辛廣偉

（北京大學(xué) 生物學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100871）

對(duì)生命科學(xué)而言，生物實(shí)驗(yàn)是獲取知識(shí)、探索未知的基本手段，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與學(xué)術(shù)素養(yǎng)的重要途徑，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物專業(yè)本科教育的重要環(huán)節(jié)[1-2]，而遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)是各高校生物類本科生的核心實(shí)驗(yàn)課之一。本文以遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合對(duì)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles，以下簡(jiǎn)稱UCLA）的實(shí)地考察，對(duì)UCLA 和我校遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式進(jìn)行橫向比較，探討如何上好一門本科生的實(shí)驗(yàn)課。

1 一門好實(shí)驗(yàn)課應(yīng)具備的特點(diǎn)

在2019 年QS 世界大學(xué)排名中，位于前100 名的內(nèi)地高校共有6 所，除北京大學(xué)外，還有清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。筆者對(duì)前4 所高校的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行了實(shí)地訪談，并對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了文獻(xiàn)查閱。通過對(duì)這6 所高校的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)的比較，并結(jié)合筆者在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程一線多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一門廣受學(xué)生好評(píng)的實(shí)驗(yàn)課應(yīng)具備的三個(gè)主要特點(diǎn)。

1.1 注重實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)，加深對(duì)生物學(xué)理論的理解

生命科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上，只有通過親自動(dòng)手操作、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，才能理解該學(xué)科關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的來(lái)龍去脈并熟悉掌握相關(guān)基礎(chǔ)操作方法[2-3]。正如諾貝爾獎(jiǎng)得主Dudley Herschbach 教授所說：“I have noticed that many straight A students are lost when it comes to research”（很多成績(jī)上的優(yōu)等生并不知道如何去做科研）。單純的生物學(xué)理論學(xué)習(xí)并不能直接提高學(xué)生的科研能力。因此，教師在安排教學(xué)內(nèi)容以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，必須清楚地意識(shí)到本專業(yè)有哪些核心知識(shí)點(diǎn)和基礎(chǔ)操作技能需要學(xué)生了解和掌握，以及如何將這些知識(shí)點(diǎn)和操作技能貫穿到整個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程中。學(xué)生以這些實(shí)驗(yàn)為載體，通過規(guī)范的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，加深對(duì)生物學(xué)理論的理解，了解生物學(xué)知識(shí)的獲取途徑及背后的科研邏輯。這是對(duì)一門實(shí)驗(yàn)課程的基本要求。

1.2 深度參與課堂，興趣與實(shí)踐并重

從20 世紀(jì)80 年代開始，世界范圍內(nèi)一直強(qiáng)調(diào)課程要以 “學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向”，即成效為本（outcome-based education，簡(jiǎn)稱OBE）的教育模式[4-5]。該教育模式所強(qiáng)調(diào)的激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、小組協(xié)作、批判性思考等概念可以在實(shí)驗(yàn)課程中得到很好的實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)課通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)討論、實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)、文獻(xiàn)檢索、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫以及具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正反饋等可以調(diào)動(dòng)起學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，提高學(xué)生的科研興趣以及形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)。另外，與理論課不同的是，實(shí)驗(yàn)課可以讓學(xué)生參與到課程的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括前期的課程準(zhǔn)備及后期的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等，能夠有效鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。為實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，我校生命科學(xué)學(xué)院遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課根據(jù)自身特點(diǎn)，并參考其他院校實(shí)驗(yàn)課特色[6-7]，在以下兩個(gè)方面作了嘗試，提高了學(xué)生的課程參與度。

1.2.1 依托慕課進(jìn)行課程預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，注重課堂討論和實(shí)驗(yàn)操作演示

“慕課” 是當(dāng)前廣泛采用的一種教學(xué)模式，因其具有學(xué)習(xí)方式靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)受到教師和學(xué)生的歡迎。我校生命科學(xué)學(xué)院遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課在2016 年已經(jīng)制作了網(wǎng)上 “慕課”（https://www.icourse163.org/course/PKU-1003368010），該“慕課” 具有以下特點(diǎn)。

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理論講解和實(shí)驗(yàn)操作視頻化，課程全部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化，可供學(xué)生課前預(yù)習(xí)并有身臨其境的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（2）有效整合了與本課程相關(guān)的參考文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)資源，擴(kuò)展了課堂容量和內(nèi)容深度，并可跟蹤學(xué)科最新發(fā)展，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，隨時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，將遺傳學(xué)最新技術(shù)或線下實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容在 “慕課” 上展示。

（3）實(shí)驗(yàn)課采取隨堂測(cè)試的方法檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，減少實(shí)際課堂理論知識(shí)的講解時(shí)間，上課以討論答疑為主，僅對(duì)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)操作在課堂上進(jìn)行實(shí)際演示和講解外，其他教學(xué)內(nèi)容均以學(xué)生為主體，以便提高實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐效率。

（4）實(shí)驗(yàn)課要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳網(wǎng)絡(luò)課堂，實(shí)現(xiàn)在線批改，及時(shí)反饋。此外，網(wǎng)絡(luò)課堂還具有優(yōu)秀報(bào)告展示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告存儲(chǔ)等功能，初步實(shí)現(xiàn)了電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范化管理。

1.2.2 開放實(shí)驗(yàn)室，有效利用零碎時(shí)間

在實(shí)際科研過程中，實(shí)驗(yàn)是根據(jù)研究思路設(shè)計(jì)，在時(shí)間上是連續(xù)的，因此學(xué)生每周只上一次實(shí)驗(yàn)課，不能適應(yīng)實(shí)際科研工作的要求。為此，遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合分子、細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，面向遺傳學(xué)選課學(xué)生全面開放。學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間安排做實(shí)驗(yàn)，教師或助教可在實(shí)驗(yàn)室給予學(xué)生必要的指導(dǎo)。由于開放性實(shí)驗(yàn)一般時(shí)間跨度較長(zhǎng)，存在一定的失敗概率，因此開放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施應(yīng)以分組持續(xù)進(jìn)行的方式完成。高低年級(jí)學(xué)生可以搭配，教師根據(jù)分組情況給予具體幫助和指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)開展前，學(xué)生通過小組討論安排好實(shí)驗(yàn)流程，計(jì)劃好實(shí)驗(yàn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以便保證實(shí)驗(yàn)課程持續(xù)有序進(jìn)行。

遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及果蠅，由于果蠅在野外很常見，對(duì)人類身體無(wú)害，而且果蠅培養(yǎng)基是以玉米、白糖、酵母等日常食物配制而成，因此我校遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生把果蠅帶回宿舍完成果蠅生活史的觀察。每位學(xué)生培養(yǎng)一瓶果蠅，利用零碎時(shí)間去觀察果蠅如何求偶、交配、爭(zhēng)斗、產(chǎn)卵、發(fā)育成果蠅等。學(xué)生通過寫觀察日記，較好地了解了果蠅生活史在各個(gè)階段的發(fā)育狀態(tài)。這種在日常生活中觀察果蠅的教學(xué)實(shí)踐，已經(jīng)在我校生命科學(xué)學(xué)院進(jìn)行了10 多年，并取得了良好的教學(xué)效果。

1.3 教學(xué)與科研相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了訓(xùn)練學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)外，還需要幫助學(xué)生完成從基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)向科學(xué)研究的過渡，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上學(xué)有所成，以便順利適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)科研節(jié)奏[8-13]。因此，需要將教師的科研項(xiàng)目引入課堂。如果一門實(shí)驗(yàn)課程要進(jìn)一步得到發(fā)展，必須注重教學(xué)與科研的結(jié)合，形成重視基礎(chǔ)、緊跟前沿的良性循環(huán)。一方面，教學(xué)與科研的結(jié)合可以激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性和責(zé)任心；另一方面，科研的進(jìn)展也將促進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和技術(shù)手段的不斷革新。

為了將教學(xué)與科研有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，筆者經(jīng)過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)教學(xué)文獻(xiàn)[14-17]，并通過對(duì)UCLA 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)地考察，認(rèn)為該?；诳蒲械膶?shí)驗(yàn)教學(xué)模式值得借鑒。

2 基于科研的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 UCLA 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)理念和方法

UCLA 有兩類實(shí)驗(yàn)課程：第一類是生物基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，該類課程為生命科學(xué)專業(yè)學(xué)生必修，以實(shí)驗(yàn)操作為基礎(chǔ)，但教學(xué)內(nèi)容涵蓋范圍廣泛，并不限于生命科學(xué)的某一個(gè)專業(yè)，而是對(duì)該學(xué)科多數(shù)專業(yè)都有所涉及。該課程的目的是為了讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)代生物學(xué)有大致的了解，方便學(xué)生以后選擇專業(yè)、確定研究方向。第二類課程是基于科研的實(shí)驗(yàn)課程，該類課程針對(duì)某一個(gè)生物專業(yè)，以科學(xué)研究探索為出發(fā)點(diǎn)，通過精心設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，將實(shí)際科學(xué)研究融入課程中，充分利用本科生課程實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單、上課人數(shù)多、重復(fù)性高的特點(diǎn)，共同完成一個(gè)科研課題。一般在學(xué)期初，實(shí)驗(yàn)課教師與該學(xué)院科研組共同討論，確定并設(shè)計(jì)出科研課題。例如UCLA 的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課在2007 年度的研究?jī)?nèi)容是“篩選控制果蠅眼睛發(fā)育的基因”。在研究課題確定后，教師提前從Bloomington Drosophila Stock Centre、VDRC Stock Centre 等果蠅庫(kù)中訂購(gòu)幾千種不同基因敲除的果蠅品系。在課上，每位學(xué)生都在做果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，但不同的學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)是不同品系的雜交，所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也自然有所不同。經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以完成果蠅的幾千個(gè)基因篩選，從中確定對(duì)眼睛發(fā)育有影響的基因。UCLA 的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課的課題是“建立海膽的基因庫(kù)”，要求學(xué)生完成海膽基因組提取、引物設(shè)計(jì)、PCR、基因克隆、基因原位雜交等實(shí)驗(yàn)，從而使學(xué)生得到相應(yīng)的分子生物學(xué)技術(shù)訓(xùn)練，但教師給每位學(xué)生分配的是不同的基因?qū)嶒?yàn)任務(wù)，這樣幾個(gè)學(xué)期下來(lái)，將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總合并，形成一份可以上傳到NCBI 基因組庫(kù)中的完整數(shù)據(jù)。

UCLA 的實(shí)驗(yàn)課采用半開放式的教學(xué)模式。以遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課為例，在課程前期，教師帶領(lǐng)學(xué)生以閱讀文獻(xiàn)的形式學(xué)習(xí)遺傳學(xué)的核心概念，了解課程相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作。這些文獻(xiàn)既包括遺傳學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)，也包括與該科研課題相關(guān)的最新文獻(xiàn)，教師提前把文獻(xiàn)中涉及的遺傳學(xué)概念和生物學(xué)名詞進(jìn)行匯總，在課上進(jìn)行講解。在學(xué)生對(duì)科研課題有一定了解后，教師要求每位學(xué)生以基金申請(qǐng)書的模式寫一份計(jì)劃書，包括研究背景、研究進(jìn)展、技術(shù)方法、預(yù)期結(jié)果及參考文獻(xiàn)等，以確認(rèn)學(xué)生對(duì)課題及后續(xù)的實(shí)驗(yàn)有深入了解，然后再開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)課一般持續(xù)整個(gè)學(xué)期，實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)張貼在實(shí)驗(yàn)室墻上，學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室后可隨時(shí)查看。學(xué)生也可以組成合作小組，并與教師隨時(shí)討論，以確保課題的順利開展。在課程結(jié)束前，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步完善自己的基金申請(qǐng)書，把本學(xué)期已取得的進(jìn)展和下一步的研究計(jì)劃添加到申請(qǐng)書中。通過課程實(shí)驗(yàn)，完成一個(gè)比較完整的課題申報(bào)過程。

2.2 UCLA 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)成效及經(jīng)驗(yàn)借鑒

UCLA 將本科生的遺傳實(shí)驗(yàn)課與前沿果蠅基因組功能研究有機(jī)結(jié)合起來(lái)，依靠這種篩選方法，UCLA遺傳學(xué)課程的教師發(fā)表了一系列有影響力的教學(xué)或科研文章[18]。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生參與了真實(shí)的科研工作，體會(huì)到科研的過程，感受到探索問題的樂趣。同時(shí)也得到遺傳學(xué)的基礎(chǔ)訓(xùn)練，包括遺傳學(xué)經(jīng)典技術(shù)方法、模式生物的識(shí)別和應(yīng)用、生物信息學(xué)技術(shù)手段等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是開放的，實(shí)驗(yàn)的最終成果以文章的形式發(fā)表，這種實(shí)驗(yàn)方式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和好奇心，提高了學(xué)生的科研能力。UCLA 實(shí)驗(yàn)課可作為本科生進(jìn)階性教育的“科研訓(xùn)練”，其成功經(jīng)驗(yàn)包括其課程理念及教學(xué)模式等，可為國(guó)內(nèi)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供以下三方面的借鑒。

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際科研課題相結(jié)合。通過周密的課題設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠真實(shí)體驗(yàn)科研工作的有關(guān)環(huán)節(jié)。通過參與科研工作，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科研能力。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將科研論文作為教材。教師可根據(jù)不同的研究課題，選擇不同的參考文獻(xiàn)。在對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解時(shí)，把學(xué)科的一些基本概念涵蓋其中，使學(xué)生盡早接觸這一領(lǐng)域的前沿研究課題。

（3）本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室可長(zhǎng)時(shí)間開放。學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間和需要到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可與教師討論實(shí)驗(yàn)進(jìn)展并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生自主安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和進(jìn)度，提高了學(xué)生參與課程的能動(dòng)性和科研興趣。有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可通過小組的形式完成，這有利于鍛煉組內(nèi)學(xué)生的科研協(xié)作能力。

我校生命科學(xué)學(xué)院在2014 年引入了UCLA 的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課教師John M. Olson，并開設(shè)了“Drosophila genetics” 全英文遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課。該課程與生命科學(xué)學(xué)院科研課題組合作，利用清華大學(xué)果蠅中心的果蠅轉(zhuǎn)基因RNAi 品系，共同篩選與果蠅睡眠和節(jié)律調(diào)控相關(guān)的基因。該課程不僅吸引了生命科學(xué)學(xué)院的學(xué)生參加，而且還吸引了一批對(duì)生物學(xué)感興趣的國(guó)際留學(xué)生參與。經(jīng)過幾年的實(shí)踐，該課程篩選出20 余個(gè)與果蠅睡眠或節(jié)律相關(guān)的基因，下一步將與科研課題組合作進(jìn)行更深入的機(jī)制探索。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代生命科學(xué)在迅猛發(fā)展，各類新技術(shù)伴隨著理論創(chuàng)新不斷出現(xiàn)，面對(duì)這些新的技術(shù)和理念，高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。對(duì)于本科生而言，其重心應(yīng)轉(zhuǎn)向?qū)χR(shí)的深入理解，以及從知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向?qū)嵺`能力的鍛煉。而實(shí)驗(yàn)課程正是激發(fā)學(xué)生好奇心、培養(yǎng)其學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的平臺(tái)。此外，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容除了涵蓋學(xué)科的基本概念和基本技能訓(xùn)練之外，還應(yīng)引入科研的理念和科研環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要使學(xué)生體驗(yàn)到不同學(xué)科的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能可以作為從不同角度解決同一問題的手段，從而認(rèn)識(shí)生物的整體性。因此，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)課是生命科學(xué)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。利用UCLA 這種將科研課題融入本科實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式，可以增強(qiáng)學(xué)生的科研主動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任心，這是一種有益的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索。此外，“慕課”“微課” 等現(xiàn)代教育學(xué)方法，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)課程容量，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再局限于實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)查閱經(jīng)典或追蹤前沿，還可為本科生開展科研提供條件保障。綜上所述，將科研課題與本科生實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合、開放本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式值得借鑒和推廣。