高校生命科學(xué)大型設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革

席超，劉進(jìn)

北京師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，北京 100875

高校公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是大型精密設(shè)備的共享使用和績(jī)效管理平臺(tái)。近年來(lái)，國(guó)家和社會(huì)對(duì)大型儀器設(shè)備開(kāi)放共享不斷提出新的要求[1-2]，如何在保證設(shè)備、實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全的基礎(chǔ)上，更加充分地發(fā)揮大型設(shè)備的功能、提高有效使用率、提高設(shè)備的科研支撐和學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)水平就成為大型設(shè)備平臺(tái)管理中的重要問(wèn)題，國(guó)內(nèi)高校也在進(jìn)行各種嘗試[3-15]。通過(guò)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)促進(jìn)大型設(shè)備的使用效率、提高學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)效果也是其中的一種嘗試[16-21]。我學(xué)院在公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和完善過(guò)程中，不斷思考和實(shí)踐，突破常規(guī)，積極探索大型設(shè)備使用的教學(xué)方法，建立了一套比較完善的教學(xué)體系[22]。在教學(xué)實(shí)踐中，我們根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)、學(xué)生專業(yè)差異、科研實(shí)際需求和學(xué)習(xí)效果對(duì)教學(xué)體系不斷進(jìn)行改革和完善，產(chǎn)生了一定的實(shí)際效果。

1 傳統(tǒng)培訓(xùn)方法與實(shí)際需求的矛盾

北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心成立于2006年，是服務(wù)學(xué)院學(xué)科發(fā)展的大型設(shè)備共享服務(wù)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)，截至目前，平臺(tái)共享的大型設(shè)備達(dá)到118臺(tái)套，年使用機(jī)時(shí)累計(jì)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，配備實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員12人。在平臺(tái)的快速發(fā)展過(guò)程中，我們遇到過(guò)很多問(wèn)題，其中傳統(tǒng)儀器教學(xué)方法和不斷增加的實(shí)際需求之間的矛盾尤其明顯。

傳統(tǒng)的儀器培訓(xùn)方法，采用的都是儀器管理教師現(xiàn)場(chǎng)講解使用方法和演示儀器的上機(jī)操作流程，數(shù)十名學(xué)生圍著一臺(tái)機(jī)器，根本無(wú)法保證所有的學(xué)生都能夠?qū)υO(shè)備有全面和深入的了解；同時(shí)，由于課堂時(shí)間有限，培訓(xùn)中教師通常對(duì)儀器的工作原理和技術(shù)應(yīng)用涉及不多或者淺嘗輒止，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生對(duì)設(shè)備能解決的科研問(wèn)題知之不深。對(duì)設(shè)備缺乏足夠的了解就造成了科研效率低下、設(shè)備有效使用率不高和儀器故障率增加等現(xiàn)象。

在這種背景下要求我們必須對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備培訓(xùn)方法進(jìn)行改革，建立一種系統(tǒng)、高效的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)培訓(xùn)體系，使學(xué)生從設(shè)備的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)到使用方法和應(yīng)用領(lǐng)域能有整體的掌握和深入的認(rèn)識(shí)，從而提高大型儀器設(shè)備的使用效率，開(kāi)發(fā)設(shè)備的新功能，降低設(shè)備故障率、節(jié)約設(shè)備運(yùn)行成本，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和水平。

2 建立大型儀器設(shè)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)體系

經(jīng)過(guò)多年的摸索，學(xué)院于2012年開(kāi)設(shè)了“生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理與方法”課程，課程為專業(yè)必選課，計(jì)3個(gè)學(xué)分。授課對(duì)象主要為一年級(jí)研究生[22]。整個(gè)課程持續(xù)15周，授課人為設(shè)備主管教師。設(shè)備主管教師共有12位，平均年齡40歲，全部具有博士學(xué)位，部分還擁有海外博士后經(jīng)歷，80%具有高級(jí)職稱。他們具有數(shù)年的生命科學(xué)科研經(jīng)歷，從事過(guò)多年的生命科學(xué)大型設(shè)備的管理、分析測(cè)試服務(wù)和相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，并擁有給本科生和研究生講授實(shí)驗(yàn)課的經(jīng)驗(yàn)。課程還安排了6次校外專家講座，涉及到的專家主要為生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和知名廠家的技術(shù)應(yīng)用專家，結(jié)合最新發(fā)表的高水平科研論文，為學(xué)生講解生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的前沿進(jìn)展及其在科研中的應(yīng)用[22]。

設(shè)備主管教師授課包括 14個(gè)專題內(nèi)容(表1)[22]，每周安排2次授課，每次3個(gè)課時(shí)，第一個(gè)課時(shí)講解理論，課程內(nèi)容力求更貼近科研實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生熟悉設(shè)備的技術(shù)原理；后兩個(gè)課時(shí)教師上機(jī)演示和學(xué)生上機(jī)操作，授課注重原理和硬件、理論與實(shí)踐、功能和拓展的緊密銜接，同時(shí)學(xué)生可以了解到設(shè)備應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題和解決辦法；實(shí)行分組上機(jī)教學(xué) (每組 10–15人)，確保每個(gè)學(xué)生都能近距離觀看老師的示范、與老師良好互動(dòng)和上機(jī)操作，提高教學(xué)效果。整門課程涉及到的大型儀器設(shè)備超過(guò)80臺(tái)套，基本涵蓋了共享平臺(tái)中的絕大部分設(shè)備。

表1 課程內(nèi)容Table 1 Course content

3 課程考核和教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本課程為考查課，課程結(jié)束后會(huì)從兩方面對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核，首先要求學(xué)生對(duì)課上學(xué)習(xí)的某一實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行原理和設(shè)備應(yīng)用深入分析，撰寫(xiě)綜述或者實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告；其次，課程結(jié)束后會(huì)對(duì)選修過(guò)此課程的研究生進(jìn)行設(shè)備理論和上機(jī)操作兩方面的考核，通過(guò)考核的學(xué)生才可以注冊(cè)大型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)預(yù)約系統(tǒng)賬號(hào)，自行預(yù)約使用設(shè)備。教學(xué)效果從以下幾方面得以體現(xiàn)，第一，由于使用者操作不當(dāng)引起的設(shè)備故障發(fā)生率降低，操作的規(guī)范性顯著提高；第二，學(xué)生自行操作能力提高，大型設(shè)備的使用率得到提升，近些年大型設(shè)備年均總使用機(jī)時(shí)為25 000 h，年均預(yù)約使用達(dá)8 000多人次；第三，課后發(fā)放匿名學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷，調(diào)查學(xué)生對(duì)專題內(nèi)容設(shè)置、上機(jī)操作安排、教師授課方式和感興趣的校外專家講座內(nèi)容。

4 課程的不斷改革與創(chuàng)新

通過(guò)幾年的授課，我們積累了不少教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，但是也產(chǎn)生了一些新的問(wèn)題。首先，學(xué)院有生態(tài)學(xué)和生物學(xué)兩個(gè)一級(jí)學(xué)科，相應(yīng)的宏觀方向和微觀方向的研究生關(guān)注和需要掌握的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法是不同的，這樣在統(tǒng)一授課的時(shí)候宏觀的實(shí)驗(yàn)技術(shù)微觀方向的學(xué)生不感興趣，微觀的實(shí)驗(yàn)技術(shù)宏觀方向的學(xué)生也不關(guān)注，就在一定程度上造成了課程資源的浪費(fèi)，教學(xué)效果也會(huì)打折扣；其次，盡管我們?cè)谏蠙C(jī)實(shí)踐階段采用了分小組上機(jī)的方式，希望每位同學(xué)都能獲得足夠的上機(jī)時(shí)間，但是由于上機(jī)時(shí)間只有兩個(gè)課時(shí)，大型儀器設(shè)備掌握起來(lái)又有一定難度，使得學(xué)生感覺(jué)上機(jī)操作時(shí)間仍然不夠充裕；第三，理論部分要求教師在一個(gè)課時(shí)內(nèi)將設(shè)備和技術(shù)的原理、應(yīng)用、結(jié)果分析和常見(jiàn)問(wèn)題的解決辦法全部講解完畢，導(dǎo)致大部分學(xué)生感覺(jué)內(nèi)容多，不能全部理解。

針對(duì)這些新的問(wèn)題，結(jié)合最新的教學(xué)理念和信息技術(shù)，近些年來(lái)我們對(duì)課程的授課方式和課程內(nèi)容進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。

第一、建立“生命科學(xué)云端學(xué)習(xí)平臺(tái)” (圖1)。主講教師提前將所有專題的 PPT進(jìn)行講解錄制，錄制好的 PPT被轉(zhuǎn)換成為視頻文件并上傳至“生命科學(xué)云端學(xué)習(xí)平臺(tái)”。我們要求學(xué)生在上課之前，通過(guò)自己的賬號(hào)和密碼登錄平臺(tái)觀看相關(guān)視頻，學(xué)習(xí)相關(guān)理論，平臺(tái)還支持在線提問(wèn)和在線回復(fù)功能。云端學(xué)習(xí)平臺(tái)的建立使得學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間更加靈活，學(xué)生可以自主安排自己的理論學(xué)習(xí)時(shí)間，針對(duì)難度較大的內(nèi)容，學(xué)生還可以通過(guò)反復(fù)觀看講解、線上提問(wèn)等方式來(lái)解決。對(duì)于授課教師也解決了理論課時(shí)少、講解無(wú)法深入的問(wèn)題，教師可以更加合理地安排理論內(nèi)容講解的時(shí)間、廣度和深度。

圖1 “生命科學(xué)云端實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)”網(wǎng)站截圖Fig. 1 Website screenshot of “Experimental learning cloud platform of lifesciences”.

第二、平行班教學(xué)。我們將原來(lái)的大班拆分為4個(gè)平行班級(jí)，每個(gè)班級(jí)人數(shù)不超過(guò)25人，每班課程設(shè)置包括15–16個(gè)專題。上課學(xué)生數(shù)的減少使得學(xué)生有了更多和教師面對(duì)面交流的機(jī)會(huì)，也解決了實(shí)驗(yàn)室空間不足導(dǎo)致的教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)擁擠的問(wèn)題。專題設(shè)置在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了分類和細(xì)化，4個(gè)平行班級(jí)的專題，既各有側(cè)重，又互相補(bǔ)充。比如，把其中一個(gè)班級(jí)的課程安排為生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)為主生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)為輔的模式，將之前的“野生動(dòng)物無(wú)線追蹤和行為監(jiān)測(cè)”專題細(xì)化為“野外錄音與分析”、“動(dòng)物調(diào)查和行為觀察”、“動(dòng)物調(diào)查數(shù)據(jù)分析”、“紅外相機(jī)與動(dòng)物追蹤”等專題。細(xì)化后的專題內(nèi)容基本涵蓋了我院宏觀方向研究所需的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備。同時(shí)，針對(duì)生態(tài)學(xué)對(duì)部分微觀實(shí)驗(yàn)技術(shù)的需求，我們補(bǔ)充了微滴式數(shù)字PCR技術(shù)、光譜色譜分析技術(shù)、掃描電子顯微鏡技術(shù)等專題。其他3個(gè)生物學(xué)課程平行班根據(jù)不同二級(jí)學(xué)科的研究需要，在開(kāi)設(shè)基本專題基礎(chǔ)上各有側(cè)重 (表 2)。

表2 平行班課程內(nèi)容Table 2 Course content of parallel classes

第三、增加學(xué)生上機(jī)實(shí)踐時(shí)間。由于云端學(xué)習(xí)平臺(tái)的建立，使得我們可以將之前兩個(gè)課時(shí)的學(xué)生上機(jī)時(shí)間增加為3個(gè)課時(shí)；同時(shí)，平行班的教學(xué)模式使得每班的學(xué)生人數(shù)減少，這樣每個(gè)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐的時(shí)間便相應(yīng)地延長(zhǎng)，教師也可以更加細(xì)致地演示設(shè)備使用方法。

5 大型設(shè)備教學(xué)功能在本科生實(shí)踐能力培養(yǎng)中的應(yīng)用

研究生是科學(xué)研究的主體、大型設(shè)備的主要使用者，是此課程的主要教學(xué)對(duì)象。隨著國(guó)家“雙一流”高校建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的確立，對(duì)本科生實(shí)踐能力的培養(yǎng)提出了更高的要求。大型設(shè)備是高校重要的科研和教學(xué)資源，如何發(fā)揮其在本科生實(shí)踐能力培養(yǎng)上的作用，我們也進(jìn)行了嘗試，包括：1) 在部分原有本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程基礎(chǔ)上，將大型設(shè)備教學(xué)環(huán)節(jié)加入其中，如在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課中加入了臨界點(diǎn)干燥儀、離子濺射儀和掃描電子顯微鏡的教學(xué)環(huán)節(jié)；在發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，加入了基因槍、熒光體視顯微鏡和冷凍切片機(jī)的教學(xué)環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)中學(xué)生們可以學(xué)習(xí)設(shè)備的原理并且親自上機(jī)操作；2) 一些對(duì)操作要求較高或者暫時(shí)無(wú)法滿足上機(jī)需求的大型設(shè)備，如全自動(dòng)蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)、高效液相色譜儀、氣相色譜儀、原子吸收光譜儀和紅外吸收光譜儀等設(shè)備，我們將其制作成了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，供本科生模擬操作。

6 結(jié)語(yǔ)

大型設(shè)備是高校科研工作的重要保障，如何發(fā)揮其在學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)上的教學(xué)作用，得到了愈來(lái)愈多的重視，高校開(kāi)始建立與大型設(shè)備相關(guān)的教學(xué)課程。我學(xué)院根據(jù)自身大型設(shè)備情況，充分考慮生態(tài)學(xué)和生物學(xué)學(xué)科特點(diǎn)、宏觀研究和微觀研究學(xué)生的需求差異，建立了覆蓋廣泛、涉及技術(shù)全面、分平行班實(shí)施、學(xué)生按需選擇的教學(xué)體系，實(shí)踐中產(chǎn)生了一定的教學(xué)效果。期望我們?cè)谶@方面的工作可以為兄弟院校提供參考，能夠?yàn)樘岣叽笮驮O(shè)備在學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)中的作用提供幫助。