美國大學生物學跨學科實驗教育改革的創新經驗

范 蕾(北京理工大學 生命學院實驗與教學中心，北京 100081)

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·國外實驗室·

美國大學生物學跨學科實驗教育改革的創新經驗

范 蕾
(北京理工大學 生命學院實驗與教學中心，北京 100081)

美國哈維穆德學院針對理工科學生開設了生物學跨學科實驗。這種教學模式增加了學生對跨學科實驗的興趣，符合與國際接軌的現代高端人才的培養模式。同時，比較中美兩國生物學跨學科實驗教育模式，對我國傳統的生物實驗教育中存在的問題進行分析，提出我國今后生物學跨學科實驗教學改革的方案，從教學方法、實驗內容、實驗資源管理和運行機制等幾個方面著手，以便提高我國生物學跨學科實驗的教學質量。我國大學要根據其實際發展的特點，吸收、借鑒美國大學開設生物學跨學科實驗教育的有益的教學經驗、探究適應我國大學生物學跨學科實驗教學模式的道路，為培養我國創新性、復合型多學科高端人才而不懈努力。

生物學跨學科實驗； 教學改革； 實驗教學

0 引 言

科學技術突飛猛進使美國大學生物學實驗的教學模式也隨之相應地發生重大改變。美國大學充分發揮其大學專業涉及面廣、多學科教師資源充沛、跨學科研究機構網絡化完善、學術群體層次多，這些有利條件為美國大學開設跨學科實驗提供了良好發展環境[1]。

跨學科實驗具有學科間優勢互補的特點，跨學科實驗內容可讓學生感受到探索性學習的方式，并激發學生探究其它新學科領域的求知欲，這種淡化學科間界限、學生親自設計實驗假設、驗證假設是一種把理論聯系實踐的最有效的教學方式，開闊學生的專業視野。

大學生物學跨學科實驗要與國家、社會的發展相契合，教師可以跨學科實驗教學的方式，強化學科內涵、延伸學科外延、開拓跨學科實驗教學的研究領域、健全和改進跨學科實驗教學的方法、培養和激發學生創造性思維、培養創新型精英人才[2]。

1 生物學跨學科實驗教育改革的創新經驗

哈維穆德學院(Harvey Mudd College，HMC)是美國一所具有科學、工程、數學等多個學科領域的私立精英大學，美國《新聞與世界報道2008》把HMC列為“美國最好的大學之一”[3]。HMC是被譽有“小常春藤”之稱的優秀文理學院，其優秀學術排行位列美國大學中的第十四位，是美國大學里考取博士學位的學生比例最高的一所學校。HMC的課程內容難度非常大，考試評分相當嚴格，學生需要對學業投入很大的努力才能完成[4]。

HMC建立跨學科實驗的目的是把多學科技術的核心統一、整合教育資源、把不同學科的教育經驗應用在跨學科的實驗中。

1.1 合理整合各學科實驗

跨學科實驗普遍存在于美國大學本科實驗教學課程中。HMC的教師和科研主任非常堅定地支持跨學科生物學實驗，大學從1999年開設跨學科實驗。HMC把從事物理、化學、生物學、地質學的教學和科研人員集中起來，讓各個學科的教師精選出具有學科代表性、有現實應用意義和將來研究前景的學科實驗。教師將這幾種學科的實驗內容整合起來，然后設計新的跨學科實驗[5]。表1列出六個跨學科實驗，每個實驗至少涉及到兩個學科的內容。

每個生物學跨學科實驗至少是整合兩個學科的概念和技能。任何有關在實驗課中所講述到的、可以銜接相關學科的內容，都可以在HMC教師編寫的實驗預習和練習手冊中查到。HMC所設計的生物學跨學科實驗是在調查研究的基礎上進行反復論證，以達到實驗的可行性、跨學科性的特點[6]。

1.2 具有學科兼容性、創新性和學科延展性

專家組教師認為跨學科實驗研討會必須作為實驗設計的一個重要組成部分。主持實驗的專家組教師要 不斷尋找好的實驗項目并拓展實驗學科間的兼容性，最后達到實驗的目標使開發新實驗的教師愿意不斷地為之努力。

HMC組織跨學科實驗的專家組教師一致認同跨學科實驗內容應不斷保持可持續性，參與實驗設計的教師應來自更多專業學科領域[7]。因此，2000年HMC組織參與實驗研討會的教師又擴展到研究航天學、數學、計算機科學、經濟學領域的教師和工程師。

為了使生物學跨學科實驗必須具有良好學科延展性和創新性，主持實驗工作的專家組教師給參與實驗指導教師解答關于實驗設計過程中的疑惑，使實驗指導師熟悉實驗內容和獲得研發新實驗的經驗[8]。

1.3 合理規劃和整合各學科的教學、科研資源

HMC實驗設計的教師經反復討論和驗證，把大學中的教學和科研資源再次重組，決定學生使用小型的和相關院系現有的設備，控制生物學跨學科實驗成本。

1.4 跨學科實驗對學生所學習專業程度要求

在HMC學習生物學跨學科實驗的學生必須在大學一二年級學習完普通生物學、普通化學、普通物理學、計算機科學、工程學、高等數學課等理論課程。大學三年級學生才有資格申請做生物學跨學科實驗。學生用跨學科實驗替代大學里要求必修的普通生物學、普通化學、普通物理實驗課。

1.5 合理安排生物學跨學科實驗時間

HMC認為跨學科實驗的教學時間應安排在一個學年時間長度的時間里，學生才能更有時間逐步、深入地了解各個學科之間的聯系[9]。

HMC開設的每個跨學科實驗時間持續3周，共有18個學生參加(9對實驗組)。這些學生全身心地投入精力做實驗[10]。實驗課程每次持續4 h。學生在前兩周做實驗，全同班學生在第三周一起參加關于實驗數據統計、分析和討論。教師指導學生學習Kaleidagraph和MathCad軟件，以用于處理、分析數據、繪圖。教師要求學生在實驗期間必須做完整的實驗記錄，每個學生要在每個實驗結束完成實驗報告且做個簡短的書面報告。實驗指導教師要求全體學生把實驗報告、分析記錄都要綁定在一個實驗室的電腦里，為了方便以后的學生把原始數據輸入計算機后，會得到數據分析曲線和表格。將來教師會參考這些數據，分析實驗中出現的各種問題并對今后實驗進行改進。教師根據電腦中所存的數據給學生的實驗成績打分。每個實驗組的學生做完各自的實驗后，就輪換著做其他組的實驗內容。生物學跨學科專家組教師會長期跟蹤、調查、評估跨學科實驗課程內容對學生發展的影響。

1.6 實驗手冊的編寫及教師與學生互動教學平臺

HMC的教師所編寫的生物學跨學科實驗預習和練習手冊中介紹了大量的實驗材料。學生在每次做實驗前必須完成實驗預習中的練習作業。HMC建立的跨學科實驗網站是一個非常重要的教學互動平臺，學生在平臺上可下載實驗預習作業并以電子郵件的方式提交作業答案給指定的輔導教師。教師留實驗預習作業的目的是為了讓學生了解不同專業學科的背景知識，讓學生在做實驗時可以做到心中有數、掌握實驗理論要點、用理論聯系實際問題和學會分析實驗結果。教師鼓勵學生在實驗中以電子郵件的形式向教師提問題，這樣教師可以隨時動態地解決實驗中出現的問題，進而推動實驗順利進行。

2 HMC設計生物學跨學科實驗意義和特點

HMC設計的生物學跨學科實驗有非常重要的意義和特點。

2.1 HMC設計生物學跨學科實驗的兩層意義

(1) 生物學跨學科實驗的內容是隨著科學和技術的進步而不斷變化的，其實驗內容會以某個學科為主的形式展開。學生研究跨學科實驗內容的核心會以圍繞某個學科的研究課題而展開，也可以圍繞多學科的研究中所涉及的通用設備或數據庫，都是“無邊界的開放式課題”且有的放矢，不會以固定化的某一種模式永遠優于其他模式的方式進行。

(2) HMC設計跨學科實驗的專家組教師會整合多個學科的專業知識，讓學生從多個專業維度分析問題、得出研究問題的結論。

2.2 HMC生物學跨學科實驗的特點

(1) HMC所開設的跨學科實驗內容具有原創性，是由實驗內容所涉及各個學科的教師一起研發而成。其中表1中實驗1、2、4、6里的所有內容完全是根據HMC教授提供其科研成果制定的研究方案。這種跨學科實驗的教學方式是一個把科學研究與實驗教學相結合的成功案例。

表1 生物學跨學科實驗

(2) 生物學跨學科實驗打破學生對一些實驗技術、技能會受到學科界限限制的固有思維模式，讓學生看到現代科學技術和理論是可以轉化為實際應用而且科技與基礎科學和工程間的關系是紐帶式而非離散式。教師開設跨學科實驗初衷是讓學生有機會接觸學生所學專業以外、其他多個學科的科學技術，讓學生把科學與工程教育之間看作一個連續、統一體而不是割裂性的事物關系[11]。

(3) 生物學跨學科實驗指導教師認真準備實驗。實驗指導教師會在每年的春季學期做實驗設計和預實驗。實驗的設置和規劃的關鍵是實驗設計教師要有效地利用夏季學期這個時間段。在第一次教師見面的例會中，教師會從各個學科(生物學、化學、物理學、地質學等)中選取一些基礎性的、最具代表性的實驗做演示性實驗給參加設計實驗的教師觀摩，目的是為了讓跨學科的實驗拓展性強、具有學科間可融合性和具有研發新實驗的可能性[12]。在此實驗演示期間，教師會進一步討論實驗內容。因為每個實驗有專業學科所強調的重點，所以每個跨學科實驗中至少有兩名不同學科專業背景的教師負責指導專業實驗。

3 啟 示

從上述內容可以看到，美國大學開設跨學科生物學實驗有很多有益的經驗值得我國大學學習和借鑒。

3.1 改變生物科學研究與本科實驗教學相脫節現實

我國現在部分大學本科的實驗教學內容還沒有完全與科技接軌[13]。世界的科技在以與時俱進的速度快速發展，但是我國的實驗教學方式還相對保守。有以下原因導致本科生的實驗與教師的科學研究沒有很好的結合：

(1) 本科教學與科研實驗設備間沒有建立有效的共享管理和使用機制[14]。

(2) 我國大學建立對本科教學、國家未來科研發展新方向有推動作用的各類跨學科研究機構還不多[15]。

(3) 我國的部分大學還沒有認識到建立跨學科研究機構將對一個國家發展重要戰略有重大影響[16]。

我國設有生物專業的大學應根據自身發展條件逐步建立與其大學特色專業相關的跨學科研究機構，特別是與國防、農業、醫藥、新材料、新能源等相關的學科。因為這些跨學科研究機構所研究的內容會涉及到國計民生、關乎國家未來發展，具有戰略意義。

現代社會中的任何關乎國家科技發展進步的問題都具有高度的綜合性、多學科交叉性的特點，因此不能依賴以單一學科研究的模式去解決問題，大學必須組織跨學科的合作研究才能解決復雜問題。我國大學作為高級人才培養的殿堂有義務為國家培養與國際發展接軌的高端人才而更重要的是大學教育應與國家的科技發展、應用緊密相連[17]。

3.2 創新、豐富實驗內容

我國現階段大學中的部分實驗內容涉及的學科比較單一，驗證性的實驗較多，無法拓展學生的思路。生物學跨學科實驗正可以彌補我國大學本科實驗教學方式單一性的特點。生物學跨學科實驗可以豐富實驗教學內容，跟隨當前的科研動向，改變驗證性實驗帶來的教學弊端[18]。

3.3 深化大學內部實驗資源管理與運行機制的改革

我國大學現階段還沒有建立有效的制度保障，以保證大學本科生物學跨學科實驗的可持續性。例如，大學要建立、建全、完善有關跨學科實驗中涉及的教師管理制度、科研和教學資源整合規劃管理制度、學科交叉和共建制度[19]。

生物學跨學科實驗的開展必定要克服以單位組織為依托的科研和教學的管理模式。大學需要建立跨學科生物實驗教學的專家組。通過專家組與大學里各個研究機構、教學、實驗中心等溝通，合理整合教學與科研資源、科學地安排跨學科生物實驗的時間，避免生物學跨學科實驗影響其他專業正常的教學、科研，形成靈活的生物學跨學科實驗教育研究體系[20]。

3.4 集中優勢資源迅速提升生物學跨學科實驗教育

首先，我國大學應改變生物學跨學科實驗的資金來源方式。我國現階段的大學本科生物學實驗經費來源都是來自國家的資金支持。每年大學開設實驗的經費會限制開設實驗的設備、材料、周期、參加人數等。生物學跨學科實驗必然涉及更多的實驗資源，因此我國必須根據自身發展的現實條件，本著依靠大學人才優勢的特點，可通過與企業、公司展開科技合作的方式集資，籌措生物學跨學科實驗教育的資金及整合大學校內的教育與科研資源，以保證生物學跨學科實驗開設具有可持續性、實用性和前沿性[21]。

另外，大學應當靈活規劃校內資源[22]。因為生物學跨學科實驗不同傳統的實驗教學模式，參與跨學科實驗的專家、教師會根據科技、學科的發展而調整實驗內容，因此實驗里所涉及的資金、教師會隨之不斷更新，不會造成教學資源歸屬于大學里某個固定的部門。在實驗設計方向改變后，實驗資源會重新回歸大學的主管部門，這樣可以彌補我國大學現階段教育資源不足的缺點。

4 結 語

美國大學開設的生物學跨學科實驗是具有挑戰性的課程，跨學科實驗打破阻斷各學科間相互聯系的障礙。學生通過實驗，以創新的形式把多個學科領域中的知識點串連起來，訓練學生融會貫通地運用知識的能力[23]。整個跨學科實驗設計非常完善，結合多學科的實驗內容，激發學生的學習興趣、為學生提供新的學科視角、拓寬學生的知識面，為今后從事科研或未來進入職場和應對復雜的工作環境搭建良好的平臺。

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The Innovative Experiences of Educational Reform in Biological Interdisciplinary Experiments in Universities of the United States

FANLei
(Life Science and Technology, Beijing Institute of technology, Beijing 100081, China)

In American universitie, research and education of interdisciplinary experiments in biology have very well established experience. The American Harvey Mudd College offers science and engineering students interdisciplinary experiments in biology. The teaching mode that is based on the interdisciplinary experiments in biology increases students’ interest in interdisciplinary experimental, is compliant with standards of modern high-end talents training mode. At the same time, the comparison of the teaching model of Chinese and American interdisciplinary experiments in biology, the existing difference of China’s traditional teaching is analyzed, the reform plan was proposed. The Chinese Universities should embark on the aspects of teaching method, experiment content, experiment resource management and operation mechanism, and so on in order that the interdisciplinary experiments in biology in China would be improved. The Chinese universities should base on their actual development situations to absorb and drew lessons from American universities, explore the road of interdisciplinary experimental teaching model in biology, and develop innovative, multidisciplinary high-end talents in China.

interdisciplinary experiments in biology; teaching reform; experimental teaching

2014-03-31

范 蕾(1975-)，女，北京人，碩士，實驗師，主要從事大學生物教學與研究。Tel.:010-68914504；E-mail: faletzb@sina.com

Q-331;G 642.423

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1006-7167(2015)02-0209-05