生物學(xué)綜合實驗課程體系設(shè)計及實施“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃”為例
——以北京師范大學(xué)

宋宏濤， 李萬杰， 向本瓊， 朱壁如， 馮利民

(北京師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)實驗教學(xué)中心， 北京 100875)

0 引 言

“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃”簡稱“珠峰計劃”[1]，是國家為回應(yīng)“錢學(xué)森之問”而推出的一項人才培養(yǎng)計劃，旨在培養(yǎng)中國自己的學(xué)術(shù)大師。該計劃由教育部聯(lián)合中組部、財政部于2009年啟動。該計劃主要目的是為了貫徹實施人才強國戰(zhàn)略,同時大力推進國家研究型大學(xué)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式和機制的全方位創(chuàng)新,帶動整個高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的進一步提高。

我校是入選 “大學(xué)生優(yōu)選計劃” 的 19 所高校之一,同時學(xué)校的 “拔尖計劃” 也被列入國家教育體制改革試點項目和北京師范大學(xué) “985 工程”[2]。 從 2010 級開始在全校范圍內(nèi)選拔優(yōu)秀學(xué)生組建勵耘學(xué)院 “基礎(chǔ)理科拔尖學(xué)生培養(yǎng)實驗班” ( 以下簡稱 “勵耘實驗班”) ,對入選該計劃的學(xué)生實施“寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、強能力、個性化、開放式”的拔尖學(xué)生培養(yǎng)模式[3]。

生命科學(xué)與技術(shù)實驗教學(xué)中心(以下簡稱“中心”)針對生物學(xué)勵耘實驗班拔尖學(xué)生培養(yǎng)所應(yīng)具備的特質(zhì)，對學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)進行了新的嘗試，在寬口徑基礎(chǔ)理科培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，完全打破傳統(tǒng)的“先理論后實驗”的模式，探索“先試驗后理論，再實驗”(Test， Theory and Practice, TTP) 的模式[4]，以期望能更好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和科學(xué)研究思維?；诖酥行膱F隊以生物學(xué)實驗技術(shù)與方法為主線，整合已有的實驗課程內(nèi)容，重構(gòu)了一套全新的針對拔尖學(xué)生的實驗課程體系,該實驗課程體系一共包含4個模塊，即“生物綜合實驗I～IV”。在之前的論文中[4-6]，主要探討了針對高年級的拔尖學(xué)生所開設(shè)的III和IV模塊，以及針對單個綜合實驗(比如植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)綜合實驗設(shè)計和RNA干擾技術(shù)在細胞生物學(xué)實驗中的應(yīng)用)，針對本科4年的整個實驗課程體系進行展示，并就整個體系運行5年來的效果通過問卷調(diào)查的形式進行評價。為進一步完善這一培養(yǎng)體系，有必要在試驗實施一階段后及時進行階段性總結(jié)。本文將圍繞生物學(xué)勵耘實驗班拔尖學(xué)生所應(yīng)具備的實踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)、課程內(nèi)容、實施情況及其效果評價、不足與展望4方面對該實驗課程體系進行總結(jié)和探討。于內(nèi)是經(jīng)驗梳理、問題檢討和推陳出新，于外則希望“拋磚引玉”，聽取國內(nèi)同仁的批評指正。

1 培養(yǎng)目標(biāo)

國家對于拔尖學(xué)生培養(yǎng)定位是培養(yǎng)一批具有國際一流水平的基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才,著眼于創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)性培養(yǎng)和超前發(fā)展,促進國家基礎(chǔ)科學(xué)研究水平的提升,并為其他學(xué)科的發(fā)展提供源泉和動力[7]。生命科學(xué)學(xué)院一直以來秉承內(nèi)涵發(fā)展促進質(zhì)量提升為核心，尊重高等教育發(fā)展規(guī)律和人才成長規(guī)律，為切實解決生物學(xué)人才培養(yǎng)中課程設(shè)置價值取向不明與專業(yè)技能薄弱、學(xué)生主動求知與創(chuàng)新欲望不足、以及學(xué)生人文素養(yǎng)與國際化視野欠缺的現(xiàn)實問題，從2010年開始不斷對生物學(xué)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式進行了改革創(chuàng)新[8]。對于拔尖學(xué)生來說，其實踐能力培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)為培養(yǎng)他們具備扎實的基礎(chǔ)實驗技能、濃厚的科研興趣、制勝的創(chuàng)新思維和突出的解決問題能力，為此特頂層設(shè)計了培養(yǎng)拔尖學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識與能力的生物學(xué)綜合實驗課程體系，這樣既能解決拔尖學(xué)生切實需要的必備的扎實基礎(chǔ)實驗技能，更重要的是還能讓學(xué)生盡早了解真實科研過程，盡快由知識、技能學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變進入科研狀態(tài)，多層次塑造學(xué)生們的創(chuàng)新意識與潛質(zhì)，全方位提升學(xué)生們的創(chuàng)新能力，為國內(nèi)外知名大學(xué)和科研機構(gòu)培養(yǎng)輸送高質(zhì)量的生命科學(xué)基礎(chǔ)研究的后備人才。

2 課程體系的設(shè)計

傳統(tǒng)實驗課程都是要求學(xué)生先學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識及實驗背景，然后進入實驗室動手操作，最終驗證某一個經(jīng)典實驗結(jié)論[9]。而對于拔尖學(xué)生這樣一個特殊群體[10-11]來說，首先這些學(xué)生都是從全校通過嚴格考核篩選后的精英分子，他們普遍知識面廣、思維活躍、學(xué)習(xí)能力強，而且能進入生物方向的學(xué)生都具備一定的生物學(xué)實驗動手能力(具有高中參加過生物奧賽等經(jīng)歷)。既要有寬厚的基礎(chǔ)，同時必須強化培養(yǎng)學(xué)生的探究和解決科研問題的終極能力(即“科研實踐能力[12]”)，這是對于拔尖學(xué)生實驗課程提出的更高要求。基于此中心團隊以生物學(xué)實驗技術(shù)與方法為主線,整合已有的實驗課程模塊，重構(gòu)了一套全新的針對拔尖學(xué)生的由“生物綜合實驗I～IV”4個模塊組成的實驗課程體系，具體的課程內(nèi)容詳見表1～4。生物綜合實驗I側(cè)重于動物學(xué)與植物學(xué)實驗內(nèi)容，主要為剛進入實驗班的大一學(xué)生進行生物實驗課程的導(dǎo)入及相關(guān)宏觀生物學(xué)知識與技能體系鋪墊，主要包含植物和動物學(xué)相關(guān)的結(jié)構(gòu)及形態(tài)觀察，同時通過新增模式物種“雞胚發(fā)育和擬南芥培養(yǎng)”實驗內(nèi)容，向?qū)W生們滲透模式物種及其個體發(fā)育的知識，以及如何操作的基本實驗技能，激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)實驗課程的興趣。生物綜合實驗II是培養(yǎng)學(xué)生必須要掌握的最基本生物學(xué)技能，以微生物學(xué)實驗基本實驗操作和遺傳學(xué)經(jīng)典實驗為主線，① 訓(xùn)練學(xué)生最基本的生物學(xué)實驗技能(比如無菌操作的概念);② 通過遺傳學(xué)實驗項目的訓(xùn)練進一步了解生物作為一門實驗學(xué)科是如何通過具體的操作及分析一步一步揭示真相的(比如孟德爾遺傳定律的發(fā)現(xiàn)等)。生物綜合實驗III是綜合實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)，全面整合生物化學(xué)與分子生物學(xué)的相關(guān)實驗方法，設(shè)計了一套完整的從分子克隆開始到最終得到純化產(chǎn)物并制備該蛋白的多克隆抗體的綜合實驗項目，要求學(xué)生在該課中嚴格注意前后銜接，實施步驟和分析問題必須全面考慮各個環(huán)節(jié)方能得到良好的實驗效果，通過這樣的訓(xùn)練以期培養(yǎng)學(xué)生掌控生物學(xué)大型綜合實驗的能力。生物綜合實驗IV涉及細胞生物學(xué)、生物技術(shù)和植物生理學(xué)研究技術(shù)和方法，圍繞兩個科研問題“抗腫瘤藥物對細胞增殖凋亡的影響”和“如何探究缺素培養(yǎng)植物的生理生化變化”來設(shè)計實驗內(nèi)容，學(xué)生需要學(xué)會利用多種實驗技術(shù)手段，從不同角度、尋找不同證據(jù)來完整回答每一個科研問題，以培養(yǎng)學(xué)生探究能力及解決問題的能力，這部分實驗設(shè)計可參考文獻[5]。

表1 生物學(xué)綜合實驗課程體系-模塊I

表2 生物學(xué)綜合實驗課程體系-模塊II

表3 生物學(xué)綜合實驗課程體系-模塊III

表4 生物學(xué)綜合實驗課程體系-模塊IV

3 課程實施及其效果評價

3.1 方案實施概況

本生物實驗課程體系實施自2011年秋季學(xué)期開始至2016年秋季結(jié)束，共涵蓋2010～2016級勵耘理科實驗班共計117人，課程體系運行合計28080人時數(shù)。所有實驗課程采用小班化精英式授課，實驗課班級規(guī)模10～25人。實驗課程團隊成員共7人，全部為優(yōu)選青年骨干教師。

3.2 問卷調(diào)查分析

采取了問卷調(diào)查和畢業(yè)后跟蹤訪問的形式，關(guān)注拔尖學(xué)生在校期間及畢業(yè)后的學(xué)術(shù)方向、科研成果信息，基于此對實驗課程實施后的效果進行判斷。

問卷調(diào)查采用網(wǎng)絡(luò)在線方式，調(diào)查對象涉及2010～2013級所有勵耘班生物方向的畢業(yè)生70名，回收合格問卷42份。調(diào)查內(nèi)容主要圍繞實驗課程方案合理性打分(滿分10分)、師資配備得分(滿分10分)、實驗室硬件狀況得分(滿分10分)等，另外也同時統(tǒng)計了學(xué)生基本信息、畢業(yè)后學(xué)習(xí)研究方向、發(fā)表學(xué)術(shù)論文狀況、獲獎信息、國內(nèi)外會議交流等信息。

調(diào)查結(jié)果截至2017年6月，實驗課程設(shè)置方面的統(tǒng)計結(jié)果見圖1，超過90%的學(xué)生認可師資配備及實驗室硬件實施，超過75%的學(xué)生對于拔尖學(xué)生實驗課程設(shè)計方案比較認同，但是也看出在實驗課程方案的設(shè)計上還存在可提升的空間。拔尖學(xué)生的對外交流方面，根據(jù)調(diào)查，大部分學(xué)生都有國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議交流的經(jīng)歷，包括口頭或海報形式。已畢業(yè)學(xué)生的去向方面，截止2017年6月，勵耘生物方向拔尖班一共畢業(yè)70人，其中64%畢業(yè)學(xué)生直接進入國內(nèi)高水平大學(xué)和科研院所攻讀博士學(xué)位，30%畢業(yè)學(xué)生直接進入世界一流大學(xué)攻讀博士學(xué)位。同時，在科研成果方面也表現(xiàn)突出，勵耘學(xué)生在本科期間自主申請各類科研創(chuàng)新實驗項目46項(111人次)，其中國家級項目11項和北京市級7項。學(xué)生本科在讀期間發(fā)表科研論文8篇(其中SCI論文4篇，國內(nèi)核心4篇)，學(xué)生畢業(yè)后已發(fā)表SCI論文6篇。這些成果進一步驗證了實驗課程培養(yǎng)體系的成效，且與國內(nèi)兄弟院校的相關(guān)評價結(jié)果接近[13]。

3.3 案例

2013級的張舒策同學(xué)，2013年10月入選生物學(xué)勵耘理科實驗班，是典型的厚基礎(chǔ)強能力學(xué)生范例，憑借個人在生物學(xué)綜合實驗課程中學(xué)習(xí)到的各類實驗技能及扎實的數(shù)理課程基礎(chǔ)，在生命科學(xué)領(lǐng)域的各個分支都有涉獵。曾以優(yōu)秀成績完成了生物學(xué)綜合實驗4個模塊的學(xué)習(xí)，以此同時2014年8月起開始在生命科學(xué)學(xué)院王友軍教授實驗室接受科研訓(xùn)練，綜合運用鈣成像、FRET、共聚焦顯微術(shù)、高內(nèi)涵成像、流式細胞術(shù)、定量PCR、分子對接等技術(shù)進行鈣池操縱鈣內(nèi)流(store-operated calcium entry, SOCE)的研究，主要從事調(diào)控SOCE藥理學(xué)工具的開發(fā)和篩選工作，建立了一系列技術(shù)體系。2016年5～8月于加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)藥學(xué)系進行科研實習(xí)，師從助理教授Dr. Tara Klassen進行磷酸化蛋白組學(xué)分析研究工作。除了實驗技術(shù)之外，在實驗室工作的經(jīng)歷也訓(xùn)練他獨立分析與解決問題，以及如何批判地思考。由他策劃開創(chuàng)的生物勵耘班文獻俱樂部(Journal Club)和勵耘班本科生學(xué)術(shù)年會目前已成為了我院勵耘學(xué)生的品牌活動。2017年8月張舒策獲得全額獎學(xué)金繼續(xù)在加拿大阿爾伯特大學(xué)化學(xué)系攻讀博士學(xué)位。

圖1 問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果

4 不足與展望

人才培養(yǎng)是高校教育工作的核心，而因材施教是高等教育工作的重要原則[14]。北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在設(shè)計針對拔尖學(xué)生的生物學(xué)實驗課程培養(yǎng)方案時緊緊遵循上述兩個基本原則，通過整合現(xiàn)有實驗課程資源，并在實驗內(nèi)容上進行改革創(chuàng)新，構(gòu)建了相對完整的一套包含經(jīng)典的宏觀生物學(xué)實驗技能訓(xùn)練、基礎(chǔ)實驗技能訓(xùn)練、生物學(xué)綜合實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)和探究及解決科研問題能力培養(yǎng)的實驗課程體系。該實驗課程體系突出了對于拔尖學(xué)生創(chuàng)新思維和解決科研問題能力的培養(yǎng)訴求，采用精英化小班授課模式。經(jīng)過5年的運行狀況表明，該實驗課程體系對于拔尖學(xué)生在生物學(xué)實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)方面效果明顯，具有一定的示范作用，同時也希望得到國內(nèi)同行給我們的反饋和建議。

但是，需要清醒地認識到，目前該方案還存在一些問題。其中一個問題在于實驗課時較多(4個模塊加起來一共240學(xué)時)，在2017新的教學(xué)體系方案中無法保證全部實施。如何精選，去粗取精是下一步需要重點解決的問題。另外，拔尖學(xué)生的成長規(guī)律不同于普通班學(xué)生[11]，這對于基礎(chǔ)性實驗教學(xué)模式提出了巨大的挑戰(zhàn)[15]。比如在綜合實驗?zāi)KIII和IV在實施期間，基本上所有的學(xué)生已經(jīng)進入導(dǎo)師的科研實驗室，對于教學(xué)實驗的開展他們有更高的訴求。比如他們對教學(xué)實驗課程興趣不大，很多情況下相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)在導(dǎo)師的實驗室經(jīng)歷過。他們對于教學(xué)實驗的要求發(fā)生了轉(zhuǎn)變，不僅僅是學(xué)習(xí)一項實驗技術(shù)而是要從實驗課程中得到他們在科研實驗室學(xué)不到的能力。當(dāng)前的高等教育過程中,培養(yǎng)和提升生物學(xué)類本科生的科研水平也是決定生物學(xué)類本科生的教育質(zhì)量好壞的重要依據(jù)之一[16]。上述幾點是在后期實驗課設(shè)置中重點考慮的改革方向。

5 結(jié) 語

我校勵耘班生物學(xué)綜合實驗課程培養(yǎng)方案經(jīng)過5屆學(xué)生的實施取得良好教學(xué)效果。這種針對拔尖人才的實驗課程體系模式是否可以適合推廣應(yīng)用于未來普通學(xué)生的實驗教學(xué)，將是下一步值得研究探索的課題。