多元培養
——生物學實驗教學改革之思考

辛廣偉， 孟世勇

(北京大學 生命科學學院 生物學國家級實驗教學示范中心，北京 100871)

0 引 言

生物學作為一門實驗科學，實驗貫穿了科學發現和培養人才的整個過程。實驗不僅傳授知識、驗證理論和掌握實驗技能，更重要的是培養學生嚴謹的科學態度、較強的獨立工作能力和良好的生物學素質[1]。因此，實驗教學一直是生物本科教育中極其重要的一環。為了更好的培養創新型生命科學人才，進入本世紀，全國各個大學紛紛整合資源，建立教學實驗中心[2-5]。經過10多年的建設，實驗教學取得了豐碩的成果，從原來的以基礎驗證實驗為主到現在的有較多的探索實驗、有開放實驗室等，使得全國的生物學實驗教學上了一個新臺階，在培養學生動手能力、創新能力方面成果顯著。

雖然本科生生物學實驗教學已經取得很大的進步，但隨著國家招生政策的變化和生物學技術的快速發展，實驗教學仍面臨著很多新的挑戰。那么，新形勢下的生物實驗教學應該做出那些變動?

1 面臨的新挑戰

1.1 本科生來源變化導致學生入校時起點不一

在自主招生政策實行以前，各大學的學生生源是由絕大部分的普通高考生和少量保送生構成。而在實行自主招生之后，一些重點大學的學生生源就發生了顯著變化，主要由自主招生、競賽保送生、高考生第一志愿和部分高考調劑生構成。例如，北京大學生命科學學院2015年來自競賽保送和自主招生的學生已經占68%，是主要的生源來源途徑。

生源來源的變化直接導致本科生在入校時的生物知識基礎不一致。奧賽保送生和自主招生他們對生物學感興趣，對生物學某些分支學科有了較為深入的了解，生物學基礎知識也相對較為扎實。其缺陷在于基礎知識不全面，某些操作技能不規范。雖然可以獨立完成一些基本的實驗操作，但對如何進行生物學研究的理解也尚未深入。高考第一志愿的學生，他們也對生物學感興趣，學習勁頭足，但是基礎實驗操作能力相對薄弱。還有一批是高考調劑生，這部分學生可能并不喜歡生物，而是由于各種其他的客觀原因來到了生科院，他們生物學基礎相對薄弱較差，部分學生甚至想著轉系、換專業，不愿意選修實驗課程。

鑒于生源的變化，學生入校時的基礎有強有弱，那么如何才能有針對性地培養好不同層次的學生，使學生們在上課時既不會因為重復學習某些實驗技能而浪費時間，又能真正培養出現代生命科學需要的人才，就成了現代實驗教學中心急需解決的問題。

1.2 實驗課程日趨多樣化，學分限制成為選課瓶頸

自從上世紀初引入博物學以來，生命科學發展迅速，目前已經發展成一個包括植物、動物、微生物、遺傳學、細胞、生化、分子、生物信息和生物生態等十幾門分支學科，幾乎每門分支學科都有相應的實驗課。以我校生命科學院為例，目前該院教學實驗中心開設的實驗課除了上述經典學科的實驗課程外，還針對當今生命科學的最新進展，開設了細胞的基因編輯技術、生物大分子相互作用實驗、抗體技術及其應用等高級技術類實驗，共計近20門實驗課程[6-7]。以上課程有基礎實驗、綜合性實驗以及針對最新實驗技術展開的技術培訓類實驗，對于鞏固理論基礎，掌握前沿的生物技術具有非常重要的促進作用。然而目前本科生畢業實驗課要求學分是6個學分，這就形成了課程多而學時少的矛盾。如何才能在有限的課時內完成對學生的生物學實驗技能的訓練是個值得深思的問題。

1.3 越來越多本科生進入PI實驗室，傳統實驗教學漸失去吸引力

目前很多大學的生科院在鼓勵本科生進PI(課題負責人)實驗室參與科研訓練，由此學生直接參加實際的課題研究。如，我校先后建立了“北京大學校長基金”“北京大學泰兆基金”和“北京大學莙政基金”等有數個科研基金，鼓勵本科生進入科研組進行實踐。生命科學學院所有的PI實驗室均向本科生開放。目前，生命學院目前有33%的二年級本科生和42%的三年級本科生在實驗室進行科研課題研究。本科生進入PI實驗室這種學習方式可以直接接觸科學前沿，對于鼓勵學生思考、提出問題并解決問題等科研思維的訓練以及動手能力的培養都具有積極的作用，很多學生甚至在本科期間就發表了高水平的科研論文。2014～2015年3月，生命科學學院共有18位學生在有關SCI期刊上發表了論文。

然而上述培養方式也有一些缺點。①本科生在科研組得到PI親自指點的機會并不多，一般是跟隨實驗室的研究生做實驗，研究生的水平本身就參差不齊，本科生所參與的“科研”技術重復過多，有“搬磚”之嫌。②本科生在科研組參與真正科研耗時很長，最容易導致的結果是對某個領域的某一點了解的特別清楚而對整個大學科認識不足。比如，在植物系統進化方向的科研組，本科生的主要工作是采樣、PCR、建系統樹，有時會切片看形態，但他們并未完全掌握整個植物生物學的很多基本技能和知識。③學生在科研組雖然受到了最前沿的科研訓練，但對于文獻閱讀、論文寫作和學術交流(Presentation)等方面也并未得到系統的訓練。那么如何看待本科生進PI實驗室？如何使學生們在科研組不再搬磚而真正受到全方位的訓練是生物學實驗教學需要面臨的新問題。

面對這些新的挑戰，實驗教學中心必須重新樹立自己的定位，探索如何確保生物專業的學生在畢業時既具備過硬的基礎實驗技能，又保證基礎良好的優秀學生免于重復性的實驗技能學習，將更多時間投入到科研實踐中。

2 解決途徑

2.1 重視基礎實驗課，同時增加課前考核

在實際的教學中發現，實驗課對于學生得到標準的實驗操作訓練，加深對生物學理論的理解和應用有著不可替代的作用。比如，遺傳學中雄蠅不重組的知識點，很多學生感到難以理解也不知其在實際研究中有何應用價值，但是在經過三點測交和果蠅工具果蠅雜交實驗后，多數學生對知識點有了較深刻理解。生物學科本就是實驗學科，因此筆者建議，應該針對剛剛入校的本科生，制定一門必修的、整合生物各學科的核心概念和基礎操作的實驗課，讓學生受到規范的操作訓練，有了扎實的基礎后再參加實際的科研。

鑒于生源的多樣性，為了避免對某些確實是高水平的本科生造成重復培訓和時間浪費，可以在課程開始前一周進行操作考核，通過考核的學生可以不必再修基礎實驗課。

2.2 打破學科界限，增設綜合類實驗課程

隨著現代生命科學的發展，實際科研中解決問題的手段已經不再靠單純某一學科或某一種技術，而是多學科多層次地去研究。現代實驗課的設計也要遵循實際科研的研究思路，打破學科與學科之間的界限，建立綜合性實驗課程。如研究某一基因的功能，可以按照從基因的克隆、突變體構建開始(分子)，到蛋白的表達純化(生化)，到細胞的定位觀察(細胞)，再到組織和成體功能研究(遺傳發育)這樣的理念去設計一門綜合課程。

綜合性課程有以下3個優勢：①課程以問題為主導，提高了學生興趣和參與度。②與之前各學科獨自開設實驗課時相比，實際的課程量得到壓縮，有效解決了課程多而學分不足的矛盾。③課程更為實用，學生們可以將所學立刻應用到實際的科研中。

2.3 充分利用本科生資源，開設高級研究性實驗課

本科實驗教學人數較多，操作相對簡單但重復次數很高。針對此特點，普通的實驗課只要經過細致規劃，本科生不僅能得到專業技能訓練，而且在訓練過程中可得到大量重要的科研數據可供進一步研究。

經過查閱國外相關教學文獻[8-12]，以及對UCLA、MIT等名校負責實驗教學的教師進行實地訪談，筆者認為在教學和科研相結合的教學模式中，美國UCLA的霍華德·休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)的遺傳學實驗課的教學模式值得國內教學借鑒。在過去2年中，UCLA創新性地將138名的本科生的遺傳實驗課與前沿的果蠅的基因組功能研究有機結合起來，并發表了一系列具有高影響力的科研文章[13-15]。UCLA遺傳實驗的教學具有3個顯著的特色，①教學與科研相結合，緊跟學科前沿，并可以得到大量的科研數據，最終發表科研文章。②教學中沒有指定的教材，而是老師根據本學期的實驗內容進行講解，并把一些學科的基本概念涵蓋其中。③開放本科教學實驗室，讓學生隨時可以做實驗。改變了以往“下課后實驗就結束”的傳統，調動了學生的興趣，大大提高了學生的參與度。雖然每次的實驗操作方法是類似的，但是整體的實驗內容卻不重復，而是在一步步地向前推進，讓學生實際體驗科研的過程，鍛煉了學生發現問題、解決問題和論文撰寫的能力，并使學生之間的團隊協作精神有很大提高。

2.4 有效管理學生進PI實驗室

本科生進PI實驗室是一種新的培養方式，然而也存在老師對學生直接指導不足、學生“放羊”管理、學術寫作與交流能力培訓不系統等問題。針對這些問題，中心應把本科生進PI實驗室學習當成一門課程來管理。定期(比如2周1次，不建議超過1個月)開1次學術報告，每個班由2或3名教學中心的老師組成指導團，跟蹤學生的進展，并針對學生的學術寫作與交流能力進行針對性指導。這樣做既可以讓學生們重視進入實驗室的學習，又可以側面督促PI對學生的管理和指導，讓學生既接觸到最前沿的科研訓練，又能真正有所收獲和進步。

3 結 語

面對新時期新的挑戰，實驗教學也應該做出相應的改變，對不適應時代的教學模式和內容做出變革。但是變革是基于一步步的探索，不是一蹴而就。比如，實驗考核通過的標準就需要各專業的老師進行討論。如何量化學生的操作規范程度？實驗最終結果的成功與否能否作為考試結果的主要參考？鑒于實際科研中常會實驗失敗并重復，真正考試時可否允許學生重復？這些都是需要討論的問題。

隨著高校對本科科研投入的增加和對本科生科研的鼓勵，基礎實驗教學也必須跟實際的科研結合起來。UCLA的教學科研相長的模式非常值得借鑒。在國內的某些著名高校，比如北京林業大學，已經建立了開放實驗室并且取得了較好的教學效果[16-17]，這種開放實驗室的模式也值得推廣和學習。

盡管現在高校的本科實驗教學面臨種種挑戰，但是必須強調實驗教學在生物教學中不可或缺的重要性。實驗教學雖然基礎但是全面，分子、生化、遺傳、細胞、生理、微生物等所有專業的科研所需的基本操作都可以在實驗教學中得到訓練。只要時時以創新精神、創新理念要求自己、時時把學生的需求放在第一位，并擁有一支素質過硬的教師隊伍，實驗教學一定能在新時代生物人才的培育中發揮基礎性和引導性的重要作用。