中英高校生物實驗教學的特點與啟示

葉璐瑤

（韶關學院 英東生物與農業學院，廣東 韶關 512005）

生物學是以生物為研究對象，以實驗驗證為基礎的自然科學學科.生物學實驗作為驗證現有生物學理論知識的方法與手段，同時也是學生用于探究未知生物學世界的必備技能，對于培養學生的動手能力、實驗操作能力，激發學生的創造性思維、辯證思維，促進學生自主發展具有重要的作用.近年來，隨著我國經濟不斷發展，各大高校不遺余力地開展實驗室建設，增加實驗教學經費投入，不斷縮小與發達國家高校實驗教學水平間的差距.但由于師生比偏高、設備數量有限等客觀原因，仍表現出一定的滯后，很多實驗課程起不到應有的教學效果［1-3］.

筆者曾在英國布里斯托大學進行為期一年半的學習，在此期間完成了多門生物學專業實驗課程的學習，切身體會到英國高校在實驗室管理、實驗教學設計、實驗課程開展等方面有很多獨到之處值得我國高校和老師們學習與借鑒.在此客觀地對我國高校與英國高校在實驗教學方面各自的差異、特點進行比較、分析，希望對我國高校生物教學取長補短、不斷深化教學改革有一定的啟發作用.

1 我國高校生物實驗教學現狀

我國目前大部分高校都設有生命科學學院或開設有生命科學類課程，但除了如北京大學、清華大學、復旦大學等知名重點院校，大部分普通高校由于經費有限、師資力量不足、生源結構差異等都面臨著一些問題.

1.1 經費、設備不足

高校生物學課程中涉及不同門類的實驗，需要用到相應的不同的儀器，其中一些高新儀器價格昂貴，在幾十到數百萬人民幣不等，且更新換代迅速，儀器的后續維護也是一個巨大的問題.學生一般極少有機會接觸或使用這類高新貴重儀器，學校往往會采用已淘汰的儀器、設備或將實驗進行簡化來完成教學.同時許多學校撥付用于生物學實驗耗材、試劑購買的經費也非常有限，如解剖學實驗、基因工程實驗等需要使用大量生鮮材料或昂貴試劑的實驗課程，往往是捉襟見肘，只能幾組學生共用耗材，實驗教學效果受到影響.

1.2 師生比偏高，實驗過程監管困難

大部分專業平均師生比達到1∶17，甚至1∶20 的水平［4］.即使許多學校開始采用30 人以下的小班教學，但由于實驗老師缺乏、實驗場所不足等問題，仍會出現1 名實驗老師同時指導40～50 位學生完成實驗操作的情況.實驗過程中，教師難以對40 個學生都進行實時的監督和指導，許多學生由于粗心或錯誤操作，導致實驗結果并不理想.

1.3 驗證性實驗為主、學生參與程度低

我國高校開設的大多數實驗課程為理論知識的驗證性實驗［5］，學生根據實驗員準備的試劑、耗材按步驟完成實驗、得到結果，起不到促進學生獨立思考的作用.學生往往4～6 人一組協同開展實驗，每位學生實際只能完成實驗的其中一部分內容，甚至有學生全程不參與實驗操作，僅依靠組員獲得的數據完成實驗報告.

1.4 實驗室安全管理不完善

很多學校并未設置實驗課前的安全教育課程，或只在大一新生接觸第一個實驗前引入安全教育，很多學生進入大二大三學習時已完全忘記安全操作守則，缺乏基本的安全意識.實驗室安全設施配置不足，如滅火器、防毒面罩等，部分高校院系甚至并未設置專門的藥品準備室、貯藏室.近幾年出現的各類高校實驗室安全事故及導致的人員傷亡已引起社會各界的廣泛關注［6-7］.

1.5 課程考核要求較低

大部分實驗課程無明確的預習及課前作業要求.很多課程雖會在課前提供實驗流程、實驗課件等供學生學習，但由于無硬性考核要求，相當一部分學生不會主動進行課前學習.這就導致了學生在實驗課正式開展后仍對實驗原理、實驗目的、實驗操作流程一知半解.課后提交的實驗報告，除了數據、圖表部分，其余基本照抄實驗流程和課件，不進行深入思考.甚至一些學生在期末操作考試中仍會出現低級錯誤，無法獨立按要求完成實驗操作.

1.6 課時難以滿足教學需求

部分實驗周期較長，可達幾天甚至數周，如發酵工程實驗、分子生物學實驗等.由于實驗場地有限、指導教師不足，課程組只能通過減少實驗次數、實驗內容來保證實驗課程在教學周內完成.對于部分較復雜的實驗，僅能通過給學生板書講解或觀看操作視頻等方式進行教學，這對于學生掌握實驗操作技能無疑是不利的.

1.7 新技術應用有限

虛擬現實技術目前已在我國高校引起重視，并得到一定的發展，如2014—2015 年間南京大學與信息公司聯合開發的“生物仿真實驗系統”［1］、華中科技大學建立的“虛擬仿真實驗中心”［8］等.但相較發達國家而言，國內高校虛擬實驗室建設起步較晚，課程資源、技術人員等儲備不足.且各系統、平臺的建設基本以高校為單位進行，互相之間不能兼容、交互，因此難以在全國范圍內形成一個能夠有效進行資源共享、信息溝通的生物教學用虛擬現實網絡，無法獨立建設本校自用系統的普通高校也難以對這種新技術、新資源進行利用.

2 英國高校生物實驗教學的特點

筆者在英國就讀期間，曾在多所英國TOP 10 大學的生物實驗室進行參觀、交流.英國G5、紅磚六校等老牌知名大學已有數十年的實驗室建設、實驗課程開設歷史及經驗，且都提供完善的網上遠程學習系統，學生在任何時間段、地點都可完成相應課程的學習.英國高校生物實驗教學現狀如下.

2.1 軟件、硬件設施完善

英國高校由于政府撥款、入學學費較高及企業財團資助等原因，學校能夠負擔起昂貴的高檔設備、耗材的使用和購買，硬件設施相對來說更為完善.同時校內實驗場所面積較大，并安裝有借用系統，學生可網上申請特定時間段內使用某個實驗室或某臺貴重儀器.既能保證設備的利用率，同時也減少了實驗老師管理設備、維持實驗室衛生的成本.通過系統可隨時查看上一次使用實驗設備的學生及其使用情況.如學生有破壞實驗室、損壞儀器設備的行為，將收到郵件或口頭警告，嚴重者其student ID 將被禁用一段時間，無法進入相關實驗場所.同時學生使用實驗室時間亦可作為實驗課程考核的一個參考標準，學期內未按要求進入實驗室的學生，課程成績記為不合格.實驗樓內還設有專門的飲食區、討論區，并放置有自動販賣機，方便長時間進行實驗的師生.

軟件方面，校內聘用教師較多，師生比基本在1∶10～1∶15 之間，若師生比超過1∶19，英國政府將停止對該校撥款［9-10］.實驗教學中，通常1 位實驗教師指導10 位以內的學生.以筆者曾學習的神經科學實驗課為例，在指導老師的監督下，每次課程每位學生都要參與實驗過程，逐一輪流上操作臺進行實驗并接受老師的提問.大型實驗室還配備有多個顯示屏，確保坐在任何位置的學生都能實時看到老師在講臺上的講解和操作.因此學生的參與度和積極性都是比較高的.

2.2 實驗安全管理、過程管理嚴格

實驗樓大門需要刷ID 卡開啟，若實驗樓內發生安全意外，學校可以通過攝像頭定位具體位置，并根據刷卡情況判斷是否有學生滯留現場，以便及時處理問題.同時各實驗室門口均貼有明確的負責人信息、課程安排及安全標示.如實驗中會用到鹽酸，則實驗室門上會張貼“corrosive”圖示，非常醒目.部分實驗室內一進門設有洗手區和存包區，除實驗手冊、筆等上課所需的物品外都要存放在固定位置，并由老師一一檢查學生是否穿好實驗服、扎好頭發后，有秩序的進入實驗室，領取鞋套、醫用手套、護目鏡等安全設備.所有人準備完畢后，才可以開始上課.每本紙質實驗手冊的第一部分內容均為安全須知和實驗守則（safety manner and laboratory rules），所有實驗課的第一節課都有專門的安全教育時間，部分課程還需要完成課前安全須知習題.且每學期學校都會組織進行消防安全演練.

大實驗的開展與我國類似，教師完成實驗講解后，學生分組操作.實驗室內會有多名實驗教師不斷觀察各組完成情況，并隨機提問，不允許出現學生坐著發呆或不參與實驗的情況.而對于小型實驗或高精尖實驗，學生通常1～2 人一組，教師直接與學生溝通交流、進行指導.學生不可能無所事事地等著組員完成實驗，教師也能夠更輕易、準確地判斷學生的知識掌握程度和運用情況.

2.3 課程考核要求較高

英國高校實驗教學與我國相比，差異較為顯著的一點是：更重視實驗課前自學（pre-lab study）.以筆者就讀的布里斯托大學為例，該校自主研發運營eBioLabs 系統用于生物實驗教學，該系統囊括了實驗介紹（Experimental information）、實驗課前考察（Pre-lab quiz）和課后作業（Post-lab assignment）等功能.學生在每一次實驗課前必須自主學習實驗介紹的內容并完成實驗課前考察習題.實驗介紹一般為本次課程的實驗原理、方法、設備等，通過可交互動畫、視頻等形式展現.如移液管介紹，學生移動鼠標至移液管各部位會彈出相應的說明，點擊后出現詳細介紹及使用過程視頻，以幫助學生更好的理解.實驗課前考察習題一般由20～30 道選擇題或填空題組成，每人的題目、選項都是隨機的，學生可反復作答.未在課前指定時間內完成網上系統習題，或答題分數未達到70 分的學生將被禁止進入實驗室，并直接影響期末成績.目的是保證學生在進入實驗室前已理解實驗的基本內容，做好進一步學習的準備.

實驗課后學生需登錄eBioLabs 系統完成課后作業，通常為涉及到實驗具體操作及實驗結果、數據的題目.線上完成的所有題目都由系統直接打分并給出答案和反饋，錯題也會顯示相應的解釋說明.此外，學生還需要將課上得到的數據套用EXCEL 模板完成一份電子實驗報告并上傳系統.實驗報告要求與我國類似，但教師會強調不允許照抄實驗手冊中的內容，并應將報告重點放在數據分析和實驗結論上.由于電子材料沒有筆跡差異和涂改痕跡，且系統可自動判定EXCLE 模板中的數據，因此教師只需要批閱實驗分析和結論等文字內容，極大地減少了工作量.與我國目前實驗教學提交紙質報告相比，利用eBioLabs 系統，學生能夠接觸到更多的題目，進一步鞏固理論知識和實驗操作，同時不會加重教師的工作負擔.該系統還可以統計鼠標懸停情況，可得知學生在哪一道題目上停留、花費的時間最長，以幫助教師更好地確定教學難點.目前很多英國高校都有使用類似的系統，或多個學校共用一個系統并共同進行維護.

2.4 虛擬現實技術運用廣泛

英國高校同樣面臨生物實驗課時難以控制，實驗資源、設備有限等問題，尤其是對于細胞工程、基因工程等實驗操作較為復雜、流程較長的課程，或是解剖學等材料耗用較多的課程.解決方法是引入各種虛擬現實技術并在實驗教學中大量使用可交互的多媒體素材.如建立虛擬實驗平臺，學生可在平臺上用鼠標將虛擬實驗設備和儀器逐一連接、調試、使用，模擬真實實驗過程.不受空間、時間的約束，也不需要使用實驗耗材，在宿舍便可完成部分實驗過程的學習［11-12］.

筆者就讀的布里斯托大學的解剖生理學課程，在心血管系統實驗課程的學習過程中，學生可登陸eBioLabs 系統，查看課程庫中的學習材料，如人類和各種動物的心臟3D 模型.學生可操控模型轉動任意角度、觀察任一切面并重新組裝心臟，可查看血液在各血管中流動的先后次序.實驗教師不需要給每位學生提供一個心臟標本用于觀察，省時省力且能達到更好的教學效果.而在呼吸系統的實驗教學中，學校使用“仿真人”模型模擬人體在特定環境中的生理指標變化，實驗過程和數據實時投影在實驗室各屏幕中，便于學生觀察.“仿真人”模型系統可通過設置氣壓、溫度等數值模擬真人處于高原缺氧低溫環境中的情況，并展示“仿真人”的呼吸頻率、血壓高低及心率是如何隨時間發生變化的.

2.5 實驗教學方式多樣

國外實驗課程安排中驗證性實驗較少，且基礎實驗往往會設為自學內容，學生在網上系統中完成即可.教師教授的實驗課程以探究性實驗為主［5］.即教師提出假設和問題后，學生根據所學知識設計并完成實驗.實驗結果有可能與假設相悖，學生需要自行查找資料對實驗結果進行分析、探究.這有助于培養學生的理性思維和自主學習能力.

3 對我國高校生物實驗教學的啟發與建議

我國高校與英國高校在生物學實驗課程設置、實驗內容和教學手段等方面有較大的差異.英國公立大學在實驗室建設及實驗課程開設上有很多經驗和優點值得我國高校取長補短，進一步改善生物實驗教學現狀.

3.1 提高實驗設備利用率

兩國學校運作形式有較大差異，我國采用歐美國家公立學校完全自主辦學的高收費高投入模式無疑是不現實也不可能實現的.那么如何在資源有限且學生數量遠高于西方國家的情況下提高教學效果、使購置的實驗設備物盡其用可謂是當務之急.可考慮建立類似的實驗室管理、借用系統，學生可以自行安排進入實驗室、完成畢業論文實驗的時間，不至于出現扎堆使用實驗室或實驗室長時間空置的情況.同時能夠減輕實驗員的管理壓力，使其更好地完成常規實驗準備工作.

3.2 采用虛擬現實技術

建立如布里斯托大學生物系的eBioLabs 系統、化學系的chem lab 實驗技能仿真實驗室.布里斯托大學建設eBioLabs 系統的初衷是發現很多學生未按要求完成實驗課前預習，課上僅盲目跟隨教師實驗指導而非真正理解了實驗原理.因此建立該系統敦促學生完成實驗前準備工作并對實驗課程學習情況進行檢驗.根據布大官網統計結果，eBioLabs 系統投入使用后，僅生物化學一門課，院系教職工人均每年減少了25 個工作日的實驗作業批改、實驗過程監管等工作量，學生的實驗技能掌握情況較之系統投入前也有顯著提高.

虛擬現實技術平臺建設初期工作量大且需耗費大量資金，可參考西方多所高校協同搭建、共同維護系統的做法.系統建設完成并投入使用后，維護人員每年根據教師提供的素材、知識點進行更新即可.且該類系統、平臺不受時間地點的限制，師生可隨時隨地登陸學習，也可廣泛運用于其他領域或與其他系統進行接駁，建立共享平臺［13］.

采用虛擬現實技術還可一定程度解決實驗設備、耗材不足的問題，并可改善每年大量紙質作業、實驗報告的批改、存放問題，響應無紙化號召、節約開支.同時也讓實驗學習過程更為安全可靠，可謂是低成本高效率的教學手段，對于提高教學效果、改善并解決我國實驗教學目前所面臨的一些問題具有重要的意義.

3.3 完善課程考核要求

相對英國高校而言，國內實驗課程考核要求較低，學生達到出勤率并按時提交實驗報告即可通過該門課程.英國高校生物實驗課程考核包括課前作業、課堂出勤、課后習題和實驗報告等.其中課前作業和課后習題都有一定的分數要求；出勤需達到100%，特殊情況請假必須在下一學年補上課程；實驗報告須有詳盡的數據分析、討論，并引用文獻.達到以上要求才能夠通過課程并取得一個較好的成績.在這樣的高要求下，學生實驗技能掌握程度及理論知識的運用能力無疑是更好的.

我國高校應根據實際情況適當提高考核要求，使學生有學習的緊迫感和壓力，而不是隨意應付課程；重視課前預習的作用，良好的課前準備工作能使教學達到事半功倍的效果；加大實驗課程中開放性、探究性實驗的比例，使學生不僅僅是“學習”“記憶”還能做到“理解”“運用”.

3.4 加強實驗室安全保障

近年來出現的北京交通大學環境工程實驗室爆炸事故、清華大學化學實驗室爆炸事故等都與實驗室安全教育缺乏、安全設施不完善、師生實驗操作未按操作規程及安全守則進行有密切的關系.加強實驗室安全教育、完善實驗室安全設施、提高從業人員安全意識迫在眉睫.可與虛擬現實技術結合進行安全教育并定期舉行相關的安全宣講、培訓和逃生演習活動，提高師生的安全意識和自救能力.