基于拔尖人才培養的基礎實驗課研討式教學探索與實踐

趙玉紅, 趙立青, 李 欣, 李小菊, 石建黨,周 浩, 李登文, 張 鈞, 張翠竹

(南開大學 生物國家級實驗教學示范中心，天津 300071)

0 引 言

“高層次人才是一個國家人才隊伍的核心，對整個人才隊伍建設具有重要的導向作用，其數量和質量決定著一個國家在國際競爭中的地位。”[1]為培養基礎學科的領軍人物，教育部于2009年開始啟動“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”，我校生命科學學院“伯苓班”入選第一批生物學科人才培養試點班[2-3]。近年來，許多高校積極鼓勵低年級本科生進入科研實驗室，盡早感受科研魅力，為創新奠定基礎[4-5]。生物學是一門實驗性很強的學科，我院也要求伯苓班學生自大二開始，進入科研實驗室，開展科研訓練[6]。但在具體實施過程中，卻遇到許多問題，導致實施效果不是很理想。為解決這一問題，在生物化學基礎實驗教學中引入研討式教學。

研討式教學是一種以學生的認知水平為基礎，以問題為中心，展開討論的交互式教學路徑，具有探究性、互動性、自主性和靈活性特點，是國內外教育界普遍推崇的一種教學方式[7-9]。但其應用大多局限于理論課或是更高級別的科學研究，在基礎實驗教學中的應用甚少。而基礎實驗大多為傳統的、經典實驗，教學體系相對系統、完整，由于設計合理、訓練功能明顯，在本科實驗教學中擔當著極其重要的角色[10]，不可或缺。在基礎實驗教學中，如何實現為學生提供系統性學科知識學習和基本實驗技能訓練的的基礎上，給學生提供較多的自主學習、自主創造和思考研究的空間[11]，培養學生科研能力和創新意識，為他們進入科研實驗室自主開展實驗奠定堅實的基礎，課程組嘗試將國內外普遍推崇的研討式教學應用于生物伯苓班的生物化學教學。

1 生物化學實驗研討式教學的基本思路

實踐證明，本科生參與科學研究對于提高綜合素質、培養創新精神與實踐能力具有十分重要的作用，是培養創新型人才的有效途徑之一[12]。學院為提高伯苓班學生的科研能力，激發創新意識，要求他們自大二上學期開始，根據自身興趣，自主選擇導師和科研實驗室，進行科研訓練。但在具體實踐過程中，由于學生剛接觸專業課的學習，理論知識和基本技能都相對薄弱，導致：①鑒于科研課題的連續性和時效性，為不影響科研進度，伯苓班學生很難真正參與其中，發揮作用；②鑒于許多生物實驗所用試劑等費用價格相對昂貴，限制了伯苓班學生自主探究的機會。因此，若想伯苓班學生的科研訓練取得理想效果，需要學生具備一定的理論知識、實驗技能及一定的科研能力。

生物伯苓班在大二年級上半學期開始接觸專業課的學習，生物化學實驗是學生所接觸到的第一門專業必修基礎實驗課。作為生物學實驗類專業課程的先導課，生物化學技術和方法是學生從事其他生命科學研究的重要基礎。如何在這樣一門重要的先導課中培養學生的科研能力，課程組在伯苓班的生物化學實驗教學中引入研討式教學。基礎實驗實現對學生進行基礎知識傳授和基本技能訓練，是研討式教學得以開展的前提和基礎；研討式教學實現對學生進行科研能力培養，是在基礎實驗上的一種拓展和提升。兩者既相互獨立，又互為補充，相得益彰。借助于教學與科研的深度融合，實現在基礎實驗中培養學生的科研能力。

2 生物化學實驗研討式教學可行性分析

研討式教學能否順利開展，對老師和學生都有著很高的要求。

(1)學生因素。①伯苓班學生能力強，大二年級伯苓班雖剛開始接觸專業課的學習，但學科興趣濃厚，從事科研的初始欲望相對強烈，主動學習能力強，愿意去做一些更具挑戰性的實驗；出現問題，愿意主動思考，自主解決問題的意愿強烈。學生能夠參與實驗多、主導實驗多，適于研討式教學的開展；②伯苓班小班授課，每年生物伯苓班的學生人數控制在25人左右，班級規模適中，適于研討式教學的開展。

(2)教師因素。由教學能力優秀的任課教師、科研能力強的學院各科研實驗室老師、實驗室工作經驗豐富的實驗技術人員，分擔學生實驗指導工作和事務性工作，能夠充分保障學生自主開展實驗的順利開展，保障研討式教學的實施效果。

除了上述學生和老師因素，實驗課自身的特點也適于研討式教學的開展。創新始于問題，源于實踐。沒有實踐，就提不出問題，更談不上創新[13]。具有一定探究性質的實驗，在具體實施過程中，必然會出現各種問題，對于這些問題，很容易展開討論，而對問題的深入探討是研討課的精髓之所在[14]。綜上所述，加之完善的計劃和實施方案，基礎實驗課開展研討式教學切實可行。

3 生物化學實驗研討式教學的實施

研討被看作大學教育教學過程中的精髓，好的研討并不是自然而然的發生，需要經過教師精心的準備，才能增強研討的意義。為此，將研討式教學實施過程分4步走，具體如下：

3.1 開課初布置研討課要求

3.1.1 選題

鑒于大二年級伯苓班學生的專業知識程度不高以及課時限制，因此合適的研討題目是保障研討式教學實施效果的關鍵。與理論課的研討式教學不同，實驗課的研討式教學，是以“研究課題”的形式來做為研討題目，課題總體框架要求是“生物化學技術在生命科學研究中的應用”，要求學生綜合運用生物化學基礎實驗中所學的技術與方法研究或解決某一問題，時間總計約12周。

課程組將選題原則定為：①體現學科發展前沿。開闊學生視野，吸引學生參與生命科學研究的興趣；②難度適宜，兼具廣度和深度。課題作為課堂內容的延伸，太容易，不具挑戰性，對學生吸引力不大；太難，超過學生的能力范圍，比較容易挫傷學生從事生命科學研究的積極性；③綜合性強。能綜合運用多種實驗技術方法和手段解決問題；④具有探究性。實驗結果是未知的，需經實踐探究才能得出答案。

經深入研究發現，科研項目部分內容轉化為研討式教學的項目課題，符合上述選題原則，且技術含金量高，因此將選題來源定位于科研實驗室。選題形式有兩種：①學生自選研究課題。鼓勵學生自己走進科研實驗室，并結合實驗室研究方向，自擬項目課題，并給出具體實施方案；②由課程組提供選題，作為備選。課程組向院里科研實驗室募集課題項目，向其他同學開放選修，這部分項目大多來自于碩士或是博士研究課題的一小部分，既可以起到鍛煉學生研究能力的目的，又可以為科研實驗解決實際問題，可謂一舉兩得。

3.1.2 成立研究小組

考慮到研究課題類似于一個小的科研課題，需要學生花費很多的時間和精力去查閱文獻資料、撰寫實驗方案、項目實施，增加了學生的學習難度，實驗任務相對不輕松，因此項目實施以團隊的形式來開展。一來小組間成員分工合作，一定程度上減輕學生負擔；二來學生間相互交流、探討，能夠相互啟發、相互促進，共同提高。學生自由組合，3或4人/組，組成不同的研究小組。每個小組不設立負責人，在實驗開展過程中，同學間相互探討分工、合作具體事宜，通過團隊合作，完成本組的研究課題。

3.2 實驗課中期確立選題

生物化學實驗課總計14周，經前期近6周時間的文獻查閱、選題征詢，在實驗課中期，學生向老師提交選題方案，老師對方案的可行性做出評估，并反饋給學生，確立選題。由于時間充裕，學生有充分的時間進行前期準備工作，不斷完善實驗方案并著手準備部分實驗前期工作，為后續實驗的成功開展奠定很好的基礎。

3.3 實驗課后期完成課題研究

在實驗課后期約6周的時間，此時學生已經過半個學期的生物化學基礎實驗訓練，掌握了一定的實驗理論和實驗技能、掌握了一定的研究思路和方法，在此基礎上，開展實驗，完成課題研究。鑒于伯苓班學生剛接觸生物化學實驗基本技能的訓練，操作技能不是很成熟，若在科研實驗室開展課題研究，會給相關科研實驗室帶來一定的困擾。因此，項目雖是科研實驗室的項目，盡量利用本科教學實驗室資源開展、完成實驗。實驗室24 h開放，學生可按照自己小組的進度，自由安排實驗時間。

3.4 研討課PPT展示

實驗課最后一次課結束后，安排一次研討課，學生對實驗成果進行PPT展示。鼓勵各小組成員齊參與，以團隊形式，完成結果匯報。PPT展示和提問、探討、交流的主動權全部交由學生，指導教師只在爭論難度很大的問題上給予適當提示和引導。

4 案例分析

本學期伯苓班學生的20位同學，組成4個研究小組，分別完成了4個研究課題的研討式教學。其中學生自選課題1項，為KMS1/KMS2過表達載體構建與細胞定位及蛋白檢驗；選修課程組提供的選題3項，分別為MAS-M2蛋白最佳誘導表達條件的確定及其純化、MAS-M4蛋白最佳誘導表達條件的確定及其純化、Q5-Terminase蛋白純化及其最佳酶切條件的確定。學生積極參與各項目研究，除最后一項，其余三項均取得了圓滿實驗結果。

4.1 自選研究課題

KMS1/KMS2過表達載體構建與細胞定位及蛋白檢驗研究小組，自己查閱文獻資料，提出實驗設計方案[見圖1(a)]。為了滿足學生的學術追求，即使該項研究課題困難重重，包括前期需要構建合適的表達載體，其中涉及引物設計工作，對于沒有分子生物學基礎的大二年級學生來講，引物設計難度相對較大，但是考慮到學生的探究積極性，實驗方案理論上可行，給予立項。學生最終通過查閱文獻資料以及在老師、研究生的指導下，充分發揮自身創新潛能，相對自主的成功設計引物，順利完成前期載體構建，并通過后續系列實驗，成功進行蛋白表達[見圖1(b)]，圓滿完成研究課題。理想的實驗結果使得學生非常有成就感，參與科研的興趣更加濃厚，從事科學研究的積極性、主動性、自主性較之以往也有了很大的提高，紛紛主動走進實驗室，從事自己感興趣的研究工作。

(a)實驗方案

(b)蛋白表達

圖1 KMSN小組研究課題的實驗設計方案及結果(來自學生PPT)

4.2 備選研究課題

MAS-M2蛋白最佳誘導表達條件的確定及其純化、MAS-M4蛋白最佳誘導表達條件的確定及其純化、Q5-Terminase蛋白純化及其最佳酶切條件的確定3個選修研究課題均來自于科研實驗室。以MAS-M2蛋白最佳誘導表達條件的確定及其純化為例，學生通過查閱文獻資料、與科研實驗室的老師相互探討，最終確定實驗方案[見圖2(a)]。該項研究課題不需要學生構建含目的蛋白的表達載體，由科研實驗室提供，主要實驗內容包括蛋白誘導表達和蛋白純化兩大部分。此時學生已經在生化理論課上學過蛋白質、核酸等基礎知識，實驗課上學習了SDS-PAGE電泳、超微量分光光度檢測、凝膠過濾層析、離心等多項實驗技能，在此基礎上進行該課題的探究性研究，對學生既充滿挑戰，又不超過學識范圍。后經學生不斷地實驗探索，獲得了得率和純度都相對較高的目的蛋白[見圖2(b)]，為科研實驗室提供了可靠的事實依據。該項目充分體現了教學與科研的雙贏，一方面科研為教學提供含金量高的科研課題，助力學生科研能力培養；另一方面教學為科研解決實際問題，助力科研不斷前行。

(a)實驗方案

(b)目的蛋白

5 研討式教學效果

基于拔尖人才科研能力培養的基礎實驗研討式教學模式，已在2017年的2016級伯苓班生物化學實驗教學中試運行過一個學期。該班總計25名同學，有20名同學組成4個研究小組，完成了4個研究課題的研討式教學，取得了非常好的教學效果。

(1)提高學生科研興趣。教學實踐表明，研討式教學的引入，大大激發了學生的科研興趣和熱情，學生參與科學研究的積極性、主動性也更高，這應該得益于來自于科研、含金量高的研究課題。體現在：①研究課題富有挑戰性。由于研究課題具有一定的探究性，實驗結果未知，對于不愿意循規蹈矩的伯苓班學生來講，充滿一定的挑戰。值得欣慰的是，面對實驗中出現的種種困難，同學們并沒有表現出畏難情緒，而是積極想辦法解決。尤其是KMS1/KMS2小組，在前期載體構建過程中，屢遭失敗。后經反復文獻資料查閱、向他人請教，甚至夜里熬到凌晨2點，功夫不負有心人，終于成功構建載體，為后期的蛋白成功表達奠定基礎。理想的實驗結果也使得學生非常有成就感，參與科研的興趣更加濃厚；②研究課題具有實用性。由于涉及到為科研實驗室解決實際問題，參與相關課題研究的同學對實驗非常嚴謹、認真。譬如針對取得的階段性成果，有小組提議舉辦一個小型seminar，對實驗結果及時地進行分析與總結。由相關科研實驗室的教授或是研究生共同參加，負責答疑、解惑。在MAS-M2小組舉辦的小型seminar上，MAS-M4小組的多數成員進行了旁聽，并積極參與了探討，為兩個小組后續實驗的順利開展奠定基礎，最終這兩個小組獲得了得率高、質量高的目的蛋白。能夠為科研實驗助力，讓參與的同學同樣非常有成就感，參與科研的興趣更加濃厚，目前許多學生已積極參與到一些全國大學生創新創業競賽中。

(2)增強學生科研能力，激發創新潛能。①研討式教學中的研究課題，由于沒有指定的教材、沒有指定的實驗流程，要求學生自主查閱相關文獻資料、設計出實驗方案，培養學生的獨立研究能力；②在科研實踐中，難免會遇到各種各樣的問題，學生在不斷解決問題的過程中，提高獨立思考問題和應用已學知識或技能解決實際問題的能力，為未來的研究和發展打下堅實的基礎[15]；③課后的成果展示，學生可以學習到其他研究小組的實驗設計思路、方法以及實驗中涉及的前沿技術等，開闊視野。更重要的是，學生間、師生間的問答與探討，有利于促進學生深度思考，養成批判性思維習慣。譬如研討課上學生提出的問題有：IPTG誘導目的蛋白表達后，起初加熱處理菌體沉淀時，發現煮沸后的溶液太過黏稠，是什么原因導致的？怎么解決這一問題？蛋白純化時，為什么要先使用鎳柱？可否將幾種不同的層析技術順利打亂？蛋白純化時，為什么要對收集的蛋白樣品進行濃縮處理？一個個精彩的提問，撞擊出創新的火花。

(3)培養學生綜合能力。①團隊合作精神。許多創新成果往往需要團隊合作才能產生，因而也不可忽視學生團隊合作意識、溝通能力以及組織能力的鍛煉與培養。在研討式教學中，學生以團隊的形式來完成一個相對獨立的研究課題，而整個實驗過程學生會遇到很多各種各樣的問題，在共同面對問題、解決問題以及最終以團隊力量完成實驗、展示成果的過程中，許多“心氣高”的伯苓班同學對團隊合作精神有了新的認識；②學術交流能力。成果展示環節，學生通過清晰、科學的描述問題，準確表達觀點，初步掌握學術交流能力。尤其在提問環節，學生的推理、應變、思辨能力得到了很好的鍛煉。

6 結 語

參與伯苓班研討式學習的學生，對該教學模式都給予了很高的評價，其中一位同學在自己的實驗總結與收獲里寫到：“通過一系列的實驗，鞏固了課堂上所學習的實驗操作技術，學習了蛋白純化系統的使用操作，了解了誘導蛋白表達和蛋白純化的基本實驗流程和實驗思路，學習如何解決在實際實驗中遇到問題的解決辦法。體驗了共同完成一個科研課題的團隊合作任務，學會團隊合作中合理分工、協同合作以及對自己應該完成部分的負責和對同伴的信任。建議繼續保持。”由于本文提出的研討式教學賦予了學生更開放的思考空間以及更充分的思考時間，經過歷練，學生科研能力有了很大的提高，大多能夠進入科研室，相對自主的開展科學研究。目前已是大二年級下半學期的他們，紛紛摩拳擦掌，積極與感興趣的科研實驗室聯系，開展國家級大學生創新訓練計劃、本科生創新科研“百項工程”等更高層次的研究工作。