“科研能力训练”课程的教学设计及其对农科本科生的培养效果

李斌，张颖，钱琼秋，陈云

(浙江大学，浙江 杭州 310058)

引言

本科生科研训练是目前普遍认可的一种培养高素质创新型人才的有效途径。近年来，随着信息社会的快速发展和知识经济时代的到来，世界范围内的科技竞争日益激烈，社会对高素质创新型科研人才的需求逐渐增加。这对本科生专业人才培养提出了新的挑战，传统的专业和通识教育将越来越难以满足未来科研发展的需要。2018年，教育部《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》明确指出：各高校要不断加强科教协同育人，推动学生早进课题、早进实验室、早进团队，努力实现高质量师生共创，培养学生创新精神和科研能力[1]。因此，加强本科生科研能力训练已成为当前百年未有大变局下我国应对知识经济和世界科技革命挑战的必然选择[2-3]。

我国本科生的科研训练最早可追溯到20世纪90年代，随着一批知名大学教学和实验条件的明显改善，一部分本科生开始提前接受科研锻炼，与研究生共同进行科学研究；接下来的二十余年，在各高校的不断实践与探索下，科研训练快速发展，并在更多高校中普及推广[4]。浙江大学于1998年开始开展本科生科研训练[4]。时至今日，浙江大学的本科生科研训练体系已较为成熟和完善。浙江大学农业与生物技术学院(以下简称农生学院)应用生物专业始终以现代生命科学、生物技术和信息与工程技术等为核心，培养有志于继续深造的时代高才。

“科研能力训练”是该专业开设的一门实践能力培养课程，以培养学生具备优秀的科学素养和创新能力为目标，使学生能够在现代农业和生命科学等行业成为具有竞争力的专门人才和领军人物。课程主要内容是锻炼学生在已基本掌握预修课程相关知识的基础上，通过综合运用所学的基础理论知识和操作技能，在指导老师带领下自己设计、自己动手进行科学研究。主要目标是通过本课程的学习，使学生尽早接触和了解本学科的发展前沿，掌握科学研究的基本知识和技能，提高独立思考以及分析和解决问题的能力，培养学生投身“三农”事业的责任感和使命感。

一、 课程体系设计

(一) 课程设置及要求

“科研能力训练”是一门综合性强的农科学生专业必修课，该课程安排在大三暑假开设，此时学生经过3年的基础和专业课学习，已大体掌握应用生物科学的相关专业知识，具备进入实验室进行科学研究的基本条件。课程设置包括理论学习、主题讲座和开放式实验等环节。理论学习部分主要讲授基本的实验方案、设计思路、文献分析方法以及SPSS、Graphpad Prism、ImageJ和Statistica等科研绘图和数据分析软件的使用，在这个阶段，每位学生经过前期的集中理论学习后，能掌握农业科学研究中相关科学问题的基本思路和基础软件的使用技能；主题讲座部分主要依托师资和科研力量雄厚的核农所和生物所，邀请农业与生命科学领域不同学科方向的专家学者及历届从事科研工作的优秀毕业生分别就前沿研究进展和科研经历与同学们交流，并请专家和学长分享决定选择科研的初心以及在科研中遇到困难如何解决的经历，使同学们对从事科研有更加深入的了解和体会。期望学生经过以上两个阶段的学习后，对科学研究有更深入和系统的认识，充分激发学生的专业兴趣。最后，学生依据自己的科研兴趣选择三个生命科学不同领域的大实验室，并自主联系相关老师，与指导老师沟通确定研究项目。例如，如学生对灰霉菌黑色素合成机制感兴趣，老师可以提供相关基因，让学生研究灰霉菌黑色素合成是否与该基因有关。

在开放式实验训练过程中，学生自己查阅文献、独立设计并制定研究计划，独立开展科学研究，每个实验室训练不少于一个月，每周不少于8个学时，进行共三个月的科研锻炼。学生在进入不同的实验室后，需要综合运用所学的基础知识和操作技能，熟悉实验方案设计、开题、选题、实验过程、论文框架等一系列流程[5]，充分利用各平台的科研资源，基本掌握各实验室的主要实验技术与方法。在进行科研训练的过程中，锻炼学生独立解决问题的能力，帮助他们继续深入科学研究和走向社会[6]。

(二) 授课、训练形式多样

课程采取前期集中学习、讨论与后期分散式训练相结合的方式，使学生更好地了解各个研究方向，并依据自己的兴趣选择合适的实验室，开展后续的科学研究。课程伊始集中进行理论学习，培养学生的科学研究思维，让学生学会如何将科学问题转化为技术问题，并依据技术问题制订研究项目和技术指标。教师采用启发式教学，避免传统的“灌输式”教学弊端，通过现代化的教学手段，聚焦创意农业，跨界农业等前沿热点，提高学生课堂的学习效率，传授学生如何开展实验设计和使用常用科研软件等一些基本科研技能。学生系统学习实验方案设计、文献分析方法和基础科研软件的使用，有利于后期进行开放性的独立科学研究。同时，为了激发学生的科研兴趣，全面提高学生的科研能力，在课程的开始阶段，指导老师可以根据学生水平组织一次文献综述撰写任务，要求每位学生就自己感兴趣的方向进行研究，通过查阅大量文献进行综述的撰写，锻炼学生文献检索、阅读和学术写作能力。另外，为了进一步拓展学生的知识面，充分挖掘学生的创新潜能，邀请应用生物科学各不同方向的国内外知名专家和优秀开展专题讲座3～4次，每次由1～2名专家介绍各方向的最新前沿情况，并与同学们进行交流和讨论。主题讲座的内容主要有如下两部分：第一，邀请农业和生命科学领域国内外学术大师和著名专家开展系列讲座，要求每位学生参加至少2次学术讲座，了解所在学科最新的研究动态，学习专家们如何形成创新性和逻辑性强的科研思路[7]，在听讲座的过程中还可以结合自身专业、联系当前热点主动与专家们进行交流与探讨，有助于学生拓展思维，在交流过程中产生灵感，碰撞出知识的火花；第二，邀请在Nature，PNAS发表过等高水平论文的优秀毕业生与同学们分享科研经历，了解课题研究思路与方法，以及如何通过科研训练和后天努力成为行业佼佼者，激发学生的科研兴趣。

(三) 兴趣化、专业化特色

学生对从事的科研有兴趣是进行科研创新实践的前提[8]。因此，我们采取个体分散式和兴趣化的科研训练方法，允许学生在生物物理学、作物学、园艺学、植物保护学、医学、生命科学、国内其他领域以及国外相关领域等七个领域中进行选择，以学生为主体，利用开放式实验教学的方法，培养学生科研创新能力。例如，曾有两位本科生对细菌功能基因的表达调控非常感兴趣，他们主动与生命科学领域相关实验室的导师沟通，申请开放课题，由相关老师提供具有有机污染物降解功能的鞘氨醇杆菌属细菌，开展对有机物降解基因的表达调控研究。

在实践过程中，为了使学生的科研能力能够得到更全面的锻炼，教师也鼓励本科生参加实验室组会，参与PPT制作与汇报，使本科生接受更加系统的科研训练，从而进一步提高本科生的科研创新能力。第一，学生在每个实验室需进行一次文献汇报，鼓励学生使用全英文进行汇报，汇报内容须与实验室研究内容或自身课题相关，锻炼学生搜索、阅读和分析文献的能力。第二，学生在每个实验室的科研训练即将结束时，须在该实验室进行一次工作进展或总结汇报，在汇报中梳理实验思路，完善实验内容，分析实验结果，查找不足，展望下一步研究，拓展学生的视野，锻炼学生的逻辑思维，培养积极良好的表达能力。

(四) 科学合理的考核体系

考核方式会在一定程度上影响教学效果。由于不同学生科研训练内容和方式都不相同，且不同指导教师评价方式与标准差异大，因此制定合理的考核形式至关重要。“科研能力训练”在综合考虑学生所在实验室导师评价的基础上，通过查看学生平时的实验记录、出席专家讲座的交流和讨论情况，考查学生的期末科研训练总结报告和其他相关科研成果，以及与学生单个的交流与沟通情况，综合评定各个学生的“科研能力训练”课程成绩。总成绩构成具体为：三个实验室的教师评价占25%，平时的实验记录占50%，期中和期末的科研训练总结占25%。若学生投入了充足的时间，实验记录和总结报告格式规范且内容翔实，或学生在自己的研究方向取得了一定的创新性突破，可以获得适当的奖励。在领域内知名中文或外文期刊发表了研究论文的学生，考核专家将根据其发表期刊的影响力及在论文中的贡献(如是否为第一作者)对该学生的课程成绩给予合理的加分。该综合评定方法使本课程的考核更加合理、全面和规范。

二、 教学效果分析

在高校本科教学中，通常更加注重本科生掌握专业理论知识、培养一定的实验技能和良好的社会价值观，而对于本科生研究能力的培养相对忽视。部分本科生直到毕业设计阶段才对将要从事的科学研究有一点基本认识。因此，为了加强本科生科研创新能力的培养，开设“科研能力训练”课程，要求应用生物科学专业所有本科生参与，培养科研兴趣，提高科学素养，帮助学生尽早确定自己的科研兴趣方向，为本科毕业后在研究生阶段的科学研究做好更充分的准备。下面我们主要通过分析浙江大学应用生物科学专业毕业生去向和毕业生发表高水平论文这两个指标来评估该课程对学生科研能力的培养效果。

(一) 毕业生去向分析

1. 毕业生升学深造情况

表1显示了2006届至今浙江大学农生学院应用生物科学专业335名往届毕业生的国内外读研深造情况。从2010年(2006级学生)起，毕业生国内外读研深造率稳定在50%以上，除2008年、2009年和2017年外，毕业生深造率均达60%以上，其中，2014年毕业生深造率达到82.76%，2019年毕业生深造率达到80%，且各届毕业生的深造率差别不大，整体稳定在50%以上。2019年、2020年，应生专业的本科毕业生深造率都接近或达到80.00%，较2016—2018年又有了一定的提升。近十年来应生专业毕业生主要赴北京大学、清华大学、中国农业科学院、中国科学院等国内知名高校和科研单位深造。此外，农科研究生的国际化培养是培育拔尖创新人才的主要途径，学院近年来不断鼓励有能力的学生“走出去”，学习国际前沿的科学知识。从表1我们不难发现，相较于2006—2008年不足20%的出国率，2010—2019年十年来(除2017年)，应生专业毕业生出国率始终保持在30%以上，其中2015年、2016年的出国率更是分别达到了42.86%和46.88%。值得注意的是，2020年，受全球新冠疫情的影响，毕业生出国深造率出现下跌，罕见地不足30%。在具体去向方面，毕业生主要以美国的哈佛大学、康奈尔大学、加利福尼亚大学戴维斯分校以及荷兰的瓦赫宁根大学等世界顶级高校或一流农业高校为主。这些数据反映了农生院本科生较强的学习能力和科学素养，这也一定程度上归功于应生专业“科研能力训练”优良的教学效果。

表1 2006—2020届应用生物科学专业毕业生去向统计情况

我们以毕业生的深造率为指标可能有些片面，但的确在一定程度上反映了科研能力训练对学生选择未来职业发展道路的影响[9]。

2. 毕业生就业情况

虽然继续深造是应生专业毕业生的主流去向，但通过科研能力训练，一些学生发现实验室科研可能未必是自己的最佳选择，而技术管理、技术推广和技术服务等把论文写在祖国大地上的工作或许更适合自己。这些年来，不少毕业生选择在农业领域直接就业甚至创业。从2006届至今，学院应用生物科学专业335名往届毕业生中，选择直接就业的人数达102人，占总人数的30.4%。其中2009年、2017年毕业生直接就业率分别达到了55%和50%。通过对近年来直接就业的毕业生的去向调查，有相当一部分学生进入农资、生物技术相关的企业，也有部分毕业生选择公务员或中小学等事业单位，更有少数学生创业成功拥有了自己的农业公司。虽然这部分学生没有继续选择实验室科研，但学生在科研能力训练中获得的动手能力和综合实践能力，也可帮助学生在未来职业道路中将所学知识应用于解决实际问题，为学生们的就业和创业提供帮助。

(二) 毕业生发表高水平论文情况

“科研能力训练”不仅有力促进了学生早接触、早参加科研，更有助于学生在课外科研训练项目及海外学术交流计划中涵养求是创新、严谨求实的作风，助力学生在研究生期间的学术研究中厚积薄发。近年来，浙江大学农生学院应用生物专业毕业生频频发表高水平论文，表现出了强劲的科研潜力。

2018年4月26日，应生专业2014届本科毕业生程航作为共同第一作者在Cell期刊发表了题为“Cryo-EM structure of human Dicer and its complexes with a pre-miRNA substrate”的研究论文，首次报道了人源核酸内切酶Dicer蛋白的全长高分辨率结构[10]，为进一步解析微小RNA的成熟机制奠定了基础。2018年6月29日，应生专业2016届本科毕业生顾渊作为第一作者在国际知名期刊ChemicalScience上发表了题为“Exploration of biocompatible AIEgens from natural resources”，首次系统地研究了黄连素的AIE性质、机理及其在脂滴选择性成像方面的应用[11]。该文被评为该刊2018年热点论文，进行了专题讨论。2017年11月10日，应生专业2014届本科毕业生李晓静作为第一作者在ThePlantJournal期刊上在线发表了题为“Proteomic analysis of lysine acetylation provides strong evidence for involvement of acetylated proteins in plant meiosis and tapetum function”的研究论文，揭示出水稻减数分裂及绒毡层发育的乙酰化蛋白质[12]。

这些成果表明，学生通过课程学习，特别是基于学生兴趣的科研训练，使科研能力得到了有效的锻炼，具备了一定的创新意识和创新能力，为学生在研究生阶段的科学研究创造了良好的条件，得以快速在国际高水平期刊上发表成果，体现了“厚基础、强实践、拓创新、彰个性、融国际”的人才培养理念，为现代农业和生命科学领域的相关专业储备了一大批学术研究后备力量。

三、 讨论与建议

虽然“科研能力训练”课程的开展已形成了不少有益的经验，取得了一些成绩，但不可避免也还存在着这样或那样的不足。此外，随着时代的发展，特别是当前百年未有大变局对我国大学生培养提出了更高的要求。为了进一步完善该课程，我们归纳了前期成功的经验，提出了有针对性的改进建议。

(一) 开展课程思政提高农科学生的科研素养与专业认同感

首先，积极开展课程思政帮助学生明确自身的时代责任。“科研能力训练”课程在主题讲座部分向学生介绍农学相关学科的前沿进展、我国在农业科学理论研究方面重大突破等内容，让学生认识到农业科学基础研究的重大突破是推动农业农村科技创新的原动力，并对我国农业科技的发展起着至关重要的作用，加深学生对新时代农业科学的理解和认识，引导学生了解自身所学价值。习近平总书记曾回信寄语全国涉农高校广大师生要以强农兴农为己任，并强调科技创新、农科人才培养对于中国农业农村现代化、粮食安全的重要性。“科研能力训练”课程不仅要锻炼学生的科研实践能力，更要让学生在训练过程中逐渐增强专业认同感，将个人成长与时代发展紧密结合，积极投身新时代背景下农业科学实践与学科建设，在潜移默化中激励学生为推动我国农业生命科学发展做出更大贡献。

其次，积极开展课程思政帮助学生提高自身的科研素养。科研人员从事科学研究的态度、方法、习惯的形成几乎都可以追溯到大学本科阶段[13]。学生在“科研能力训练”这门课程中得到时间管理、知识获取、课题管理、积极沟通、独立思考和动手能力等方面的锻炼，并在参与科研的过程中培养认真努力、对自己实验负责等优异品质，有助于他们在本科期间参与IGEM国际基因工程机器设计大赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛以及国家、省、校和院级大学生科研创新训练项目[14]等科研训练活动，最终通过出色的科研经历获得研究生推免资格或申请境外名校研究生。

最后，积极开展课程思政帮助学生克服学农的自卑感。大部分学生在进入农学相关专业学习之前，对农学带有根深蒂固的偏见，尤其因为农学专业的就业前景和薪资待遇相比于其他专业始终差距较大，导致农学专业在社会认可度不高，学生对本专业缺乏认同感。通过对国家各项强农、兴农政策的解读，对农科类知名专家学者及其他各类人才成长历程的学习，以及数字化、自动化等其他各个领域正不断融入农业的现状，增强学生的专业自信，鼓励他们积极融入社会，而不是怨天尤人，在自我发展的过程中找准个人的自身定位，构建身份认同，实现自我价值和社会价值[15]。

(二) 加强指导老师在科研训练过程中的引导和参与度

“科研能力训练”课程后期以开放式实验教学为主，学生自行选择实验室开展科研训练，因此教师的指导在学生科研训练过程中起关键性作用。“教育大计，教师为本”，习近平总书记曾指出教师不仅是传授书本知识的教书匠，更是塑造学生品格、品行、品味的“大先生”。教师对于引导学生提升自我、夯实信仰，成长为“三农”人才发挥着铸魂育人的重要作用，但是由于不少指导老师本身科研和教学任务十分繁重，且实验室内需要指导的研究生人数较多，对本科生缺乏关注、疏于指导，致使本科生的科研能力培养无法达到教学目标，也未达到立德树人、培养学生科学与人文精神的根本目标。因此，我们建议学生可根据自己的兴趣积极参与到教师所承担的科研项目中，加入指导老师的课题组，协助课题组完成基础、应用和推广等不同类型的科学研究工作，在达到本科生科研能力培养要求的同时，满足教师的科研需求，增强教师指导本科生科研的原动力，确保参与本科生科研训练的全过程，保障学生科研能力训练的质量。

(三) 通过优化开放性实验阶段课程设置提高学生积极性

由于开放性实验课程设置时间在大三暑假，此时大部分学生对自己的未来已有了较清晰的规划。部分学生选择毕业后不再从事涉农行业，因而对本课程兴趣不够，甚至存在应付了事的情况，没有认识到可以通过科研训练来锻炼自己的综合能力[15]。另一方面，对于在本课程之前完全没有参与过科研项目的学生来说，在开放性实验阶段多以向研究生学习实验操作技能为主，短时间内难以对一个实验项目产生足够的认识并独立开展项目研究。因此，指导老师应根据本科生的实际能力，开展个性化实验。以学生兴趣为出发点，结合老师科研项目需要，对学生进行个性化指导，通过科研育人，促进学生自主深度学习，从而提高学生参与科研训练的积极性，强化立德树人，引领学生发展，落实课程培养要求。

结语

2018年8月，教育部《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》中明确提出：强化科研育人，结合国家重点、重大科技计划任务，建立科教融合、相互促进的协同培养机制。“科研能力训练”无疑积极回应了这一指导意见，在提高学生综合素质和科研能力方面具有重要的作用。该课程要求学生进行三个月且每周不少于8学时的锻炼，这在无形之中强化了学生对时间、精力的管理。学生在系列讲座中对获取到的知识信息进行基本的判断，并选择感兴趣的实验室进行深入学习。进入实验室后，需要学生有主动获取知识的能力，通过搜索有效信息、查阅文献等方式掌握各种实验原理和技能[16]。对于较长期的实验项目，学生要独立对项目进行一定的规划，并能够相对独立地完成实验；实验出现问题时，要学会独立思考、尝试独立解决；遇到自己不能解决的难题时，应学会积极与导师和学长沟通，从而在处理问题的过程中实现自我提升。训练结束时,学生还需提交实验记录本和实验总结报告，锻炼了学生严谨踏实的学术作风和一定的表达及写作技能。

“科研能力训练”课程在协同育人、科教融合理念的指导下，紧密结合教学和科研，以育人作为科教融合的核心目标，将高校科研方面的优势应用到课程教育当中，把最新研究成果通过主题讲座的形式有效凝练为教学内容，推动研究性教学，利用开放性实验发展探究式、参与式教学，为更好、更高效地培养人才创造有利条件、提供坚强保障。因此，“科研能力训练”课程的开设与目前大力发展新型研究型大学及创新人才培养的要求是相符的。虽然不够全面，但从毕业生深造率和发表学术论文的情况来看，学生优异的科研素质和较强的科技创新能力与该课程较好的教学效果是分不开的。总之，“科研能力训练”课程是一门创新性的综合实践能力培养课程，对于农科类本科生科研能力培养都具有重要意义。

(致谢: 感谢本科生黄雪芳和郭峻宁参与了资料的收集和整理。)