范 蕾(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院實驗與教學(xué)中心，北京 100081)

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·國外實驗室·

美國大學(xué)生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育改革的創(chuàng)新經(jīng)驗

范 蕾
(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院實驗與教學(xué)中心，北京 100081)

美國哈維穆德學(xué)院針對理工科學(xué)生開設(shè)了生物學(xué)跨學(xué)科實驗。這種教學(xué)模式增加了學(xué)生對跨學(xué)科實驗的興趣，符合與國際接軌的現(xiàn)代高端人才的培養(yǎng)模式。同時，比較中美兩國生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育模式，對我國傳統(tǒng)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(xué)跨學(xué)科實驗教學(xué)改革的方案，從教學(xué)方法、實驗內(nèi)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(xué)跨學(xué)科實驗的教學(xué)質(zhì)量。我國大學(xué)要根據(jù)其實際發(fā)展的特點，吸收、借鑒美國大學(xué)開設(shè)生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育的有益的教學(xué)經(jīng)驗、探究適應(yīng)我國大學(xué)生物學(xué)跨學(xué)科實驗教學(xué)模式的道路，為培養(yǎng)我國創(chuàng)新性、復(fù)合型多學(xué)科高端人才而不懈努力。

生物學(xué)跨學(xué)科實驗； 教學(xué)改革； 實驗教學(xué)

0 引 言

科學(xué)技術(shù)突飛猛進使美國大學(xué)生物學(xué)實驗的教學(xué)模式也隨之相應(yīng)地發(fā)生重大改變。美國大學(xué)充分發(fā)揮其大學(xué)專業(yè)涉及面廣、多學(xué)科教師資源充沛、跨學(xué)科研究機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化完善、學(xué)術(shù)群體層次多，這些有利條件為美國大學(xué)開設(shè)跨學(xué)科實驗提供了良好發(fā)展環(huán)境[1]。

跨學(xué)科實驗具有學(xué)科間優(yōu)勢互補的特點，跨學(xué)科實驗內(nèi)容可讓學(xué)生感受到探索性學(xué)習(xí)的方式，并激發(fā)學(xué)生探究其它新學(xué)科領(lǐng)域的求知欲，這種淡化學(xué)科間界限、學(xué)生親自設(shè)計實驗假設(shè)、驗證假設(shè)是一種把理論聯(lián)系實踐的最有效的教學(xué)方式，開闊學(xué)生的專業(yè)視野。

大學(xué)生物學(xué)跨學(xué)科實驗要與國家、社會的發(fā)展相契合，教師可以跨學(xué)科實驗教學(xué)的方式，強化學(xué)科內(nèi)涵、延伸學(xué)科外延、開拓跨學(xué)科實驗教學(xué)的研究領(lǐng)域、健全和改進跨學(xué)科實驗教學(xué)的方法、培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維、培養(yǎng)創(chuàng)新型精英人才[2]。

1 生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育改革的創(chuàng)新經(jīng)驗

哈維穆德學(xué)院(Harvey Mudd College，HMC)是美國一所具有科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的私立精英大學(xué)，美國《新聞與世界報道2008》把HMC列為“美國最好的大學(xué)之一”[3]。HMC是被譽有“小常春藤”之稱的優(yōu)秀文理學(xué)院，其優(yōu)秀學(xué)術(shù)排行位列美國大學(xué)中的第十四位，是美國大學(xué)里考取博士學(xué)位的學(xué)生比例最高的一所學(xué)校。HMC的課程內(nèi)容難度非常大，考試評分相當(dāng)嚴(yán)格，學(xué)生需要對學(xué)業(yè)投入很大的努力才能完成[4]。

HMC建立跨學(xué)科實驗的目的是把多學(xué)科技術(shù)的核心統(tǒng)一、整合教育資源、把不同學(xué)科的教育經(jīng)驗應(yīng)用在跨學(xué)科的實驗中。

1.1 合理整合各學(xué)科實驗

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

每個生物學(xué)跨學(xué)科實驗至少是整合兩個學(xué)科的概念和技能。任何有關(guān)在實驗課中所講述到的、可以銜接相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，都可以在HMC教師編寫的實驗預(yù)習(xí)和練習(xí)手冊中查到。HMC所設(shè)計的生物學(xué)跨學(xué)科實驗是在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上進行反復(fù)論證，以達到實驗的可行性、跨學(xué)科性的特點[6]。

1.2 具有學(xué)科兼容性、創(chuàng)新性和學(xué)科延展性

專家組教師認(rèn)為跨學(xué)科實驗研討會必須作為實驗設(shè)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(xué)科間的兼容性，最后達到實驗的目標(biāo)使開發(fā)新實驗的教師愿意不斷地為之努力。

HMC組織跨學(xué)科實驗的專家組教師一致認(rèn)同跨學(xué)科實驗內(nèi)容應(yīng)不斷保持可持續(xù)性，參與實驗設(shè)計的教師應(yīng)來自更多專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域[7]。因此，2000年HMC組織參與實驗研討會的教師又?jǐn)U展到研究航天學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域的教師和工程師。

為了使生物學(xué)跨學(xué)科實驗必須具有良好學(xué)科延展性和創(chuàng)新性，主持實驗工作的專家組教師給參與實驗指導(dǎo)教師解答關(guān)于實驗設(shè)計過程中的疑惑，使實驗指導(dǎo)師熟悉實驗內(nèi)容和獲得研發(fā)新實驗的經(jīng)驗[8]。

1.3 合理規(guī)劃和整合各學(xué)科的教學(xué)、科研資源

HMC實驗設(shè)計的教師經(jīng)反復(fù)討論和驗證，把大學(xué)中的教學(xué)和科研資源再次重組，決定學(xué)生使用小型的和相關(guān)院系現(xiàn)有的設(shè)備，控制生物學(xué)跨學(xué)科實驗成本。

1.4 跨學(xué)科實驗對學(xué)生所學(xué)習(xí)專業(yè)程度要求

在HMC學(xué)習(xí)生物學(xué)跨學(xué)科實驗的學(xué)生必須在大學(xué)一二年級學(xué)習(xí)完普通生物學(xué)、普通化學(xué)、普通物理學(xué)、計算機科學(xué)、工程學(xué)、高等數(shù)學(xué)課等理論課程。大學(xué)三年級學(xué)生才有資格申請做生物學(xué)跨學(xué)科實驗。學(xué)生用跨學(xué)科實驗替代大學(xué)里要求必修的普通生物學(xué)、普通化學(xué)、普通物理實驗課。

1.5 合理安排生物學(xué)跨學(xué)科實驗時間

HMC認(rèn)為跨學(xué)科實驗的教學(xué)時間應(yīng)安排在一個學(xué)年時間長度的時間里，學(xué)生才能更有時間逐步、深入地了解各個學(xué)科之間的聯(lián)系[9]。

HMC開設(shè)的每個跨學(xué)科實驗時間持續(xù)3周，共有18個學(xué)生參加(9對實驗組)。這些學(xué)生全身心地投入精力做實驗[10]。實驗課程每次持續(xù)4 h。學(xué)生在前兩周做實驗，全同班學(xué)生在第三周一起參加關(guān)于實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和討論。教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)Kaleidagraph和MathCad軟件，以用于處理、分析數(shù)據(jù)、繪圖。教師要求學(xué)生在實驗期間必須做完整的實驗記錄，每個學(xué)生要在每個實驗結(jié)束完成實驗報告且做個簡短的書面報告。實驗指導(dǎo)教師要求全體學(xué)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(xué)生把原始數(shù)據(jù)輸入計算機后，會得到數(shù)據(jù)分析曲線和表格。將來教師會參考這些數(shù)據(jù)，分析實驗中出現(xiàn)的各種問題并對今后實驗進行改進。教師根據(jù)電腦中所存的數(shù)據(jù)給學(xué)生的實驗成績打分。每個實驗組的學(xué)生做完各自的實驗后，就輪換著做其他組的實驗內(nèi)容。生物學(xué)跨學(xué)科專家組教師會長期跟蹤、調(diào)查、評估跨學(xué)科實驗課程內(nèi)容對學(xué)生發(fā)展的影響。

1.6 實驗手冊的編寫及教師與學(xué)生互動教學(xué)平臺

HMC的教師所編寫的生物學(xué)跨學(xué)科實驗預(yù)習(xí)和練習(xí)手冊中介紹了大量的實驗材料。學(xué)生在每次做實驗前必須完成實驗預(yù)習(xí)中的練習(xí)作業(yè)。HMC建立的跨學(xué)科實驗網(wǎng)站是一個非常重要的教學(xué)互動平臺，學(xué)生在平臺上可下載實驗預(yù)習(xí)作業(yè)并以電子郵件的方式提交作業(yè)答案給指定的輔導(dǎo)教師。教師留實驗預(yù)習(xí)作業(yè)的目的是為了讓學(xué)生了解不同專業(yè)學(xué)科的背景知識，讓學(xué)生在做實驗時可以做到心中有數(shù)、掌握實驗理論要點、用理論聯(lián)系實際問題和學(xué)會分析實驗結(jié)果。教師鼓勵學(xué)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(tài)地解決實驗中出現(xiàn)的問題，進而推動實驗順利進行。

2 HMC設(shè)計生物學(xué)跨學(xué)科實驗意義和特點

HMC設(shè)計的生物學(xué)跨學(xué)科實驗有非常重要的意義和特點。

2.1 HMC設(shè)計生物學(xué)跨學(xué)科實驗的兩層意義

(1) 生物學(xué)跨學(xué)科實驗的內(nèi)容是隨著科學(xué)和技術(shù)的進步而不斷變化的，其實驗內(nèi)容會以某個學(xué)科為主的形式展開。學(xué)生研究跨學(xué)科實驗內(nèi)容的核心會以圍繞某個學(xué)科的研究課題而展開，也可以圍繞多學(xué)科的研究中所涉及的通用設(shè)備或數(shù)據(jù)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(yōu)于其他模式的方式進行。

(2) HMC設(shè)計跨學(xué)科實驗的專家組教師會整合多個學(xué)科的專業(yè)知識，讓學(xué)生從多個專業(yè)維度分析問題、得出研究問題的結(jié)論。

2.2 HMC生物學(xué)跨學(xué)科實驗的特點

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

表1 生物學(xué)跨學(xué)科實驗

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

(3) 生物學(xué)跨學(xué)科實驗指導(dǎo)教師認(rèn)真準(zhǔn)備實驗。實驗指導(dǎo)教師會在每年的春季學(xué)期做實驗設(shè)計和預(yù)實驗。實驗的設(shè)置和規(guī)劃的關(guān)鍵是實驗設(shè)計教師要有效地利用夏季學(xué)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(xué)科(生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等)中選取一些基礎(chǔ)性的、最具代表性的實驗做演示性實驗給參加設(shè)計實驗的教師觀摩，目的是為了讓跨學(xué)科的實驗拓展性強、具有學(xué)科間可融合性和具有研發(fā)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(nèi)容。因為每個實驗有專業(yè)學(xué)科所強調(diào)的重點，所以每個跨學(xué)科實驗中至少有兩名不同學(xué)科專業(yè)背景的教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)專業(yè)實驗。

3 啟 示

從上述內(nèi)容可以看到，美國大學(xué)開設(shè)跨學(xué)科生物學(xué)實驗有很多有益的經(jīng)驗值得我國大學(xué)學(xué)習(xí)和借鑒。

3.1 改變生物科學(xué)研究與本科實驗教學(xué)相脫節(jié)現(xiàn)實

我國現(xiàn)在部分大學(xué)本科的實驗教學(xué)內(nèi)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(fā)展，但是我國的實驗教學(xué)方式還相對保守。有以下原因?qū)е卤究粕膶嶒炁c教師的科學(xué)研究沒有很好的結(jié)合：

(1) 本科教學(xué)與科研實驗設(shè)備間沒有建立有效的共享管理和使用機制[14]。

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

(3) 我國的部分大學(xué)還沒有認(rèn)識到建立跨學(xué)科研究機構(gòu)將對一個國家發(fā)展重要戰(zhàn)略有重大影響[16]。

我國設(shè)有生物專業(yè)的大學(xué)應(yīng)根據(jù)自身發(fā)展條件逐步建立與其大學(xué)特色專業(yè)相關(guān)的跨學(xué)科研究機構(gòu)，特別是與國防、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、新材料、新能源等相關(guān)的學(xué)科。因為這些跨學(xué)科研究機構(gòu)所研究的內(nèi)容會涉及到國計民生、關(guān)乎國家未來發(fā)展，具有戰(zhàn)略意義。

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

3.2 創(chuàng)新、豐富實驗內(nèi)容

我國現(xiàn)階段大學(xué)中的部分實驗內(nèi)容涉及的學(xué)科比較單一，驗證性的實驗較多，無法拓展學(xué)生的思路。生物學(xué)跨學(xué)科實驗正可以彌補我國大學(xué)本科實驗教學(xué)方式單一性的特點。生物學(xué)跨學(xué)科實驗可以豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，跟隨當(dāng)前的科研動向，改變驗證性實驗帶來的教學(xué)弊端[18]。

3.3 深化大學(xué)內(nèi)部實驗資源管理與運行機制的改革

我國大學(xué)現(xiàn)階段還沒有建立有效的制度保障，以保證大學(xué)本科生物學(xué)跨學(xué)科實驗的可持續(xù)性。例如，大學(xué)要建立、建全、完善有關(guān)跨學(xué)科實驗中涉及的教師管理制度、科研和教學(xué)資源整合規(guī)劃管理制度、學(xué)科交叉和共建制度[19]。

生物學(xué)跨學(xué)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(xué)的管理模式。大學(xué)需要建立跨學(xué)科生物實驗教學(xué)的專家組。通過專家組與大學(xué)里各個研究機構(gòu)、教學(xué)、實驗中心等溝通，合理整合教學(xué)與科研資源、科學(xué)地安排跨學(xué)科生物實驗的時間，避免生物學(xué)跨學(xué)科實驗影響其他專業(yè)正常的教學(xué)、科研，形成靈活的生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育研究體系[20]。

3.4 集中優(yōu)勢資源迅速提升生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育

首先，我國大學(xué)應(yīng)改變生物學(xué)跨學(xué)科實驗的資金來源方式。我國現(xiàn)階段的大學(xué)本科生物學(xué)實驗經(jīng)費來源都是來自國家的資金支持。每年大學(xué)開設(shè)實驗的經(jīng)費會限制開設(shè)實驗的設(shè)備、材料、周期、參加人數(shù)等。生物學(xué)跨學(xué)科實驗必然涉及更多的實驗資源，因此我國必須根據(jù)自身發(fā)展的現(xiàn)實條件，本著依靠大學(xué)人才優(yōu)勢的特點，可通過與企業(yè)、公司展開科技合作的方式集資，籌措生物學(xué)跨學(xué)科實驗教育的資金及整合大學(xué)校內(nèi)的教育與科研資源，以保證生物學(xué)跨學(xué)科實驗開設(shè)具有可持續(xù)性、實用性和前沿性[21]。

另外，大學(xué)應(yīng)當(dāng)靈活規(guī)劃校內(nèi)資源[22]。因為生物學(xué)跨學(xué)科實驗不同傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，參與跨學(xué)科實驗的專家、教師會根據(jù)科技、學(xué)科的發(fā)展而調(diào)整實驗內(nèi)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(xué)資源歸屬于大學(xué)里某個固定的部門。在實驗設(shè)計方向改變后，實驗資源會重新回歸大學(xué)的主管部門，這樣可以彌補我國大學(xué)現(xiàn)階段教育資源不足的缺點。

4 結(jié) 語

美國大學(xué)開設(shè)的生物學(xué)跨學(xué)科實驗是具有挑戰(zhàn)性的課程，跨學(xué)科實驗打破阻斷各學(xué)科間相互聯(lián)系的障礙。學(xué)生通過實驗，以創(chuàng)新的形式把多個學(xué)科領(lǐng)域中的知識點串連起來，訓(xùn)練學(xué)生融會貫通地運用知識的能力[23]。整個跨學(xué)科實驗設(shè)計非常完善，結(jié)合多學(xué)科的實驗內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、為學(xué)生提供新的學(xué)科視角、拓寬學(xué)生的知識面，為今后從事科研或未來進入職場和應(yīng)對復(fù)雜的工作環(huán)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(xué)生物教學(xué)與研究。Tel.:010-68914504；E-mail: faletzb@sina.com

Q-331;G 642.423

A

1006-7167(2015)02-0209-05