神經生物學探索性實驗課程的設置與實踐研究

王 來 耿慧霞 趙海鵬 魏建設

河南大學生命科學學院，河南 開封 475004

神經生物學是生命科學中探討大腦結構和功能奧秘的一門新的前沿學科，其研究層面涉及分子、細胞、系統、行為和認知等不同領域。神經生物學自20世紀誕生后發展迅速，已經成為引領當代生命科學革命的學科之一，其發展趨向、速度及水平受到全球學術界和政府部門的高度重視。我國的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》把腦科學與認知科學列為我國科技中長期發展規劃的前沿科學領域之一。美國提出的“推進創新神經技術腦研究計劃”、歐盟提出的“藍腦計劃”和日本提出的“腦科學時代”，以及我國提出的“一體兩翼腦計劃”加速了神經生物學學科發展的步伐，促進了近年來神經生物學學科知識新的研究進展和實驗技術的不斷涌現。

本科生神經生物學課程是學習神經系統結構和功能的一門基礎性、實驗性、創新性、探索性課程。在實際教學過程中，應該開設一些必要的實驗課程，采用分子生物學、生物化學、形態學等多學科的研究方法，從整體、系統、細胞和分子等多個層面切入，使學生深入認識和理解神經生物學的學科知識點，這樣才有利于學生掌握先進的實驗技術、培養科學的創新性思維。本研究首先從學生角度出發，通過網絡調查設置少而精、學生感興趣的神經生物學探索性實驗課程，并在科研實驗室進行實驗課的講授和操作，使學生熟練掌握基本的神經生物學實驗操作技能，以此加深學生對所學知識的理解，幫助學生鞏固和驗證理論知識，提高神經生物學課程的教學質量，培養學生的學習興趣和創新思維，促使學生對神經生物學的認識從感性上升到理性，并習得神經生物學課題研究的基本能力。

一、神經生物學課程教學存在的弊端

目前，國內各本科院校開設的神經生物學課程的教學基本處在初步探索和不斷改進的階段，主要的教學模式是以基本理論、基本概念講授為主，結合神經生物學科學史的闡述，促進學生對理論知識的理解和掌握，偶爾組織本科生參觀神經生物學相關的科研實驗室，極少開設本科生參加的神經生物學實驗課程。由此可見，目前本科生神經生物學課程的講授不利于學生掌握現代神經生物學研究的實驗方法和技能，不利于培養學生的科研能力，不利于學生創新型思維的發展。因此，本課題在分析本科神經生物學教學不足原因的基礎上，研究設置神經生物學探索性實驗課程的教學內容，從細胞（神經元）—腦—整體三個維度安排實驗，引導學生在分子—細胞—整體三個層次以及符合漸進性認知規律的基礎上深刻理解神經生物學理論知識，并將這些知識貫穿到探索性實驗課中，使學生掌握神經生物學的理論知識，熟悉神經生物學的實驗技術，以達到培養學生具備科學性、創新性思維的教學目標。同時，在探索性實驗課程教學過程中，可以結合國家、省市和本校大學生創新創業訓練計劃項目，抓住建立生命科學學院全院本科生導師制的契機，吸納學生參與到實際項目中，進一步鞏固他們所掌握的神經生物學理論知識和實驗技能，提高他們對神經生物學的興趣，激發他們的科研潛能和培養他們的科研思維。

二、神經生物學探索性實驗課程的教學研究

神經生物學作為一門實踐性很強的學科，在教學內容體系上強調從理論探討到實驗驗證、再到探索新知識的過程，循序漸進、步步為營，使學生逐步掌握該學科的理論知識和實驗技能。探索性實驗課程以學生為起點和主體，讓學生自行選擇課題項目、提出假說、執行實驗操作，最后進行結果分析，充分體現學生對某個學科問題的探索性和主動性。設置探索性的實驗課程，有利于學生將理論知識與具體實驗過程結合起來，有利于學生將理論知識遷移到學科問題的解決上，更有利于學生深入理解神經生物學的基礎理論知識，初步掌握神經生物學的基本實驗方法和操作技能，培養學生創新性意識和思維。

（一）探索性實驗課程內容的設置

在課堂教學授課過程中，通過Blackboard網絡課堂、雨課堂、班級群等線上平臺，結合課堂理論講授的進度發布相關的實驗課程項目，如原代神經元或膠質細胞的培養和鑒定、大腦發育過程的觀察、大腦結構觀察和解剖、突觸和樹突棘標記與分析、學習記憶能力檢測等。課下讓學生在充分理解理論知識的基礎上，結合自己對神經生物學的興趣選擇合適的探索性實驗課程內容，再由教師根據學生線上的選擇結果來設置實驗內容并安排相應的實驗。同時，根據神經生物學研究的最新進展，教師也可將新出現的神經生物學實驗技術在課堂上通過視頻、圖片等方式分享給學生，并讓學生自主選擇感興趣的實驗技術進行收錄，如光遺傳學技術、神經組織透明化、病毒標記神經環路示蹤、新型超高分辨率高通量顯微鏡技術、腦機接口技術、計算神經科學技術和類腦計算芯片技術等。

（二）探索性實驗課程的教學模式

探索性實驗課程的教學模式應體現出其探究的獨特性。首先，本實驗課使用的教室不同于常規本科生實驗課程使用的教室，而是我院的校級重點科研實驗室——河南大學神經生物學研究所，并安排本科生與研究生共同完成一個感興趣的實驗，讓本科生參加真正的科研訓練，以培養其良好的科研習慣，從而避免一般本科實驗走馬觀花、淺嘗輒止的類似于參觀的實驗課堂形式。其次，實驗課的授課過程借鑒了前期我們“基于‘微課—翻轉課堂’的分子生物學實驗教學改革初探”教改項目的部分研究成果。在實驗課程開始前，發給學生與實驗相關的研究文獻，讓學生仔細研讀文獻，同時對實驗過程先進行預習和熟悉，從多個方面翔實解讀本次實驗涉及的理論知識、需注意的實驗細節和實驗的關鍵步驟等；在實驗的過程中，由于實驗內容是學生根據自己興趣選擇的，他們對實驗流程保持著極大的研究興趣，因此會認真地操作實驗、仔細地體會實驗過程、敏銳地捕捉實驗結果，同時注意觀察各種異常情況、做好實驗記錄工作；在實驗結束后，要求學生結合前期預習時了解到的實驗背景知識和自己在實驗過程中體會到的心得、觀察到的實驗結果，繼續查找相關文獻并深入研讀，寫出融合課程理論知識、文獻閱讀理解和實驗過程心得的綜合性實驗報告。結合文獻閱讀進行的探索性實驗課程教學模式，不僅能夠培養學生良好的文獻閱讀習慣，提高其閱讀能力，還能促使學生將所掌握、了解的理論知識運用到實驗過程中。對于因實驗條件限制而不能開設的探索性實驗項目，如光遺傳學技術、神經組織透明化、神經環路示蹤、新型超高分辨率高通量顯微鏡技術、腦機接口技術、計算神經科學技術和類腦計算芯片技術等，可利用慕課、微課以及視頻展示和討論相結合的方式分組認真觀看、學習和討論，做出詳細的學習報告，并繪出思維導圖，爭取認識和熟知這些最新的實驗技術。

（三）探索性實驗課程與科研項目的結合

以河南大學為例。任課教師作為指導教師指導我院的高年級學生進行河南大學大學生創新創業訓練計劃項目“EET 促進APP/PS1 小鼠神經元樹突棘形成的機制研究”的研究工作。這項研究用到Morris 水迷宮實驗來檢測小鼠空間學習記憶能力的變化。Morris水迷宮實驗是探究實驗動物對空間位置感和方向感（空間定位）的學習記憶能力以及其他記憶相關神經功能的重要研究方法，廣泛應用于學習記憶、老年癡呆、智力與衰老、新藥開發/篩選/評價、藥理學、毒理學、預防醫學、神經生物學、動物心理學及行為生物學等多個研究領域。因此，在神經生物學探索性實驗課程內容的調研和設置階段，教師特意將Morris 水迷宮的實驗內容添加到線上選擇和投票選項中，而大部分學生都選擇了這個實驗內容作為神經生物學探索性實驗課程的內容。在實驗過程中，學生熱情高漲，每個學生都積極參與實驗，詢問多個關于實驗原理以及與記憶相關的神經生物學理論知識。通過Morris 水迷宮實驗研究，學生充分認識和理解了以海馬為核心的大腦邊緣系統在學習記憶方面的重要性，結合前面對“大腦結構觀察和實踐”的探索性課程內容，學生可以很容易地將學習記憶這種大腦的高級功能與大腦的解剖結構聯系起來，實現對神經解剖理論知識的理解，并遷移到對功能的認知中。通過Morris 水迷宮實驗的學習，學生自己可以設計或進行一些與探討學習記憶等神經功能相關的實驗項目。

（四）探索性實驗課程的考核

探索性實驗課程內容的設置和選擇是在調查學生的興趣愛好后進行的，由此決定了在實驗課程的教學過程中，學生可以充分發揮主觀能動性，展現出極大的熱情和興趣。因此，我們提出了以匯報或綜合性實驗設計為核心的考核方式。這兩種考核方式由學生根據自己的興趣、愛好和熱情，以及對知識的熟悉程度任選其一，且此成績占總成績的50%，而卷面成績占40%，平時成績占10%。匯報是學生以自己所感興趣的探索性實驗課程內容為核心制作課件，并對全班同學講授對這些實驗課程原理的理解、實驗操作過程的關鍵步驟和注意事項、對實驗結果的科學分析等，并接受全班學生和教師的質疑、提問，最后教師根據綜合匯報過程中學生對神經生物學知識的運用情況、對探索性實驗過程的理解和對質疑問題的解答情況給出成績。綜合性實驗設計是學生根據所學的神經生物學理論知識和探索性實驗課程中學習到的實驗技能，自己提出與神經生物學相關的科學問題，選擇合適的實驗方法，設計科學合理的實驗方案，初步預測可能取得的實驗結果，寫出一篇綜合性的實驗報告，再由教師根據實驗報告反映出的學生對神經生物學理論知識理解和運用程度、對實驗方法選擇的精確程度，給學生一個考核分數。這兩種考核方式，無論哪一種都體現了學生對所學知識的輸出，體現了學生真正對神經生物學理論知識和實驗方法的理解與應用程度；而匯報課件和綜合實驗報告內容制作的精細、完整程度體現了學生對神經生物學課程的學習態度。因此，這兩種考核方式能充分體現出學生在神經生物學學習過程中的主動性、積極性、參與程度和主體角色，對培養他們的創新精神和綜合能力有很大的好處。

三、神經生物學探索性實驗課程教學效果評價

（一）學生評價

學期結束后，我們通過網絡問卷的方式對神經生物學探索性實驗課程的設置和實踐情況分別從學習興趣、學習效果、對實驗技能的掌握和提高三個方面進行了調查。結果顯示，96%的學生認為探索性實驗課程的學習提升了他們對神經生物學學科的興趣，93%的學生認為探索性實驗課程的學習提高了他們的神經生物學課程成績，97%的學生認為探索性實驗課程的學習有利于他們對實驗技能的掌握和提高。綜合分析，高達95%的學生對神經生物學探索性實驗課程持有正面評價。因此，從學生角度出發選擇少而精的探索性實驗課程，不僅可以增強學生對神經生物學學科的學習興趣、提高學生的學習成績，還有利于學生掌握基本實驗技能、培養良好的實驗習慣，并促進學生創新性意識和思維的培養，可以對其加以推廣。

（二）教師評價

在了解到學生對神經生物學相關知識具有強烈興趣的基礎上，有針對性地開設相應的探索性實驗課程，并與相關的科研項目相結合，在內容設置、授課模式和考核方式等方面不同于一般的本科生實驗課程，最終在學生的熱情度、參與度、主動性和持久性等方面優于常規的實驗課程。通過與學生的交談可知，神經生物學探索性實驗課程的學習有利于學生鞏固學習過的基礎理論知識，還有利于培養學生主動參與實驗的意識和綜合實驗操作能力。探索性實驗課程嘗試將實驗教學項目與教師的科研項目、最新的學科研究進展相結合，創造適當的條件引導學生深入學習相關學科知識、較早參與科學研究活動，有利于提高本科教學質量，提高學生的創新能力和主觀能動性，使學生較好地適應日后的科研工作和滿足社會需求。

建設世界一流大學和一流學科的“雙一流”建設是我國高等教育在建設中國特色社會主義階段的重大戰略決策。“雙一流”建設的具體任務之一是“培養具有歷史使命感和社會責任心，富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才”。河南大學一級學科生物學是國家“雙一流”建設學科，神經生物學又是生物學下的二級學科，近幾年在國際國內“腦計劃”項目的驅動下發展得非常迅速。因此，神經生物學探索性實驗課程的設置和實踐有利于學生掌握神經生物學實驗技術、實現理論與實踐的結合，更有利于學生創新性思維的培養，從而落實“雙一流”學科建設培養拔尖創新人才的任務。