世界一流大学生物技术综合实验课程教学特色与启示——以宾夕法尼亚大学为例

孙泽阳， 黄 辉， 闫春财

（天津师范大学生命科学学院天津市生物学实验教学示范中心，天津 300387）

0 引 言

美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania，以下简称宾大）是位于美国宾夕法尼亚州费城（Philadelphia）的一所北美顶尖私立研究型大学，在2020 年，U. S. News 发布的世界大学排名中位列16［1）、2）］。该校拥有丰富的教育与科学研究资源，其文理学院、工程与应用科学学院和佩雷尔曼医学院均开设生物学、医学相关专业的理论与实验课程。作为世界一流大学，该校在课程设置、实施、方案等方面已经建立了较为完善的教学体系，侧重于以创新力主导学习力，可为我国高校实验课程的开展提供一些参考和借鉴。

1 宾夕法尼亚大学生物技术综合实验课程介绍

生物技术与生物化学工程实验课程（Graduate Biotechnology and Biochemical Engineering Lab Course，以下简称生物技术综合实验课程）由宾大工程与应用科学学院实施教学组织与管理，是面向生物技术和生物工程硕士研究生开设的实验课程之一，于每学年春季和秋季学期各开设一次，每周4 学时（包括理论讲解以及实验操作），持续12 周。不同于国内教学体系，美国大学课程多以小班制（20 ～30 人次/班）模式开设，允许学生跨年级或跨专业进行选课，这也就意味着参加该实验课程的学生是一个混合群体。

生物技术综合实验课程在1 名专任教师和1 名实验技术老师的共同指导下，搭配两名生物学相关专业博士研究生作为教学助理（助教，Teaching Assistants，TAs）共同完成。教师于上课前1 周向学生下发电子版学习材料（课件、操作步骤、相关文献等），要求学生自主进行预习。课堂中，3 名学生为1 组合作进行实验学习，专任教师会选择原理性知识点以及学生在预习过程中提出的问题进行针对性讲解，助教则协助学生使用仪器或试剂。实验课结束后，学生需独立完成相应的实验报告以及课后作业，月末上交基于4 周实验的阶段性论文，学期末小组成员基于所学实验技术，查阅相关文献完成一次课题设计，并以口头汇报和计划书的形式在最后一堂课进行展示。教师最终将依据实验记录本、实验报告、作业、论文、课题设计5 方面对学生进行合理的等级评定。

2 课程安排与教学特色

2.1 实验室安全防范更严格

学生必须穿戴好完整的个人防护装备（即实验服、手套和护目镜）才允许进入学校各实验室，裙装、凉鞋或其他露脚趾鞋是被严格禁止的。值得注意的是，我国学生近视率较高，导致国内高校对于护目镜的使用要求不高。但事实上，实验过程中正确佩戴护目镜或安全眼镜能够很好地避免因实验试剂飞溅对眼睛或面部造成的危害，例如，在制备琼脂糖凝胶时，需要将配好的粘稠溶液加热煮沸并充分旋转混匀至琼脂糖完全融化，待温度下降至60 ℃左右时，添加荧光染料（或含有致癌物溴化乙锭［1］）并灌注入制胶槽内。电泳过程中涉及高温溶液摇匀、倾倒、凝胶转移至成像仪进行图像采集等过程［2］，护目镜的使用可以最大程度地避免由于化学试剂意外喷溅造成的伤害。

2.2 实验内容的综合性和连续性更强

生物技术综合实验课程涉及的实验技术类似于我国高校开设的分子生物学和生物化学实验技术综合体，但该课程在内容设计上不仅体现了很强的综合性与连续性，而且紧密结合相关实验研究进展。例如，分光光度技术、电泳技术和DNA重组技术是常规的生物化学和分子生物学技术，但在国内高校往往作为独立的个体实验项目对学生进行培训。而在宾大，该课程第1 模块以“构建荧光素酶报告基因载体”为重点，使学生了解这项成熟的技术手段在检测转录因子与目的基因启动子区DNA相互作用中的意义，给予他们一定的科研思路。第1 次实验以pUC19 和pGEM-luc 转染的大肠杆菌DH5α化学感受态细胞为实验材料，学生首先采用分光光度法对两种菌液进行细胞计数，随后完成涂平板、单克隆菌落挑选以及扩增培养的练习。第2 次实验要求学生首先对培养的菌液进行再次计数，并从大肠杆菌细胞中提取质粒，随后学生将学习制作DNA水平电泳凝胶并利用Image J软件［3］检测所提质粒，最后利用限制性内切酶对质粒特定位点进行过夜酶切。第3 次实验要求学生对上一次实验中完成酶切的质粒进行纯化处理并连接，选用电泳进行条带检测。可见，通过这3 次实验课的学习，学生能够掌握分光光度法计算细菌数量、标准曲线的绘制、细菌培养及扩繁、质粒提取、质粒双酶切、DNA 连接、电泳等多方面生物学基本技能以及软件使用要点。在各节实验课之间，无论是技术还是实验材料都持有很强的连续性和重复性，与片段化教学相比，这种模式能够避免实验材料的浪费，并在一定程度上增强了学生对实验的兴趣和积极性，培养他们认真负责的学习态度以及掌握融会贯通的学习方法。每次实验后，学生都需要针对上一次实验结果与教师进行讨论、分析，确保所得结果在下一次实验中的可应用性，变被动为主动，极大地提升了学生对实验学习的热情以及独立思考的能力。

同时，课程在必要的实验项目中要求学生设定重复组［4］，如在计算细胞数目时，不同稀释倍数组设立3个重复，以平均值推测细胞密度。这样做不仅可以消弭误差，而且可以让参与者学会对实验结果进行比较及规律分析，进一步培养学生在科研探究过程中严谨的科学精神和素养。

2.3 综合性实验报告更规范

课程要求学生对具有连续性的独立实验项目进行整合，并阶段性地提交3 篇实验报告（见表1）。每位学生需要基于期刊论文的标准撰写实验报告，即包括摘要、引言、方法、结果与讨论、结语、参考文献及致谢几部分，图表则按照权威杂志社提供的规范要求制作（分辨率、字体、图片尺寸、排版等）（见表2）。此类综合性的实验报告能够引导研究生养成查阅文献的习惯，逐步提高学术论文写作水平，同时练习专业作图技能，为他们后期加入课题组对特定科学领域的某些现象或问题进行合理的阐述奠定基础。同时，宾大文理学院面向研究生开设学术论文写作课程（Academic Writing），大部分硕士研究生与博士研究生会选择该课程系统地学习科技论文写作，学习论文写作的基本要求、文章组织结构、写作手法、句型运用、文献格式等多个方面，最重要的是学生可以将综合性实验报告提交给写作课指导教师进行批改审阅，起到了积极的双重效应，为将来从事学术研究并独立完成学术论文写作打下基础。

表1 综合实验报告内容

表2 论文格式及要求

2.4 实验记录形式灵活

课程要求学生以实验记录册的形式记录每次的实验过程，通常包含“实验目的、材料、方法或操作步骤、结果和讨论”等部分，作为学期末核定成绩的重要参考之一。值得注意的是，老师允许学生将实验步骤以小号字体打印的形式整齐的粘贴在记录本中“方法”栏目中（见图1），如果有细微的改动标注在旁即可，并不强制学生照搬操作步骤并手抄到记录册。若采取手抄步骤的方式，不少学生会将一些繁琐的句子或表格进行自我简化甚至删除。这种形式在一定程度上减少了重复性的抄写工作，避免了机械性地罗列过程，并且能够把精准详细的实验步骤留存到记录册中，从而辅助后续重复实验的进行。课程更加强调对结果和讨论部分的记录，鼓励学生在实验过程中利用手机或成像系统实时记录实验现象，如对平板菌落进行拍照或对电泳凝胶进行扫描。后期借助生物学分析软件（SPSS，Graphpad，Image J等）对数据进行分析，无论是拍摄结果图还是软件程序生成的分析图都要求学生剪切并粘贴到报告册对应的位置，而不是只简单记录实验数据。实验记录册将作为考核评定的重要参考之一。

图1 实验记录册范例

2.5 配套课后练习题

每节实验课后，都要求学生独立完成相应的1 套练习题（post-lab assignments），作业涵盖的问题多以引导学生处理实验数据并最终得到结论而设计，要求学生给出详细的步骤来阐述其推测的过程。以“酵母蛋白提取与鉴定”一节为例，该小节实验对应的练习题目有：①基于蛋白标准品浓度和其在560 nm处的吸收值绘制标准曲线；②计算3 组不同处理的酵母裂解液总蛋白浓度（对照组；EGF（表皮细胞生长因子，epidermal growth factor）处理组；EGFR（表皮细胞生长因子受体，epidermal growth factor receptor）阻断剂处理组）；③分析3 组蛋白浓度相同或不同的原因；④借助Image J绘制蛋白marker log10（分子大小）与迁移距离之间关系的标准曲线；⑤根据酵母乙醇脱氢酶分子量大小，推测其在电泳图上对应的条带。

这样的课后练习题在一定程度上减少了学生“不知所措、知其然而不知其所以然”的现象，增强了学生对原理的理解。递进式的问题能够引导学生关注细节，减少对数据处理的畏难情绪，在点滴中培养日后独立开展科学研究的素养与能力。

2.6 重视教学细节安排

综合性实验虽然有助于学生全程参与各个环节，但较为连续的实验安排会导致学生在原有的课堂学时内无法完成一些有较长时间需求的实验，如质粒的双酶切、细菌（平板或悬液）的过夜培养等。故教学实验室在指定的时间范围对所有学生开放，学生通过在线预约系统可选择进入实验室的时间段，在助教的指导下完成课堂的延伸内容。实验室的开放机制使学生能够依托实验室空间和设备资源，亲身参与到每一个实验环节，加深对实验设计系统性的认知，全面提升对知识的整合与理解能力［5］。

宾大所有的课程都使用Canvas学习管理平台，该平台支持PC 和移动应用，学生可以通过访问平台了解所选课程的信息、获取教师发布的教学内容和课程资源、查看通知公告、提交作业、与讨论小组合作交流、在线问答等［6］。例如，在整个实验课教学过程中，指导教师可以在课前将学习资源以文档或网络链接的形式上传至Canvas系统供学生查看；若助教在实验教学时间外发现仪器内的某小组实验材料有问题，则可以通过Canvas系统给学生发送即时消息。

2.7 借力助教促进教学效果

理论课和实验课均配备硕士或博士生研究生助教是美国高校较为成熟的一项教学制度［7］，同时也是西方研究生教育的一种资助方式，学生可以通过助教工作来获取劳动报酬（均薪为12 ～18 美元/h）。但美国高校助教的选拔极为严格，通过博士资格考试的博士研究生或曾经修读过该课程且成绩达到A或A+的硕士研究生才有资格竞聘助教岗位，申请成功者需要完成至少1 个学期的培训并通过考核取得上岗资格。作为教学环节的有力补充，助教的工作内容通常包括：准备教学材料、审核考勤、批改作业、答疑、准备试题、监考阅卷等。

宾大生物技术与生物化学工程实验课程关注实验技术培训，学院通常安排2 名生物学相关专业的博士研究生作为助教辅助教学工作的顺利进行，他们提前准备实验器材及实验材料，并全程参与每节实验课、组织学生开展实验、规范操作步骤、在实验过程中安排各小组使用实验仪器以及帮助学生解答作业问题等。助教大多与在读学生的年龄相仿，拥有不同的文化背景，以“教师和合作同伴”的双重身份强化对选课学生的指导，辅助教学质量的提升。

2.8 设计性实验与展示

课程在期末阶段要求学生以小组为单位完成一次课题设计并做口头演示文稿汇报，在课程进行过程中，大部分研究生往往已经进入实验室并开始接触所在课题组关注的研究领域和方向。在此背景下，学生利用所学的实验技术并结合文献报道设计1 个严谨且可行的研究课题。这种自主设计实验的方式以培养学生科研兴趣和素养为出发点，注重培养研究生综合应用各种技术的能力、团队合作精神、创新意识，是一种应用“知行合一”理念［8］的探索性体验，为研究生后续的科学探索工作奠定了基础。同时，演示文稿展示环节是翻转课堂教学模式的体现，给予学生锻炼表达能力的机会。

3 课程体系对我国高校生物学实验教学的启示

3.1 课程设计与安排从强化学生科研思维的角度切入

分子生物学、生物化学等生物学分支学科的相关实验操作技能被广泛认为是开展生物学科科研工作的重要支撑。目前，我国高校的大部分实验课程仍以验证性实验为主体内容，学生每节课按照实验步骤按部就班地进行操作，当实验缺乏连续性时，学生会忽略对结果的思考和过程的分析，认为与下节课内容关系不紧密，于是他们的创新意识和批判性思维会在一定程度上被束缚。尤其是学生从本科阶段过渡到研究生阶段，无论是心理还是专业知识储备都需要不断扩充，并且研究生已经具备了一定的理论和实验基础，他们对学校开设的专业实验课会有更高的期许。虽然，部分高校在实验教学改革的过程中已经尝试将测验考试或小组汇报等因素纳入考核评价中［9-11］，但目前来看出勤率和传统的实验报告仍是国内大部分院校期末考核的主要指标，从而导致学生自主实验的动力和参与度不高。

从促进学生综合能力的角度看，宾大生物技术综合实验课程围绕分子生物学和生物化学相关技术推行模块化与探究型教学。在课程开设过程中，用串联式的实验内容取代验证性的单一实验，同时，在习题与阶段性论文的辅助下，学生能够进一步学习数据处理方法和科技文的规范化写作，实现从本科阶段到研究生阶段的顺利过渡。当前，在我国研究生招生规模不断扩大的政策下，探索具有一定特色的培养模式，为拟从事科学研究的学生搭建良好平台是高校与科研院所应持续努力的方向。

3.2 进一步完善教学团队建设

研究生助教具有学生与教师双重身份，在搭建教师和学生之间桥梁的过程中，可较好地为实验教学起到辅助作用，同时也能够不断提高自身沟通交流、教学、组织协调、批判性分析等多方面能力。虽然国内大部分高校都设立研究生助教岗位，但助教普遍存在教学能力以及经验不足的问题，分析原因一方面在于对申请者专业素质和职业素养没有硬性要求，很多研究生自身的专业技能和知识体系并不过关；另一方面在于整体培训机制不够完善，学校很少要求助教在上岗前完成一轮实验课程的跟进学习，相关部门为课程助教开设的教育学、教育法、心理学等学科讲座不多等［12-13］。

通过了解宾大生物技术综合实验课程的实施情况，该校助教首先需要通过竞聘上岗的方式进行岗位申请，培训合格后方可深度参与教学过程，这主要体现在他们参与的诸多环节，如课前准备实验材料与仪器耗材，全程参与实验过程并对学生的讨论给予指导，在学生完成阶段性学术论文和课后作业的过程中给予意见、批改等。研究生对于助教的申请积极性更高，被普遍认为是国外高校最有收益的校内兼职，经过训练确实能够为即将走入高校从事教学及科学研究工作的学生起到职前发展的铺垫作用。基于此，国内高校可以将硕士或博士研究生助教经历作为研究生培养的重要环节之一，提高配备比例和岗位津贴，最终达到“互利共赢”和强化教学效果的最终目的。

4 结 语

通过对宾夕法尼亚大学生物技术综合实验课程的了解，提出了该课程在教学过程中值得学习和借鉴的方面。实验设计与分析是研究生阶段的重要训练，创新性的科研思维与探究精神是拟从事科学研究工作的学生必不可少的能力，“提出问题—分析问题—解决问题”的过程有利于学生探究思想的形成和逐步发展。世界一流大学在培养模式、文化背景、教学组织、评价体系等诸多方面都与我国高校情况不尽相同，但有很多方面是我国高校值得借鉴的，各高校应不断加强实验教学改革，调动教学工作者与学生的积极性，从而更好地培养实践性创新人才。