基于拔尖人才培养的基础实验课研讨式教学探索与实践

赵玉红, 赵立青, 李 欣, 李小菊, 石建党,周 浩, 李登文, 张 钧, 张翠竹

(南开大学 生物国家级实验教学示范中心，天津 300071)

0 引 言

“高层次人才是一个国家人才队伍的核心，对整个人才队伍建设具有重要的导向作用，其数量和质量决定着一个国家在国际竞争中的地位。”[1]为培养基础学科的领军人物，教育部于2009年开始启动“基础学科拔尖学生培养试验计划”，我校生命科学学院“伯苓班”入选第一批生物学科人才培养试点班[2-3]。近年来，许多高校积极鼓励低年级本科生进入科研实验室，尽早感受科研魅力，为创新奠定基础[4-5]。生物学是一门实验性很强的学科，我院也要求伯苓班学生自大二开始，进入科研实验室，开展科研训练[6]。但在具体实施过程中，却遇到许多问题，导致实施效果不是很理想。为解决这一问题，在生物化学基础实验教学中引入研讨式教学。

研讨式教学是一种以学生的认知水平为基础，以问题为中心，展开讨论的交互式教学路径，具有探究性、互动性、自主性和灵活性特点，是国内外教育界普遍推崇的一种教学方式[7-9]。但其应用大多局限于理论课或是更高级别的科学研究，在基础实验教学中的应用甚少。而基础实验大多为传统的、经典实验，教学体系相对系统、完整，由于设计合理、训练功能明显，在本科实验教学中担当着极其重要的角色[10]，不可或缺。在基础实验教学中，如何实现为学生提供系统性学科知识学习和基本实验技能训练的的基础上，给学生提供较多的自主学习、自主创造和思考研究的空间[11]，培养学生科研能力和创新意识，为他们进入科研实验室自主开展实验奠定坚实的基础，课程组尝试将国内外普遍推崇的研讨式教学应用于生物伯苓班的生物化学教学。

1 生物化学实验研讨式教学的基本思路

实践证明，本科生参与科学研究对于提高综合素质、培养创新精神与实践能力具有十分重要的作用，是培养创新型人才的有效途径之一[12]。学院为提高伯苓班学生的科研能力，激发创新意识，要求他们自大二上学期开始，根据自身兴趣，自主选择导师和科研实验室，进行科研训练。但在具体实践过程中，由于学生刚接触专业课的学习，理论知识和基本技能都相对薄弱，导致：①鉴于科研课题的连续性和时效性，为不影响科研进度，伯苓班学生很难真正参与其中，发挥作用；②鉴于许多生物实验所用试剂等费用价格相对昂贵，限制了伯苓班学生自主探究的机会。因此，若想伯苓班学生的科研训练取得理想效果，需要学生具备一定的理论知识、实验技能及一定的科研能力。

生物伯苓班在大二年级上半学期开始接触专业课的学习，生物化学实验是学生所接触到的第一门专业必修基础实验课。作为生物学实验类专业课程的先导课，生物化学技术和方法是学生从事其他生命科学研究的重要基础。如何在这样一门重要的先导课中培养学生的科研能力，课程组在伯苓班的生物化学实验教学中引入研讨式教学。基础实验实现对学生进行基础知识传授和基本技能训练，是研讨式教学得以开展的前提和基础；研讨式教学实现对学生进行科研能力培养，是在基础实验上的一种拓展和提升。两者既相互独立，又互为补充，相得益彰。借助于教学与科研的深度融合，实现在基础实验中培养学生的科研能力。

2 生物化学实验研讨式教学可行性分析

研讨式教学能否顺利开展，对老师和学生都有着很高的要求。

(1)学生因素。①伯苓班学生能力强，大二年级伯苓班虽刚开始接触专业课的学习，但学科兴趣浓厚，从事科研的初始欲望相对强烈，主动学习能力强，愿意去做一些更具挑战性的实验；出现问题，愿意主动思考，自主解决问题的意愿强烈。学生能够参与实验多、主导实验多，适于研讨式教学的开展；②伯苓班小班授课，每年生物伯苓班的学生人数控制在25人左右，班级规模适中，适于研讨式教学的开展。

(2)教师因素。由教学能力优秀的任课教师、科研能力强的学院各科研实验室老师、实验室工作经验丰富的实验技术人员，分担学生实验指导工作和事务性工作，能够充分保障学生自主开展实验的顺利开展，保障研讨式教学的实施效果。

除了上述学生和老师因素，实验课自身的特点也适于研讨式教学的开展。创新始于问题，源于实践。没有实践，就提不出问题，更谈不上创新[13]。具有一定探究性质的实验，在具体实施过程中，必然会出现各种问题，对于这些问题，很容易展开讨论，而对问题的深入探讨是研讨课的精髓之所在[14]。综上所述，加之完善的计划和实施方案，基础实验课开展研讨式教学切实可行。

3 生物化学实验研讨式教学的实施

研讨被看作大学教育教学过程中的精髓，好的研讨并不是自然而然的发生，需要经过教师精心的准备，才能增强研讨的意义。为此，将研讨式教学实施过程分4步走，具体如下：

3.1 开课初布置研讨课要求

3.1.1 选题

鉴于大二年级伯苓班学生的专业知识程度不高以及课时限制，因此合适的研讨题目是保障研讨式教学实施效果的关键。与理论课的研讨式教学不同，实验课的研讨式教学，是以“研究课题”的形式来做为研讨题目，课题总体框架要求是“生物化学技术在生命科学研究中的应用”，要求学生综合运用生物化学基础实验中所学的技术与方法研究或解决某一问题，时间总计约12周。

课程组将选题原则定为：①体现学科发展前沿。开阔学生视野，吸引学生参与生命科学研究的兴趣；②难度适宜，兼具广度和深度。课题作为课堂内容的延伸，太容易，不具挑战性，对学生吸引力不大；太难，超过学生的能力范围，比较容易挫伤学生从事生命科学研究的积极性；③综合性强。能综合运用多种实验技术方法和手段解决问题；④具有探究性。实验结果是未知的，需经实践探究才能得出答案。

经深入研究发现，科研项目部分内容转化为研讨式教学的项目课题，符合上述选题原则，且技术含金量高，因此将选题来源定位于科研实验室。选题形式有两种：①学生自选研究课题。鼓励学生自己走进科研实验室，并结合实验室研究方向，自拟项目课题，并给出具体实施方案；②由课程组提供选题，作为备选。课程组向院里科研实验室募集课题项目，向其他同学开放选修，这部分项目大多来自于硕士或是博士研究课题的一小部分，既可以起到锻炼学生研究能力的目的，又可以为科研实验解决实际问题，可谓一举两得。

3.1.2 成立研究小组

考虑到研究课题类似于一个小的科研课题，需要学生花费很多的时间和精力去查阅文献资料、撰写实验方案、项目实施，增加了学生的学习难度，实验任务相对不轻松，因此项目实施以团队的形式来开展。一来小组间成员分工合作，一定程度上减轻学生负担；二来学生间相互交流、探讨，能够相互启发、相互促进，共同提高。学生自由组合，3或4人/组，组成不同的研究小组。每个小组不设立负责人，在实验开展过程中，同学间相互探讨分工、合作具体事宜，通过团队合作，完成本组的研究课题。

3.2 实验课中期确立选题

生物化学实验课总计14周，经前期近6周时间的文献查阅、选题征询，在实验课中期，学生向老师提交选题方案，老师对方案的可行性做出评估，并反馈给学生，确立选题。由于时间充裕，学生有充分的时间进行前期准备工作，不断完善实验方案并着手准备部分实验前期工作，为后续实验的成功开展奠定很好的基础。

3.3 实验课后期完成课题研究

在实验课后期约6周的时间，此时学生已经过半个学期的生物化学基础实验训练，掌握了一定的实验理论和实验技能、掌握了一定的研究思路和方法，在此基础上，开展实验，完成课题研究。鉴于伯苓班学生刚接触生物化学实验基本技能的训练，操作技能不是很成熟，若在科研实验室开展课题研究，会给相关科研实验室带来一定的困扰。因此，项目虽是科研实验室的项目，尽量利用本科教学实验室资源开展、完成实验。实验室24 h开放，学生可按照自己小组的进度，自由安排实验时间。

3.4 研讨课PPT展示

实验课最后一次课结束后，安排一次研讨课，学生对实验成果进行PPT展示。鼓励各小组成员齐参与，以团队形式，完成结果汇报。PPT展示和提问、探讨、交流的主动权全部交由学生，指导教师只在争论难度很大的问题上给予适当提示和引导。

4 案例分析

本学期伯苓班学生的20位同学，组成4个研究小组，分别完成了4个研究课题的研讨式教学。其中学生自选课题1项，为KMS1/KMS2过表达载体构建与细胞定位及蛋白检验；选修课程组提供的选题3项，分别为MAS-M2蛋白最佳诱导表达条件的确定及其纯化、MAS-M4蛋白最佳诱导表达条件的确定及其纯化、Q5-Terminase蛋白纯化及其最佳酶切条件的确定。学生积极参与各项目研究，除最后一项，其余三项均取得了圆满实验结果。

4.1 自选研究课题

KMS1/KMS2过表达载体构建与细胞定位及蛋白检验研究小组，自己查阅文献资料，提出实验设计方案[见图1(a)]。为了满足学生的学术追求，即使该项研究课题困难重重，包括前期需要构建合适的表达载体，其中涉及引物设计工作，对于没有分子生物学基础的大二年级学生来讲，引物设计难度相对较大，但是考虑到学生的探究积极性，实验方案理论上可行，给予立项。学生最终通过查阅文献资料以及在老师、研究生的指导下，充分发挥自身创新潜能，相对自主的成功设计引物，顺利完成前期载体构建，并通过后续系列实验，成功进行蛋白表达[见图1(b)]，圆满完成研究课题。理想的实验结果使得学生非常有成就感，参与科研的兴趣更加浓厚，从事科学研究的积极性、主动性、自主性较之以往也有了很大的提高，纷纷主动走进实验室，从事自己感兴趣的研究工作。

(a)实验方案

(b)蛋白表达

图1 KMSN小组研究课题的实验设计方案及结果(来自学生PPT)

4.2 备选研究课题

MAS-M2蛋白最佳诱导表达条件的确定及其纯化、MAS-M4蛋白最佳诱导表达条件的确定及其纯化、Q5-Terminase蛋白纯化及其最佳酶切条件的确定3个选修研究课题均来自于科研实验室。以MAS-M2蛋白最佳诱导表达条件的确定及其纯化为例，学生通过查阅文献资料、与科研实验室的老师相互探讨，最终确定实验方案[见图2(a)]。该项研究课题不需要学生构建含目的蛋白的表达载体，由科研实验室提供，主要实验内容包括蛋白诱导表达和蛋白纯化两大部分。此时学生已经在生化理论课上学过蛋白质、核酸等基础知识，实验课上学习了SDS-PAGE电泳、超微量分光光度检测、凝胶过滤层析、离心等多项实验技能，在此基础上进行该课题的探究性研究，对学生既充满挑战，又不超过学识范围。后经学生不断地实验探索，获得了得率和纯度都相对较高的目的蛋白[见图2(b)]，为科研实验室提供了可靠的事实依据。该项目充分体现了教学与科研的双赢，一方面科研为教学提供含金量高的科研课题，助力学生科研能力培养；另一方面教学为科研解决实际问题，助力科研不断前行。

(a)实验方案

(b)目的蛋白

5 研讨式教学效果

基于拔尖人才科研能力培养的基础实验研讨式教学模式，已在2017年的2016级伯苓班生物化学实验教学中试运行过一个学期。该班总计25名同学，有20名同学组成4个研究小组，完成了4个研究课题的研讨式教学，取得了非常好的教学效果。

(1)提高学生科研兴趣。教学实践表明，研讨式教学的引入，大大激发了学生的科研兴趣和热情，学生参与科学研究的积极性、主动性也更高，这应该得益于来自于科研、含金量高的研究课题。体现在：①研究课题富有挑战性。由于研究课题具有一定的探究性，实验结果未知，对于不愿意循规蹈矩的伯苓班学生来讲，充满一定的挑战。值得欣慰的是，面对实验中出现的种种困难，同学们并没有表现出畏难情绪，而是积极想办法解决。尤其是KMS1/KMS2小组，在前期载体构建过程中，屡遭失败。后经反复文献资料查阅、向他人请教，甚至夜里熬到凌晨2点，功夫不负有心人，终于成功构建载体，为后期的蛋白成功表达奠定基础。理想的实验结果也使得学生非常有成就感，参与科研的兴趣更加浓厚；②研究课题具有实用性。由于涉及到为科研实验室解决实际问题，参与相关课题研究的同学对实验非常严谨、认真。譬如针对取得的阶段性成果，有小组提议举办一个小型seminar，对实验结果及时地进行分析与总结。由相关科研实验室的教授或是研究生共同参加，负责答疑、解惑。在MAS-M2小组举办的小型seminar上，MAS-M4小组的多数成员进行了旁听，并积极参与了探讨，为两个小组后续实验的顺利开展奠定基础，最终这两个小组获得了得率高、质量高的目的蛋白。能够为科研实验助力，让参与的同学同样非常有成就感，参与科研的兴趣更加浓厚，目前许多学生已积极参与到一些全国大学生创新创业竞赛中。

(2)增强学生科研能力，激发创新潜能。①研讨式教学中的研究课题，由于没有指定的教材、没有指定的实验流程，要求学生自主查阅相关文献资料、设计出实验方案，培养学生的独立研究能力；②在科研实践中，难免会遇到各种各样的问题，学生在不断解决问题的过程中，提高独立思考问题和应用已学知识或技能解决实际问题的能力，为未来的研究和发展打下坚实的基础[15]；③课后的成果展示，学生可以学习到其他研究小组的实验设计思路、方法以及实验中涉及的前沿技术等，开阔视野。更重要的是，学生间、师生间的问答与探讨，有利于促进学生深度思考，养成批判性思维习惯。譬如研讨课上学生提出的问题有：IPTG诱导目的蛋白表达后，起初加热处理菌体沉淀时，发现煮沸后的溶液太过黏稠，是什么原因导致的？怎么解决这一问题？蛋白纯化时，为什么要先使用镍柱？可否将几种不同的层析技术顺利打乱？蛋白纯化时，为什么要对收集的蛋白样品进行浓缩处理？一个个精彩的提问，撞击出创新的火花。

(3)培养学生综合能力。①团队合作精神。许多创新成果往往需要团队合作才能产生，因而也不可忽视学生团队合作意识、沟通能力以及组织能力的锻炼与培养。在研讨式教学中，学生以团队的形式来完成一个相对独立的研究课题，而整个实验过程学生会遇到很多各种各样的问题，在共同面对问题、解决问题以及最终以团队力量完成实验、展示成果的过程中，许多“心气高”的伯苓班同学对团队合作精神有了新的认识；②学术交流能力。成果展示环节，学生通过清晰、科学的描述问题，准确表达观点，初步掌握学术交流能力。尤其在提问环节，学生的推理、应变、思辨能力得到了很好的锻炼。

6 结 语

参与伯苓班研讨式学习的学生，对该教学模式都给予了很高的评价，其中一位同学在自己的实验总结与收获里写到：“通过一系列的实验，巩固了课堂上所学习的实验操作技术，学习了蛋白纯化系统的使用操作，了解了诱导蛋白表达和蛋白纯化的基本实验流程和实验思路，学习如何解决在实际实验中遇到问题的解决办法。体验了共同完成一个科研课题的团队合作任务，学会团队合作中合理分工、协同合作以及对自己应该完成部分的负责和对同伴的信任。建议继续保持。”由于本文提出的研讨式教学赋予了学生更开放的思考空间以及更充分的思考时间，经过历练，学生科研能力有了很大的提高，大多能够进入科研室，相对自主的开展科学研究。目前已是大二年级下半学期的他们，纷纷摩拳擦掌，积极与感兴趣的科研实验室联系，开展国家级大学生创新训练计划、本科生创新科研“百项工程”等更高层次的研究工作。