其中 (圖1)。許多中國(guó)團(tuán)隊(duì)作出了具有相當(dāng)原創(chuàng)性和創(chuàng)新性的工作，在賽場(chǎng)上取得了優(yōu)異成績(jī)。2017年iGEM競(jìng)賽達(dá)到賽事規(guī)模的新頂點(diǎn)，來(lái)自世界各地的300余支iGEM隊(duì)伍齊聚波士頓。其中，來(lái)自中國(guó)大陸和港臺(tái)地區(qū)的本科、研究生和高中iGEM團(tuán)隊(duì)達(dá)到了83支，共有79支隊(duì)伍獲得了獎(jiǎng)項(xiàng)，其中大陸地區(qū)66支，香港特區(qū)4支，臺(tái)灣地區(qū)9支。中國(guó)大陸地區(qū)取得了總計(jì)35金、14銀、17銅的優(yōu)異成績(jī)，其中大學(xué)本科生隊(duì)伍31金、11銀、12銅，有12支隊(duì)伍得到了單項(xiàng)獎(jiǎng)或單項(xiàng)獎(jiǎng)提名。

2 北京大學(xué)iGEM團(tuán)隊(duì)的組織模式

北京大學(xué)自首次參賽以來(lái)，在隨后的10屆iGEM大賽中多次取得優(yōu)異成績(jī)，包括在2010年獲得總決賽亞軍 (First Runner Up)。相應(yīng)的參賽項(xiàng)目在比賽以后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的深入積累，大部分轉(zhuǎn)化為發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 (表1)。作為國(guó)內(nèi)眾多iGEM隊(duì)伍中的一支，北京大學(xué)iGEM的組織模式既繼承了iGEM賽事的整體特色，又有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

鑒于iGEM大賽極富學(xué)術(shù)性、創(chuàng)造性的特點(diǎn)，且參賽同學(xué)具有高度自主性，其組織工作與傳統(tǒng)學(xué)術(shù)競(jìng)賽有很大區(qū)別。iGEM競(jìng)賽并非單純比拼項(xiàng)目的學(xué)術(shù)價(jià)值，還包括評(píng)價(jià)項(xiàng)目的立意、應(yīng)用價(jià)值、社會(huì)影響力的調(diào)研分析及展示效果等綜合性內(nèi)容，隊(duì)伍的隊(duì)員構(gòu)成需要高度多樣化。北大iGEM團(tuán)隊(duì)面向全校招募成員，團(tuán)隊(duì)成員可能來(lái)自生物、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等各個(gè)理工科院系，分布在各個(gè)年級(jí)。就學(xué)術(shù)技能而言，有擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)操作、學(xué)術(shù)理論、數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)分析等不同特長(zhǎng)的成員；就隊(duì)伍運(yùn)作而言，既需要學(xué)術(shù)骨干分子和善于項(xiàng)目管理的成員，也需要善于藝術(shù)設(shè)計(jì)和財(cái)務(wù)管理的成員。成員多樣化和多維度團(tuán)隊(duì)協(xié)作是iGEM賽事的鮮明特點(diǎn)，這在其他本科生競(jìng)賽中是稀缺的。

自2007年首次參賽至今，北大iGEM團(tuán)隊(duì)逐漸摸索總結(jié)出了一套較為完整成熟的組織運(yùn)營(yíng)模式，并在實(shí)踐中得到了良好驗(yàn)證。北大iGEM通過(guò)“北京大學(xué)基因機(jī)器研究會(huì)”這一由學(xué)生獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的社團(tuán)開(kāi)展自主的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和備賽活動(dòng)。在整個(gè)活動(dòng)過(guò)程中，由專門的指導(dǎo)委員會(huì)給iGEM團(tuán)隊(duì)提供學(xué)術(shù)指導(dǎo)。指導(dǎo)委員會(huì)由一到兩名教師和若干名往屆資深隊(duì)員組成，教師主要評(píng)估團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的學(xué)術(shù)價(jià)值和可操作性，并對(duì)項(xiàng)目立項(xiàng)和賽前展示等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行把關(guān)。往屆資深隊(duì)員一般是往屆隊(duì)伍中的骨干，他們會(huì)從實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、項(xiàng)目運(yùn)作、參賽準(zhǔn)備等方面對(duì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行跟蹤式指導(dǎo)。

表1 北大iGEM歷年項(xiàng)目獲獎(jiǎng)情況和論文專利發(fā)表情況

北大校方的關(guān)心和支持也為iGEM活動(dòng)提供了堅(jiān)強(qiáng)后盾。北大iGEM團(tuán)隊(duì)在校內(nèi)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有兩間專有實(shí)驗(yàn)室，能滿足基本的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和社團(tuán)活動(dòng)。由于每年參賽項(xiàng)目不同，學(xué)生常需邀請(qǐng)校內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行指導(dǎo)，甚至借助校內(nèi)學(xué)者實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精密實(shí)驗(yàn)，北大寬松自由的學(xué)術(shù)氛圍之下學(xué)者們?cè)敢鉃閳F(tuán)隊(duì)提供關(guān)鍵性的學(xué)術(shù)幫助。得益于這樣的環(huán)境和平臺(tái)，iGEM團(tuán)隊(duì)的主觀能動(dòng)性得到最大程度的釋放和發(fā)揮。

自2016年起，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和前沿交叉學(xué)科研究院開(kāi)辦了“合成生物學(xué)導(dǎo)論”選修課。課程采用了專題講座的方式，由本校老師和校外專家就合成生物學(xué)的某一個(gè)領(lǐng)域或某一個(gè)問(wèn)題作系統(tǒng)性介紹。課程面向全校本科生和研究生開(kāi)放，既幫助新隊(duì)員夯實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)，也為iGEM團(tuán)隊(duì)增添人員儲(chǔ)備。課程不設(shè)置期末考試，由學(xué)生自發(fā)組成小組進(jìn)行頭腦風(fēng)暴和項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并在遴選會(huì)上進(jìn)行報(bào)告展示，經(jīng)提問(wèn)、討論等環(huán)節(jié)，由評(píng)委老師進(jìn)行最終評(píng)價(jià)并作為成績(jī)?cè)u(píng)定的重要部分?！昂铣缮飳W(xué)導(dǎo)論”將iGEM社團(tuán)的活動(dòng)和課堂結(jié)合起來(lái)，同時(shí)使iGEM建隊(duì)、設(shè)計(jì)選題這一過(guò)程的管理更加系統(tǒng)化和組織化。

基于上述良好的隊(duì)伍組織模式，北大iGEM團(tuán)隊(duì)能夠相對(duì)高效地完成備賽和參賽。整個(gè)備賽和參賽流程可以分為“設(shè)計(jì)和選題”、“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)施”以及“備賽及參賽”三個(gè)階段，我們總結(jié)了北大iGEM隊(duì)伍在各個(gè)階段的經(jīng)驗(yàn)，以供參考。

2.1 第一階段：設(shè)計(jì)選題

每屆iGEM賽事結(jié)束后，往屆參賽隊(duì)員通過(guò)海報(bào)宣傳和舉辦宣講會(huì)等方式在全校范圍內(nèi)進(jìn)行新成員的招募。招募完成后，便進(jìn)入比賽準(zhǔn)備和設(shè)計(jì)選題階段。這一階段通常從秋季學(xué)期的12月開(kāi)始，進(jìn)行到下一年春季學(xué)期4月。該階段的主要任務(wù)是由iGEM社團(tuán)組織新一屆同學(xué)學(xué)習(xí)合成生物學(xué)的基礎(chǔ)和前沿知識(shí)，提出初步想法并通過(guò)頭腦風(fēng)暴選出最終參賽項(xiàng)目。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，往屆參賽隊(duì)員首先在秋季學(xué)期內(nèi)開(kāi)展講座，介紹合成生物學(xué)和iGEM比賽的相關(guān)概念。秋季學(xué)期結(jié)束后，往屆隊(duì)員會(huì)為新成員組織為期數(shù)天的集訓(xùn)營(yíng)，集中進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的講授。在集訓(xùn)營(yíng)的最后一天，新成員被分成若干學(xué)習(xí)小組，各小組在隨后的寒假期間自行學(xué)習(xí)往年優(yōu)秀iGEM項(xiàng)目并對(duì)合成生物學(xué)經(jīng)典文獻(xiàn)進(jìn)行深入調(diào)查和閱讀，然后定期進(jìn)行在線交流討論。這樣的方式可以在短時(shí)間內(nèi)讓同學(xué)們充分認(rèn)知合成生物學(xué)并找到自己的興趣點(diǎn)。隨后，同學(xué)們開(kāi)始進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，在討論中講述自己的創(chuàng)意想法 (哪怕是非常初級(jí)的想法)，通過(guò)不斷的群組討論進(jìn)行完善。新成員在春季學(xué)期開(kāi)始前集合，各小組集中匯報(bào)寒假的學(xué)習(xí)成果，并根據(jù)“頭腦風(fēng)暴”的結(jié)果進(jìn)行重新分組。

春季學(xué)期開(kāi)始后，團(tuán)隊(duì)每周以例會(huì)的方式進(jìn)行項(xiàng)目討論，同學(xué)們用口頭報(bào)告等形式互講互評(píng)深入交流，進(jìn)一步完善各自的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。每年4月，由指導(dǎo)委員會(huì)組織參賽項(xiàng)目遴選會(huì)，對(duì)各小組的項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)兩到三輪的遴選會(huì)，從候選項(xiàng)目中確定最終的參賽項(xiàng)目。項(xiàng)目確定后，在4月底，由指導(dǎo)委員會(huì)組織一次檢驗(yàn)同學(xué)們前期參與程度、解決實(shí)際問(wèn)題綜合能力的“馬拉松式”開(kāi)卷考試，最終確定本年的正式參賽人員名單。

2.2 第二階段：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及實(shí)施

該階段是從4月底隊(duì)伍建立起到7月初進(jìn)入暑假正式開(kāi)展項(xiàng)目的期間，iGEM團(tuán)隊(duì)成員需要在老隊(duì)員的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)技能強(qiáng)化和實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)培訓(xùn)。同時(shí)，在春季學(xué)期的期末考試前，盡可能完善實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，并開(kāi)展相關(guān)的預(yù)實(shí)驗(yàn)。

暑假開(kāi)始后，隊(duì)員們開(kāi)始正式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作。在實(shí)驗(yàn)最開(kāi)始階段，常常會(huì)有同學(xué)因?yàn)闆](méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題。遇到隊(duì)員都沒(méi)有接觸的實(shí)驗(yàn)方法，更需要整個(gè)團(tuán)隊(duì)邊學(xué)邊做，互相幫助，確保每個(gè)隊(duì)員都或多或少參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。這為隊(duì)員們的個(gè)人參與度、責(zé)任感以及整個(gè)團(tuán)隊(duì)凝聚力提供了保證。

進(jìn)入高強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)階段后，老隊(duì)員需要緊密地參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，幫助解決團(tuán)隊(duì)遇到的困難。同時(shí)，指導(dǎo)委員會(huì)需要定期組織例會(huì)，監(jiān)督實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，保證整個(gè)項(xiàng)目有計(jì)劃地推進(jìn)。整個(gè)暑假，iGEM隊(duì)員們幾乎都需要在實(shí)驗(yàn)室中度過(guò)，而實(shí)驗(yàn)的過(guò)程又是相對(duì)繁瑣、枯燥的，它考驗(yàn)著同學(xué)們的意志品質(zhì)。這一階段的艱苦工作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，會(huì)進(jìn)一步激發(fā)隊(duì)伍不畏困難的精神，使整個(gè)團(tuán)隊(duì)愈發(fā)富有戰(zhàn)斗力。

2.3 第三階段：集中備賽及參賽

從9月秋季學(xué)期開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)入集中備賽及參賽階段。該階段不僅需要整個(gè)團(tuán)隊(duì)全力以赴完成剩余的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，還需要進(jìn)行比賽的準(zhǔn)備工作，包括完成建立網(wǎng)站、寄送DNA元件、填寫(xiě)比賽相關(guān)材料、制作海報(bào)、準(zhǔn)備報(bào)告展示等一系列任務(wù)。

進(jìn)入新的學(xué)期，課程和學(xué)業(yè)壓力可能會(huì)迫使項(xiàng)目的進(jìn)度放緩。這時(shí)，有效的進(jìn)度評(píng)估機(jī)制就顯得格外重要。北大iGEM指導(dǎo)委員會(huì)將會(huì)組織定期的進(jìn)度評(píng)估，督促各項(xiàng)任務(wù)齊頭并進(jìn)。在多輪細(xì)致的指導(dǎo)下，學(xué)術(shù)海報(bào)和展示用幻燈片會(huì)經(jīng)過(guò)反復(fù)修改以達(dá)到最好效果。在學(xué)術(shù)匯報(bào)展示部分，指導(dǎo)委員會(huì)將會(huì)安排多輪試講活動(dòng)，同時(shí)邀請(qǐng)本校的教授作為評(píng)委進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，以模擬真實(shí)的比賽情況。除上臺(tái)展示的同學(xué)外，其他隊(duì)員們需要針對(duì)項(xiàng)目，詳細(xì)周全地準(zhǔn)備評(píng)委可能會(huì)問(wèn)到的問(wèn)題，完善展示的細(xì)節(jié)，以做好最充分的準(zhǔn)備。

由學(xué)生自主完成項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將嚴(yán)肅而活潑的學(xué)術(shù)討論氛圍貫穿始終，這是北大iGEM隊(duì)伍一貫堅(jiān)持的傳統(tǒng)。這樣的組織模式為本科生搭建了一個(gè)具有較大自主性的、可得到全方位鍛煉的科研平臺(tái)。該平臺(tái)包括科研入門培訓(xùn)、研究性學(xué)習(xí)方式、資金支持、實(shí)驗(yàn)環(huán)境支持、導(dǎo)師和課程指導(dǎo)等學(xué)術(shù)環(huán)境，以及參與國(guó)際比賽、學(xué)術(shù)會(huì)議或發(fā)表論文等多元化的科研產(chǎn)出途徑，從而實(shí)現(xiàn)了本科生科研活動(dòng)的可持續(xù)性自我成長(zhǎng)。

3 北京大學(xué)iGEM活動(dòng)意義的分析

北大iGEM活動(dòng)是一個(gè)完全由學(xué)生自主發(fā)起、組織的科研活動(dòng)，其模式的成功對(duì)如何培養(yǎng)研究型大學(xué)本科生科研能力有很大的借鑒意義。參照iGEM在中國(guó)以及全世界的發(fā)展?fàn)顩r，以及北大iGEM團(tuán)隊(duì)十年來(lái)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，我們不難分析出以下事實(shí)：一種以學(xué)生為主的、尊重學(xué)生的科研地位、提供學(xué)生學(xué)術(shù)資源的教育模式逐漸興起，并在學(xué)生群體中的需求仍呈逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)。

3.1 iGEM活動(dòng)代表了以學(xué)生為主體的科學(xué)研究培養(yǎng)模式

iGEM的誕生地麻省理工學(xué)院于1969年推出了美國(guó)第一個(gè)本科生科研能力培養(yǎng)項(xiàng)目“本科生研究機(jī)會(huì)項(xiàng)目” (Undergraduate research opportunities program，簡(jiǎn)稱UROP[10])，這一項(xiàng)目鼓勵(lì)本科生以年輕同事的身份參與到教師的科研工作中，要求學(xué)生獨(dú)立撰寫(xiě)研究計(jì)劃及項(xiàng)目總結(jié)，并且學(xué)校通過(guò)給予學(xué)分、報(bào)酬或者“志愿者”身份來(lái)保障學(xué)生在研究過(guò)程中的積極性。麻省理工的另一個(gè)培養(yǎng)項(xiàng)目是歷史悠久的“獨(dú)立活動(dòng)時(shí)期計(jì)劃” (Independent activities period，簡(jiǎn)稱IAP)，即在圣誕節(jié)后的四周時(shí)間里，鼓勵(lì)老師和同學(xué)們打破平常的身份限制，提出項(xiàng)目、共同合作。這時(shí)既可以像往常一樣由老師提出項(xiàng)目學(xué)生參與，也可以反過(guò)來(lái)由學(xué)生提出項(xiàng)目老師參與?？梢?jiàn)，麻省理工學(xué)院非常注重學(xué)生的主體性，并且有一套完整的保障機(jī)制，激勵(lì)本科生參與到科研活動(dòng)中。繼麻省理工學(xué)院之后，美國(guó)其他學(xué)校也都開(kāi)展了不同形式的鼓勵(lì)本科生參與科研活動(dòng)的項(xiàng)目，并取得了很多進(jìn)展[11-12]。iGEM正是在美國(guó)研究型大學(xué)開(kāi)展本科生科研訓(xùn)練40多年的大背景下誕生的，它所提出的“參賽流程”反映了美國(guó)研究型大學(xué)組織本科生科研能力培養(yǎng)的先進(jìn)理念和發(fā)達(dá)制度。

不僅如此，iGEM主辦方推薦的“標(biāo)準(zhǔn)參賽流程”還用工程化的方法簡(jiǎn)化了生物工程研究項(xiàng)目的復(fù)雜度：其標(biāo)準(zhǔn)生物元件 (Standardized bioBricks) 的概念、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化DNA拼接技術(shù) (Standard assembly) 以及在此基礎(chǔ)上的一系列系統(tǒng)工程原則，都從技術(shù)上進(jìn)一步降低了參與者的進(jìn)入門檻，從而更加有利于本科生開(kāi)展原創(chuàng)的生物工程項(xiàng)目實(shí)踐。在這一過(guò)程中，學(xué)生自主性的學(xué)習(xí)和討論是科研教育的主體，而教師通常只起到方向指導(dǎo)和教學(xué)評(píng)估的作用。

3.2 iGEM活動(dòng)彌補(bǔ)了我國(guó)高校當(dāng)前“學(xué)徒式”培養(yǎng)模式的不足

在國(guó)內(nèi)的高等院校和研究型大學(xué)里，教師同時(shí)擔(dān)有研究和授課的任務(wù)，研究多面向研究生，授課多面向本科生。為了讓學(xué)生較早適應(yīng)研究生階段的工作，教師往往會(huì)接收高年級(jí)本科生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與教師的科研項(xiàng)目。各大高校也設(shè)置了各類本科生科研訓(xùn)練制度和“基金”項(xiàng)目，以期激勵(lì)本科生深度參與到科研活動(dòng)中。然而，大部分學(xué)子在大一和大二階段有較重的課業(yè)壓力，在開(kāi)展研究課題時(shí)其實(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室工作及相關(guān)知識(shí)概念的了解有限；教師也擔(dān)心學(xué)生因缺乏經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致項(xiàng)目不能完成，浪費(fèi)資源。鑒于以上兩點(diǎn)，“課題立項(xiàng)”在實(shí)際操作中多由老師代辦，從而使其成為教師項(xiàng)目的一部分。由于學(xué)分和結(jié)題的壓力，本科生科研訓(xùn)練常常變?yōu)榻處熤鲗?dǎo)、學(xué)生干活的“學(xué)徒式”的培養(yǎng)模式。

學(xué)徒并非不好，以教師為主也并非不好，但如果一味由教師安排學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師為學(xué)生制定教學(xué)計(jì)劃、科研計(jì)劃，學(xué)生始終處在被動(dòng)的狀態(tài)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，也不利于培養(yǎng)學(xué)生自主追蹤和拓展前沿研究方向的能力。而在科研人才培養(yǎng)的第一個(gè)階段，也是學(xué)術(shù)生涯中能力建設(shè)的關(guān)鍵期“本科生階段”有意識(shí)地培養(yǎng)科研的主體性，能從根本上促進(jìn)這些未來(lái)科研工作者的自主創(chuàng)新能力。

3.3 iGEM活動(dòng)給年輕學(xué)子提供主導(dǎo)獨(dú)立科研項(xiàng)目的機(jī)會(huì)

在國(guó)內(nèi)高?，F(xiàn)有教育環(huán)境下，iGEM活動(dòng)為本科生提供了難能可貴的科研教育實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。iGEM大賽的評(píng)價(jià)機(jī)制尤其看重參賽學(xué)生的自主程度和獨(dú)立科研能力。在此機(jī)制下，iGEM學(xué)生自發(fā)性地進(jìn)行隊(duì)伍組建、社團(tuán)活動(dòng)、項(xiàng)目調(diào)研、經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)、實(shí)驗(yàn)室管理、社會(huì)調(diào)研、行政管理等工作。這充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性，使得學(xué)生的個(gè)人能力得到了最大程度的培養(yǎng)。

一般來(lái)說(shuō)，同學(xué)們?cè)趇GEM比賽所橫跨的 10個(gè)月內(nèi)將會(huì)獲得以下收獲：1) 主導(dǎo)一項(xiàng)獨(dú)立的科研項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目制學(xué)習(xí)接受全方位的科研訓(xùn)練；2) 健全團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)，獲得團(tuán)隊(duì)管理和組織協(xié)調(diào)的經(jīng)驗(yàn)；3) 完成一項(xiàng)學(xué)術(shù)水平較高的科研工作，并在賽場(chǎng)上獲得國(guó)際學(xué)術(shù)同行的評(píng)價(jià)；4) 如果在比賽中收獲優(yōu)異成績(jī)，將會(huì)在未來(lái)學(xué)術(shù)生涯中獲得一個(gè)高起點(diǎn)；5) 賽后可繼續(xù)深入研究，將參賽項(xiàng)目成果在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。上述這些都是傳統(tǒng)意義上的科研教育模式難以提供的。

4 總結(jié)與展望

十年的北大iGEM活動(dòng)為本科生團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了良好的學(xué)術(shù)價(jià)值和社會(huì)成就，也讓我們看到本科生課外科研所能達(dá)到的高度，其模式是值得肯定和推廣的。我們可以簡(jiǎn)要?dú)w納出北大iGEM活動(dòng)的成功要素，為本科生科研教育提供一些經(jīng)驗(yàn)和啟示。

首先，一個(gè)富有吸引力的學(xué)術(shù)契機(jī)是活動(dòng)成功的關(guān)鍵所在。iGEM大賽是本科生團(tuán)隊(duì)合作完成科研項(xiàng)目的天然契機(jī)：它既有可見(jiàn)的短期的收益——在國(guó)際大賽中獲得獎(jiǎng)項(xiàng)，又有長(zhǎng)期的學(xué)術(shù)價(jià)值——在本科階段即完成初步的科研訓(xùn)練、甚至發(fā)表科學(xué)論文，對(duì)未來(lái)的升學(xué)與求職會(huì)有很大幫助。iGEM大賽綜合了自主性、創(chuàng)新性、趣味性，能充分調(diào)動(dòng)年輕學(xué)子的創(chuàng)造力和主觀能動(dòng)性。

其次，高水平的教師指導(dǎo)是科研教育產(chǎn)生顯著效果的必要條件。iGEM大賽雖然強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體、自主立項(xiàng)、自主科研，但全無(wú)學(xué)術(shù)背景的學(xué)生很難獨(dú)立提出既有學(xué)術(shù)價(jià)值又有可操作性的科研項(xiàng)目。因此，需要有經(jīng)驗(yàn)豐富的教師和有經(jīng)驗(yàn)的研究生、高年級(jí)本科生給予及時(shí)的指導(dǎo)，避免出現(xiàn)盲目和無(wú)效的項(xiàng)目實(shí)踐。經(jīng)驗(yàn)豐富的指導(dǎo)者團(tuán)隊(duì)能很好地把控立項(xiàng)和設(shè)計(jì)的節(jié)奏，引導(dǎo)同學(xué)們高效行事，快速掌握科學(xué)的思維和方法。

最后，應(yīng)當(dāng)建立完整的項(xiàng)目評(píng)價(jià)機(jī)制。本科生更多時(shí)候需要引導(dǎo)、激勵(lì)和肯定，建立一套完整的評(píng)價(jià)體系可以保護(hù)學(xué)生的積極性，使他們學(xué)會(huì)直面挫折，并享受成功的快樂(lè)。來(lái)自學(xué)校和社會(huì)的關(guān)注也能增強(qiáng)學(xué)生們的項(xiàng)目積極性。

綜上，iGEM模式在北大以及各大高校的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高校以學(xué)生為主體的研究型本科生科研能力培養(yǎng)有著重要的借鑒意義。隨著iGEM模式的科研教育在國(guó)內(nèi)的蓬勃發(fā)展，我們期待未來(lái)在這種模式下培養(yǎng)的年輕學(xué)子能夠具備更為扎實(shí)的能力結(jié)構(gòu)與更為全面的知識(shí)圖景，成為即將到來(lái)的新一輪技術(shù)革命的中流砥柱。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Bringing scientific research education closer to undergraduates through International Genetically Engineered Machine competition

Yuanye Lü1, Yihao Zhang1, Boxiang Wang2, Cheng Li1, Haoqian Zhang1, and Qi Ouyang1,3

1 Center for Quantitative Biology and Center for Life Sciences, Peking University, Beijing 100871, China 2 BGI College, Shenzhen 518083, Guangdong, China 3 School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China

In recent years, the International Genetically Engineered Machine (iGEM) competition has experienced rapid global development. In 2017 alone, the number of iGEM teams registered around the globe reached an unprecedented 313, with 98 iGEM teams from China having enrolled in the competition and obtained outstanding results. In contrast to the many college students’ innovation projects and scientific research training programs in China, iGEM’s organization mode is focused on student-centered research learning. Moreover, it achieved a rich educational effect, embodying a new educational idea, which gives it great significance for the extracurricular scientific research training of undergraduates in Chinese universities. In this article, we took Peking University’s participation in the iGEM competition as a starting point. The first part introduces the background and general situation of the iGEM competition. The second part reproduces the general procedure of one iGEM season and organization of Peking University’s team. The third part compares iGEM’s organization mode with those of other undergraduate research training courses and discusses them in detail. The fourth part sums up the experience with iGEM activities as well as explains its effect on developing the research capacity of undergraduate students as well as inspiring them to organize an undergraduate scientific research competition. This article aims to provide a reference for the organization of iGEM activities in domestic universities and for the reform of undergraduate education.

iGEM, synthetic biology, research-based learning, international genetically engineered machine competition, genetic engineering

November 2, 2018;

December 4, 2018

MOE Cultivation Plan for Top-Level Undergraduates of Basic Sciences.

s:Haoqian Zhang. E-mail: myelinzhang@pku.edu.cn

Qi Ouyang. E-mail: qi@pku.edu.cn

10.13345/j.cjb.180452

教育部基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃資助。