基于培养本科生“先思后行”实验思维的实验课程教学改革——以“分子生物学”实验课程为例

孟 冬 董碧莹 曹红燕 杨 清

（北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心，北京 100083）

生命科学是研究生命活动及其规律的科学，分子生物学是生命科学的重要组成部分，包含分子生物学实验技术和基因工程理论知识，具有操作性强、理论与实验结合紧密、实验技术较为复杂精细、实验费用投入较高等特点。该学科新的进展和突破较为依赖新技术的发展和应用，而“分子生物学”实验课程对于分子生物学学科来说至关重要。在大部分情况下，“分子生物学”实验课程是高等院校相关专业的必修课程，该课程的教学目的如下。

第一，本科生通过“分子生物学”实验课程的学习，掌握分子生物学这一领域基本的实验技术和操作手段，并能独立完成大部分基础实验，为本科生日后从事相关专业工作打下良好基础。

第二，“分子生物学”课程的开设有利于本科生将分子生物学理论知识具体化、形象化。本科生通过该课程实验对理论知识进行检验和证明，促进本科生将理论知识“自我化”，从而达到对知识真正的理解和掌握。

第三，“分子生物学”课程的开设有助于培养本科生的综合科研素养、创新能力以及研究性学习思维，有利于本科生体会“发现问题－查阅资料－做出假设－大胆探索－得出结论－验证假设”这一思路的历程，从而促进本科生积极的自主思考［1］。

目前，“分子生物学”实验课程中存在机械式操作，导致本科生只知道跟着教师进行流程化的实验操作，缺少主动思考的意识。本科教育的核心是培养具有科学精神和自主创新能力的高层次人才，培养本科生创新思维和科学研究能力的基础是培养其自主思考的能力，所以笔者提出要培养本科生“先思后行”的实验思维的改革建议。所谓“先思后行”是指在实验课程教学中，学生对于实验内容要先有自己的思考，然后再开展具体的实验操作。

一、“分子生物学”实验课程教学面临的问题

（一）教学模式存在局限

目前，“分子生物学”实验课程的教学模式是预先确定该次课程的实验内容，然后教师采用PPT课件将实验目的、实验步骤以及注意事项等一一列举，本科生根据教师预先准备好的材料和试剂按照步骤进行实验操作。这种模式的教学具有一定的优势，如操作步骤清晰、实验结果明确、课堂秩序良好和课堂进展稳定等。但缺点是教师和本科生的互动较少、课堂以教师的教为中心、课程教学模式与其他课程基本一致。在传统课程教学中，大部分本科生只会跟随教师的思维模式来学习，并不会进行自主思考。本科生只是为了完成该次课程内容而实验，导致他们大多数缺乏主观能动性，并且很容易形成依赖性思维［3］，长此以往不利于本科生的自主思考能力的提升。

（二）教学内容单一

传统观念认为一门学科的实验课程应该依附于理论课程，认为两者应该保持一致，实验课程的存在仅仅在于验证理论课程的知识点。随着现代社会分子生物学这一学科的飞速发展，传统的教学理念已明显不能适应目前的实验课程需求。“分子生物学”实验课程的存在，不仅仅为了证明“分子生物学”理论课程的观点，更重要的是为了使本科生掌握相关实验技术的手段，培养本科生自主思考的科研思维能力，为社会输送可用的复合型人才。目前，社会各个领域都需要复合型人才，单一的知识体系培养的学生已不能满足社会的需求［4］。因此，如何设置“分子生物学”实验课程内容，不仅仅是单一的分子生物学学科的问题，更应该是与其他学科交叉融合的问题。

（三）实验设备与学科最前沿发展的要求不匹配

俗话说磨刀不误砍柴工，实验室建设的加强和分子生物学先进实验设施的配备对于“分子生物学”实验课程至关重要。如果本科生使用落后的仪器设备，那么“分子生物学”实验课程的设置带给学生的影响将与开设该课程的初衷背道而驰［2］。由于分子生物学技术种类繁多，某些实验仪器和材料十分昂贵，同时该领域技术手段的发展速度十分迅猛，使得实验设备的更新速度远远不能与之相适应，导致“分子生物学”实验课程内容的更新无所依托，使本科生对于该课程的学习热情降低，不利于本科生对实验内容的思考和掌握。例如，关于“Western Blot”实验的最后显影部分内容，传统的实验方法需要在暗室中进行操作，该方法成功率较低、技术要求较高、时间久，同时由于操作环境昏暗不利于教师开展教学活动，但如果有一台全能型凝胶成像仪，本科生将膜放入实验仪器内，并在该仪器的面板上设定曝光时间等参数，该仪器就可以自动成像。自从北京林业大学引入该仪器后，本科生对这种先进仪器的操作兴趣增强，学习积极性显著提高。

二、“分子生物学”实验课程教学改革的建议

鉴于当前“分子生物学”实验课程设置中存在的相关问题，实验课程组以培养学生“先思后行”的实验思维为原则，有针对性地提出了3点教学改革建议，见图1。

图1 “分子生物学”实验课程教学改革的思路

（一）以本科生为课堂主导组织教学

在“分子生物学”实验课程教学过程中，面对教学模式带来的局限性，该实验课程组摒弃教师作为课程主导的传统教学模式，采用以学生为课程主导的教学模式，引导本科生“先思后行”地进行实验操作，具体实施步骤如下。

首先，教师通过结合分子生物学技术前沿理论知识和文献报道，让每一名本科生都融入分子生物学的科学中，并慢慢地引导本科生发现自己感兴趣的内容以及当前存在的一些问题。

其次，将本科生分组进行文献查阅，并讨论实验的思路，同时进行资料的整理和实验的初步设计，制作成PPT在课堂上展示。

然后，教师将所有本科生的实验设计进行整合和修改，确定相对完善的实验设计方案。

最后，教师带领本科生按照实验设计方案进行实验验证，得到最终的实验结果。

在该模式下，本科生是教学的主体，教师将其引入到某个分子生物学的科研背景环境中，以适当的实验目标、实验材料为基础，引导其自主思考和准备，最终完成相关的分子生物学实验。这个实验不单单是简单的完成，是本科生在充分的思考与严格的实验操作之后完成的，整个实验过程充分体现了本科生的思考以及发现、解决问题的思路，推动了本科生保持“先思后行”的学习状态，培养了本科生“发现问题－查阅资料－做出假设－大胆探索－得出结论－验证假设”这一整套的思维。这样的实验课程，培养了本科生的科学素养，充分发挥了本科生的主观能动性，可以让本科生充分了解每一个小的实验操作在整体实验中的作用，做到“知其然”还“知其所以然”。同时，前面实验设计的严谨性和周密性会直接影响到后续实验结果的顺利与否，大大增强了本科生对实验设计的重视程度和责任感，小组合作的方式使本科生在实验过程中互帮互助、相互监督，培养了他们团队协作的科研精神和科研思维，为将来从事相关科研工作打下良好基础。这种教学模式，为“先思后行”能力的培养提供了实施方式。

（二）增加学科交叉的综合性实验内容

生物学科发展迅速，要解决某一问题必然涉及多方面的原因，因此未来的分子生物学研究必然也会不断与相关学科进行交叉与融合。目前的“分子生物学”实验课程内容，一般一节课只讲授某个单独的实验操作。虽然能够较为细致地对本科生讲授该内容，但是内容没有连贯性，使本科生掌握的知识较为片面和松散、缺乏系统性和完整性，对本科生综合素质培养极为不利［6］。

面对这种情况，“分子生物学”实验课程开设了学科交叉的综合性试验，极大地提高了本科生的创新性研究思维能力。同时，与单一学科实验相比，虽然学科交叉试验具有一定的设计和操作难度，对于本科生的知识储备与思考和操作能力都提出了更高的要求，但也正是如此，更加能够锻炼本科生对于所学知识的实际应用和操控能力，培养了本科生勤于思考、独立创新的综合技能。例如，“基因的亚细胞定位分析”实验，将转基因载体的构建、转化、鉴定以及激光共聚焦显微镜的使用等多种分子生物学的基础实验内容联系起来，促进了本科生将多个知识点融会贯通；“测定已知基因的功能作用和结构信息”实验，将分子生物学的核酸和蛋白2个方向相结合，培养了本科生多个方向思考问题的能力；“转基因拟南芥的黄酮含量测定”实验，含有分子生物学和生物化学2个学科领域的实验内容，将2个学科进行联合，启发了本科生多个角度思考问题。在“分子生物学”课程综合性实验中，本科生系统性地学习多个知识点，这些知识点可以串成一个完整的实验思路。同时，每个实验项目既相对独立，又环环相扣，使得整个实验课程成为一个有机的整体，大大提高了实验的综合性，使本科生对分子生物学综合研究思路有了一个初步的了解。这类学科交叉的综合性实验，培养了本科生的科研创新思维以及综合分析问题的逻辑思维能力，能为社会培养出创新性复合型人才。

（三）合理配置及更新实验室相关设备

实验室是完成实验教学的重要媒介，它在实践教学中具有重要作用［5］。先进的实验设备以及配套教学设施的合理配置，能够增加本科生对于“分子生物学”实验课程的学习和研究热情，使本科生能够接触到目前分子生物学领域发展的前沿动态和最新研究成果，激发本科生的创新思维和对于未知事物的探索欲望。同时，较为先进的分子生物学研究和教学设备能够有效缩短相关实验时间、简化实验步骤、提高实验效率，使本科生有更多的时间去思考实验本身的设计和研究思路，体会最新的实验室研究状态，为“先思后行”思维的培养提供了重要的基础保障。但目前实验设备更新速度较为缓慢，因此为解决这一问题，“分子生物学”实验课程组提出以下3点建议。

第一，在实验室建设中加大经费投入，增加实验场地的实验条件。

第二，各学院之间进行资源共享，使学校内各个学院的仪器设备都可以互相通用，比如北京林业大学各学院的大型仪器均登记在大型仪器开放共享平台，各个学院均可预约使用。

第三，实验课程的学习申请扩大至全校范围，将各个学院实验课程的申请权限开放至全校，这样不仅避免不同学院相同学科课程的重复开设，而且有利于全校资源的互享。

三、“分子生物学”实验课程教学改革的预期效果

分子生物学实验技术是生物学各分支学科科学研究必备的手段，本科生在入学后学习“分子生物学”实验课程，熟练掌握基本的分子生物学操作技术，这是生物学本科生快速进入科研氛围与适应本专业学习节奏的基本保证。实践是检验真理的唯一标准，改变实验教学模式、更新实验课程的内容和加大实验设备的投入和引进，不仅能培养本科生“先思后行”的实验思维，还能提高本科生主观能动性、培养科学思维能力、增强求知欲。

（一）以学生为课堂主导组织教学，培养本科生自主学习能力

在目前“分子生物学”实验课程的教学模式下，本科生大部分都是在被动接受教师讲授的知识，很少有自己深入的思考，致使其自主学习能力较差。而采用本科生为课堂主导的教学模式，学生必须查阅相关文献，对本小组的实验课题进行背景知识的了解以及最新研究进展的掌握，否则他们无法开展下一步的实验设计工作。因此，该教学模式推动学生不由自主地对实验的目的、内容、操作等进行思考，从而激发他们的自主学习动力，提高自主学习能力。

（二）增加交叉学科的综合性实验内容，培养本科生科学思维能力

传统“分子生物学”实验课程内容具有一定的局限性和单一性，往往只专注于教会学生某种实验技术，而对本科生的思维能力锻炼不足。增加交叉学科的综合性实验内容，可以促使本科生对某一实验技术的运用方向有更加宽泛的了解，对不同实验之间的前后衔接逻辑关系有更加深刻的认识，对不同学科研究领域的交叉地带的知识有更加广泛的认知，培养了本科生科学思维的能力。

（三）合理配置及更新实验室相关仪器设备，增强本科生的求知欲

随着信息时代的高速发展，人们之间的交流更加密切，人与世界的沟通更加常态化，每一届本科生对自己学科的最新研究成果、先进仪器设备和常规实验内容等都比往届具有更充分的认知。教师使用陈旧的设备和实验试剂，虽然也能让本科生掌握必备的实验技能，但很难点燃他们的学习兴趣和求知欲。因此，笔者认为合理配置、更新实验室相关仪器设备，让本科生不再“仰视”一些自己听说过的贵重仪器设备，而是自己真正的动手操作，这将大大激发本科生的学习热情，增强本科生的求知欲。

总之，只要教师紧跟时代的步伐，持之以恒地不懈努力，使教学方式适应时代的发展以及本科生的迫切需求，就能为社会培养出真正有用的应用型科技人才。