王 來 耿慧霞 趙海鵬 魏建設(shè)
河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河南 開封 475004
神經(jīng)生物學(xué)是生命科學(xué)中探討大腦結(jié)構(gòu)和功能奧秘的一門新的前沿學(xué)科,其研究層面涉及分子、細(xì)胞、系統(tǒng)、行為和認(rèn)知等不同領(lǐng)域。神經(jīng)生物學(xué)自20世紀(jì)誕生后發(fā)展迅速,已經(jīng)成為引領(lǐng)當(dāng)代生命科學(xué)革命的學(xué)科之一,其發(fā)展趨向、速度及水平受到全球?qū)W術(shù)界和政府部門的高度重視。我國(guó)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》把腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)列為我國(guó)科技中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一。美國(guó)提出的“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計(jì)劃”、歐盟提出的“藍(lán)腦計(jì)劃”和日本提出的“腦科學(xué)時(shí)代”,以及我國(guó)提出的“一體兩翼腦計(jì)劃”加速了神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科發(fā)展的步伐,促進(jìn)了近年來神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科知識(shí)新的研究進(jìn)展和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)。
本科生神經(jīng)生物學(xué)課程是學(xué)習(xí)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的一門基礎(chǔ)性、實(shí)驗(yàn)性、創(chuàng)新性、探索性課程。在實(shí)際教學(xué)過程中,應(yīng)該開設(shè)一些必要的實(shí)驗(yàn)課程,采用分子生物學(xué)、生物化學(xué)、形態(tài)學(xué)等多學(xué)科的研究方法,從整體、系統(tǒng)、細(xì)胞和分子等多個(gè)層面切入,使學(xué)生深入認(rèn)識(shí)和理解神經(jīng)生物學(xué)的學(xué)科知識(shí)點(diǎn),這樣才有利于學(xué)生掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、培養(yǎng)科學(xué)的創(chuàng)新性思維。本研究首先從學(xué)生角度出發(fā),通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查設(shè)置少而精、學(xué)生感興趣的神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程,并在科研實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課的講授和操作,使學(xué)生熟練掌握基本的神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能,以此加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,幫助學(xué)生鞏固和驗(yàn)證理論知識(shí),提高神經(jīng)生物學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維,促使學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)的認(rèn)識(shí)從感性上升到理性,并習(xí)得神經(jīng)生物學(xué)課題研究的基本能力。
目前,國(guó)內(nèi)各本科院校開設(shè)的神經(jīng)生物學(xué)課程的教學(xué)基本處在初步探索和不斷改進(jìn)的階段,主要的教學(xué)模式是以基本理論、基本概念講授為主,結(jié)合神經(jīng)生物學(xué)科學(xué)史的闡述,促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握,偶爾組織本科生參觀神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)室,極少開設(shè)本科生參加的神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。由此可見,目前本科生神經(jīng)生物學(xué)課程的講授不利于學(xué)生掌握現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)方法和技能,不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力,不利于學(xué)生創(chuàng)新型思維的發(fā)展。因此,本課題在分析本科神經(jīng)生物學(xué)教學(xué)不足原因的基礎(chǔ)上,研究設(shè)置神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容,從細(xì)胞(神經(jīng)元)—腦—整體三個(gè)維度安排實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生在分子—細(xì)胞—整體三個(gè)層次以及符合漸進(jìn)性認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上深刻理解神經(jīng)生物學(xué)理論知識(shí),并將這些知識(shí)貫穿到探索性實(shí)驗(yàn)課中,使學(xué)生掌握神經(jīng)生物學(xué)的理論知識(shí),熟悉神經(jīng)生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù),以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生具備科學(xué)性、創(chuàng)新性思維的教學(xué)目標(biāo)。同時(shí),在探索性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中,可以結(jié)合國(guó)家、省市和本校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,抓住建立生命科學(xué)學(xué)院全院本科生導(dǎo)師制的契機(jī),吸納學(xué)生參與到實(shí)際項(xiàng)目中,進(jìn)一步鞏固他們所掌握的神經(jīng)生物學(xué)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能,提高他們對(duì)神經(jīng)生物學(xué)的興趣,激發(fā)他們的科研潛能和培養(yǎng)他們的科研思維。
神經(jīng)生物學(xué)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科,在教學(xué)內(nèi)容體系上強(qiáng)調(diào)從理論探討到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、再到探索新知識(shí)的過程,循序漸進(jìn)、步步為營(yíng),使學(xué)生逐步掌握該學(xué)科的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能。探索性實(shí)驗(yàn)課程以學(xué)生為起點(diǎn)和主體,讓學(xué)生自行選擇課題項(xiàng)目、提出假說、執(zhí)行實(shí)驗(yàn)操作,最后進(jìn)行結(jié)果分析,充分體現(xiàn)學(xué)生對(duì)某個(gè)學(xué)科問題的探索性和主動(dòng)性。設(shè)置探索性的實(shí)驗(yàn)課程,有利于學(xué)生將理論知識(shí)與具體實(shí)驗(yàn)過程結(jié)合起來,有利于學(xué)生將理論知識(shí)遷移到學(xué)科問題的解決上,更有利于學(xué)生深入理解神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí),初步掌握神經(jīng)生物學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)方法和操作技能,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性意識(shí)和思維。
在課堂教學(xué)授課過程中,通過Blackboard網(wǎng)絡(luò)課堂、雨課堂、班級(jí)群等線上平臺(tái),結(jié)合課堂理論講授的進(jìn)度發(fā)布相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目,如原代神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞的培養(yǎng)和鑒定、大腦發(fā)育過程的觀察、大腦結(jié)構(gòu)觀察和解剖、突觸和樹突棘標(biāo)記與分析、學(xué)習(xí)記憶能力檢測(cè)等。課下讓學(xué)生在充分理解理論知識(shí)的基礎(chǔ)上,結(jié)合自己對(duì)神經(jīng)生物學(xué)的興趣選擇合適的探索性實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容,再由教師根據(jù)學(xué)生線上的選擇結(jié)果來設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。同時(shí),根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)研究的最新進(jìn)展,教師也可將新出現(xiàn)的神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在課堂上通過視頻、圖片等方式分享給學(xué)生,并讓學(xué)生自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行收錄,如光遺傳學(xué)技術(shù)、神經(jīng)組織透明化、病毒標(biāo)記神經(jīng)環(huán)路示蹤、新型超高分辨率高通量顯微鏡技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算神經(jīng)科學(xué)技術(shù)和類腦計(jì)算芯片技術(shù)等。
探索性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式應(yīng)體現(xiàn)出其探究的獨(dú)特性。首先,本實(shí)驗(yàn)課使用的教室不同于常規(guī)本科生實(shí)驗(yàn)課程使用的教室,而是我院的校級(jí)重點(diǎn)科研實(shí)驗(yàn)室——河南大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究所,并安排本科生與研究生共同完成一個(gè)感興趣的實(shí)驗(yàn),讓本科生參加真正的科研訓(xùn)練,以培養(yǎng)其良好的科研習(xí)慣,從而避免一般本科實(shí)驗(yàn)走馬觀花、淺嘗輒止的類似于參觀的實(shí)驗(yàn)課堂形式。其次,實(shí)驗(yàn)課的授課過程借鑒了前期我們“基于‘微課—翻轉(zhuǎn)課堂’的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探”教改項(xiàng)目的部分研究成果。在實(shí)驗(yàn)課程開始前,發(fā)給學(xué)生與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的研究文獻(xiàn),讓學(xué)生仔細(xì)研讀文獻(xiàn),同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程先進(jìn)行預(yù)習(xí)和熟悉,從多個(gè)方面翔實(shí)解讀本次實(shí)驗(yàn)涉及的理論知識(shí)、需注意的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟等;在實(shí)驗(yàn)的過程中,由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是學(xué)生根據(jù)自己興趣選擇的,他們對(duì)實(shí)驗(yàn)流程保持著極大的研究興趣,因此會(huì)認(rèn)真地操作實(shí)驗(yàn)、仔細(xì)地體會(huì)實(shí)驗(yàn)過程、敏銳地捕捉實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)注意觀察各種異常情況、做好實(shí)驗(yàn)記錄工作;在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,要求學(xué)生結(jié)合前期預(yù)習(xí)時(shí)了解到的實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)和自己在實(shí)驗(yàn)過程中體會(huì)到的心得、觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繼續(xù)查找相關(guān)文獻(xiàn)并深入研讀,寫出融合課程理論知識(shí)、文獻(xiàn)閱讀理解和實(shí)驗(yàn)過程心得的綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。結(jié)合文獻(xiàn)閱讀進(jìn)行的探索性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式,不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的文獻(xiàn)閱讀習(xí)慣,提高其閱讀能力,還能促使學(xué)生將所掌握、了解的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)過程中。對(duì)于因?qū)嶒?yàn)條件限制而不能開設(shè)的探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,如光遺傳學(xué)技術(shù)、神經(jīng)組織透明化、神經(jīng)環(huán)路示蹤、新型超高分辨率高通量顯微鏡技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算神經(jīng)科學(xué)技術(shù)和類腦計(jì)算芯片技術(shù)等,可利用慕課、微課以及視頻展示和討論相結(jié)合的方式分組認(rèn)真觀看、學(xué)習(xí)和討論,做出詳細(xì)的學(xué)習(xí)報(bào)告,并繪出思維導(dǎo)圖,爭(zhēng)取認(rèn)識(shí)和熟知這些最新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
以河南大學(xué)為例。任課教師作為指導(dǎo)教師指導(dǎo)我院的高年級(jí)學(xué)生進(jìn)行河南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“EET 促進(jìn)APP/PS1 小鼠神經(jīng)元樹突棘形成的機(jī)制研究”的研究工作。這項(xiàng)研究用到Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力的變化。Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)是探究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)空間位置感和方向感(空間定位)的學(xué)習(xí)記憶能力以及其他記憶相關(guān)神經(jīng)功能的重要研究方法,廣泛應(yīng)用于學(xué)習(xí)記憶、老年癡呆、智力與衰老、新藥開發(fā)/篩選/評(píng)價(jià)、藥理學(xué)、毒理學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、動(dòng)物心理學(xué)及行為生物學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域。因此,在神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的調(diào)研和設(shè)置階段,教師特意將Morris 水迷宮的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容添加到線上選擇和投票選項(xiàng)中,而大部分學(xué)生都選擇了這個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生熱情高漲,每個(gè)學(xué)生都積極參與實(shí)驗(yàn),詢問多個(gè)關(guān)于實(shí)驗(yàn)原理以及與記憶相關(guān)的神經(jīng)生物學(xué)理論知識(shí)。通過Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)研究,學(xué)生充分認(rèn)識(shí)和理解了以海馬為核心的大腦邊緣系統(tǒng)在學(xué)習(xí)記憶方面的重要性,結(jié)合前面對(duì)“大腦結(jié)構(gòu)觀察和實(shí)踐”的探索性課程內(nèi)容,學(xué)生可以很容易地將學(xué)習(xí)記憶這種大腦的高級(jí)功能與大腦的解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)解剖理論知識(shí)的理解,并遷移到對(duì)功能的認(rèn)知中。通過Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí),學(xué)生自己可以設(shè)計(jì)或進(jìn)行一些與探討學(xué)習(xí)記憶等神經(jīng)功能相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
探索性實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的設(shè)置和選擇是在調(diào)查學(xué)生的興趣愛好后進(jìn)行的,由此決定了在實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中,學(xué)生可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性,展現(xiàn)出極大的熱情和興趣。因此,我們提出了以匯報(bào)或綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為核心的考核方式。這兩種考核方式由學(xué)生根據(jù)自己的興趣、愛好和熱情,以及對(duì)知識(shí)的熟悉程度任選其一,且此成績(jī)占總成績(jī)的50%,而卷面成績(jī)占40%,平時(shí)成績(jī)占10%。匯報(bào)是學(xué)生以自己所感興趣的探索性實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容為核心制作課件,并對(duì)全班同學(xué)講授對(duì)這些實(shí)驗(yàn)課程原理的理解、實(shí)驗(yàn)操作過程的關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)分析等,并接受全班學(xué)生和教師的質(zhì)疑、提問,最后教師根據(jù)綜合匯報(bào)過程中學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)知識(shí)的運(yùn)用情況、對(duì)探索性實(shí)驗(yàn)過程的理解和對(duì)質(zhì)疑問題的解答情況給出成績(jī)。綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是學(xué)生根據(jù)所學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)理論知識(shí)和探索性實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)習(xí)到的實(shí)驗(yàn)技能,自己提出與神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)的科學(xué)問題,選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案,初步預(yù)測(cè)可能取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,寫出一篇綜合性的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,再由教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告反映出的學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)理論知識(shí)理解和運(yùn)用程度、對(duì)實(shí)驗(yàn)方法選擇的精確程度,給學(xué)生一個(gè)考核分?jǐn)?shù)。這兩種考核方式,無論哪一種都體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的輸出,體現(xiàn)了學(xué)生真正對(duì)神經(jīng)生物學(xué)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法的理解與應(yīng)用程度;而匯報(bào)課件和綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容制作的精細(xì)、完整程度體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)態(tài)度。因此,這兩種考核方式能充分體現(xiàn)出學(xué)生在神經(jīng)生物學(xué)學(xué)習(xí)過程中的主動(dòng)性、積極性、參與程度和主體角色,對(duì)培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和綜合能力有很大的好處。
學(xué)期結(jié)束后,我們通過網(wǎng)絡(luò)問卷的方式對(duì)神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置和實(shí)踐情況分別從學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果、對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的掌握和提高三個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果顯示,96%的學(xué)生認(rèn)為探索性實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)提升了他們對(duì)神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科的興趣,93%的學(xué)生認(rèn)為探索性實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)提高了他們的神經(jīng)生物學(xué)課程成績(jī),97%的學(xué)生認(rèn)為探索性實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)有利于他們對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的掌握和提高。綜合分析,高達(dá)95%的學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程持有正面評(píng)價(jià)。因此,從學(xué)生角度出發(fā)選擇少而精的探索性實(shí)驗(yàn)課程,不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī),還有利于學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣,并促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性意識(shí)和思維的培養(yǎng),可以對(duì)其加以推廣。
在了解到學(xué)生對(duì)神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)知識(shí)具有強(qiáng)烈興趣的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地開設(shè)相應(yīng)的探索性實(shí)驗(yàn)課程,并與相關(guān)的科研項(xiàng)目相結(jié)合,在內(nèi)容設(shè)置、授課模式和考核方式等方面不同于一般的本科生實(shí)驗(yàn)課程,最終在學(xué)生的熱情度、參與度、主動(dòng)性和持久性等方面優(yōu)于常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課程。通過與學(xué)生的交談可知,神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)過的基礎(chǔ)理論知識(shí),還有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的意識(shí)和綜合實(shí)驗(yàn)操作能力。探索性實(shí)驗(yàn)課程嘗試將實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與教師的科研項(xiàng)目、最新的學(xué)科研究進(jìn)展相結(jié)合,創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科知識(shí)、較早參與科學(xué)研究活動(dòng),有利于提高本科教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和主觀能動(dòng)性,使學(xué)生較好地適應(yīng)日后的科研工作和滿足社會(huì)需求。
建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的“雙一流”建設(shè)是我國(guó)高等教育在建設(shè)中國(guó)特色社會(huì)主義階段的重大戰(zhàn)略決策?!半p一流”建設(shè)的具體任務(wù)之一是“培養(yǎng)具有歷史使命感和社會(huì)責(zé)任心,富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”。河南大學(xué)一級(jí)學(xué)科生物學(xué)是國(guó)家“雙一流”建設(shè)學(xué)科,神經(jīng)生物學(xué)又是生物學(xué)下的二級(jí)學(xué)科,近幾年在國(guó)際國(guó)內(nèi)“腦計(jì)劃”項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)下發(fā)展得非常迅速。因此,神經(jīng)生物學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置和實(shí)踐有利于學(xué)生掌握神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合,更有利于學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng),從而落實(shí)“雙一流”學(xué)科建設(shè)培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的任務(wù)。