基于 “慕課” 的遺傳學實驗開放式教學模式探索

辛廣偉

（北京大學 生物學國家級實驗教學示范中心，北京 100871）

對生命科學而言，生物實驗是獲取知識、探索未知的基本手段，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與學術素養(yǎng)的重要途徑，因此實驗教學是生物專業(yè)本科教育的重要環(huán)節(jié)[1-2]，而遺傳學實驗是各高校生物類本科生的核心實驗課之一。本文以遺傳學實驗為例，結合對加利福尼亞大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles，以下簡稱UCLA）的實地考察，對UCLA 和我校遺傳學實驗的教學模式進行橫向比較，探討如何上好一門本科生的實驗課。

1 一門好實驗課應具備的特點

在2019 年QS 世界大學排名中，位于前100 名的內(nèi)地高校共有6 所，除北京大學外，還有清華大學、復旦大學、上海交通大學、浙江大學和中國科學技術大學。筆者對前4 所高校的生物實驗教學中心進行了實地訪談，并對中國科學技術大學的生物實驗教學進行了文獻查閱。通過對這6 所高校的生物實驗教學特點的比較，并結合筆者在遺傳學實驗課程一線多年的教學經(jīng)驗，總結出一門廣受學生好評的實驗課應具備的三個主要特點。

1.1 注重實驗技能培養(yǎng)，加深對生物學理論的理解

生命科學是實驗科學，學生在實驗課上，只有通過親自動手操作、分析實驗結果，才能理解該學科關鍵知識點的來龍去脈并熟悉掌握相關基礎操作方法[2-3]。正如諾貝爾獎得主Dudley Herschbach 教授所說：“I have noticed that many straight A students are lost when it comes to research”（很多成績上的優(yōu)等生并不知道如何去做科研）。單純的生物學理論學習并不能直接提高學生的科研能力。因此，教師在安排教學內(nèi)容以及設計實驗課時，必須清楚地意識到本專業(yè)有哪些核心知識點和基礎操作技能需要學生了解和掌握，以及如何將這些知識點和操作技能貫穿到整個學期的實驗課程中。學生以這些實驗為載體，通過規(guī)范的實驗技能訓練，加深對生物學理論的理解，了解生物學知識的獲取途徑及背后的科研邏輯。這是對一門實驗課程的基本要求。

1.2 深度參與課堂，興趣與實踐并重

從20 世紀80 年代開始，世界范圍內(nèi)一直強調(diào)課程要以 “學生為中心、成果為導向”，即成效為本（outcome-based education，簡稱OBE）的教育模式[4-5]。該教育模式所強調(diào)的激發(fā)學生主動學習、小組協(xié)作、批判性思考等概念可以在實驗課程中得到很好的實踐。實驗課通過實驗設計討論、實驗技能培訓、文獻檢索、實驗報告撰寫以及具體實驗結果的正反饋等可以調(diào)動起學生的好奇心，培養(yǎng)學生解決問題的能力，提高學生的科研興趣以及形成嚴謹?shù)膶W術作風。另外，與理論課不同的是，實驗課可以讓學生參與到課程的各個環(huán)節(jié)，包括前期的課程準備及后期的實驗報告撰寫等，能夠有效鍛煉學生的實踐能力，同時培養(yǎng)學生的實驗興趣。為實現(xiàn)上述教學目標，我校生命科學學院遺傳學實驗課根據(jù)自身特點，并參考其他院校實驗課特色[6-7]，在以下兩個方面作了嘗試，提高了學生的課程參與度。

1.2.1 依托慕課進行課程預習和復習，注重課堂討論和實驗操作演示

“慕課” 是當前廣泛采用的一種教學模式，因其具有學習方式靈活、擴展性強等特點受到教師和學生的歡迎。我校生命科學學院遺傳學實驗課在2016 年已經(jīng)制作了網(wǎng)上 “慕課”（https://www.icourse163.org/course/PKU-1003368010），該“慕課” 具有以下特點。

（1）實驗內(nèi)容的理論講解和實驗操作視頻化，課程全部實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)字化，可供學生課前預習并有身臨其境的實驗教學效果。

（2）有效整合了與本課程相關的參考文獻及網(wǎng)絡資源，擴展了課堂容量和內(nèi)容深度，并可跟蹤學科最新發(fā)展，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，隨時更新網(wǎng)絡內(nèi)容，將遺傳學最新技術或線下實驗無法實現(xiàn)的內(nèi)容在 “慕課” 上展示。

（3）實驗課采取隨堂測試的方法檢查學生的預習效果，減少實際課堂理論知識的講解時間，上課以討論答疑為主，僅對關鍵的實驗操作在課堂上進行實際演示和講解外，其他教學內(nèi)容均以學生為主體，以便提高實驗課的實踐效率。

（4）實驗課要求學生將實驗記錄和實驗報告上傳網(wǎng)絡課堂，實現(xiàn)在線批改，及時反饋。此外，網(wǎng)絡課堂還具有優(yōu)秀報告展示和實驗報告存儲等功能，初步實現(xiàn)了電子版實驗報告的規(guī)范化管理。

1.2.2 開放實驗室，有效利用零碎時間

在實際科研過程中，實驗是根據(jù)研究思路設計，在時間上是連續(xù)的，因此學生每周只上一次實驗課，不能適應實際科研工作的要求。為此，遺傳學實驗室聯(lián)合分子、細胞生物學實驗室等，面向遺傳學選課學生全面開放。學生可根據(jù)自己的時間安排做實驗，教師或助教可在實驗室給予學生必要的指導。由于開放性實驗一般時間跨度較長，存在一定的失敗概率，因此開放性實驗的實施應以分組持續(xù)進行的方式完成。高低年級學生可以搭配，教師根據(jù)分組情況給予具體幫助和指導。在實驗開展前，學生通過小組討論安排好實驗流程，計劃好實驗時間節(jié)點，以便保證實驗課程持續(xù)有序進行。

遺傳學實驗項目涉及果蠅，由于果蠅在野外很常見，對人類身體無害，而且果蠅培養(yǎng)基是以玉米、白糖、酵母等日常食物配制而成，因此我校遺傳學實驗課程要求學生把果蠅帶回宿舍完成果蠅生活史的觀察。每位學生培養(yǎng)一瓶果蠅，利用零碎時間去觀察果蠅如何求偶、交配、爭斗、產(chǎn)卵、發(fā)育成果蠅等。學生通過寫觀察日記，較好地了解了果蠅生活史在各個階段的發(fā)育狀態(tài)。這種在日常生活中觀察果蠅的教學實踐，已經(jīng)在我校生命科學學院進行了10 多年，并取得了良好的教學效果。

1.3 教學與科研相結合

實驗教學除了訓練學生基本的實驗素質(zhì)外，還需要幫助學生完成從基礎知識學習向科學研究的過渡，讓學生在實驗課上學有所成，以便順利適應實驗室的真實科研節(jié)奏[8-13]。因此，需要將教師的科研項目引入課堂。如果一門實驗課程要進一步得到發(fā)展，必須注重教學與科研的結合，形成重視基礎、緊跟前沿的良性循環(huán)。一方面，教學與科研的結合可以激發(fā)學生的科研興趣，培養(yǎng)學生的自主性、創(chuàng)造性和責任心；另一方面，科研的進展也將促進實驗內(nèi)容和技術手段的不斷革新。

為了將教學與科研有機地結合起來，筆者經(jīng)過查閱國內(nèi)外相關教學文獻[14-17]，并通過對UCLA 實驗教學的實地考察，認為該?；诳蒲械膶嶒灲虒W模式值得借鑒。

2 基于科研的遺傳學實驗

2.1 UCLA 實驗課程教學理念和方法

UCLA 有兩類實驗課程：第一類是生物基礎實驗課，該類課程為生命科學專業(yè)學生必修，以實驗操作為基礎，但教學內(nèi)容涵蓋范圍廣泛，并不限于生命科學的某一個專業(yè)，而是對該學科多數(shù)專業(yè)都有所涉及。該課程的目的是為了讓學生對現(xiàn)代生物學有大致的了解，方便學生以后選擇專業(yè)、確定研究方向。第二類課程是基于科研的實驗課程，該類課程針對某一個生物專業(yè)，以科學研究探索為出發(fā)點，通過精心設計課程內(nèi)容，將實際科學研究融入課程中，充分利用本科生課程實驗操作相對簡單、上課人數(shù)多、重復性高的特點，共同完成一個科研課題。一般在學期初，實驗課教師與該學院科研組共同討論，確定并設計出科研課題。例如UCLA 的遺傳學實驗課在2007 年度的研究內(nèi)容是“篩選控制果蠅眼睛發(fā)育的基因”。在研究課題確定后，教師提前從Bloomington Drosophila Stock Centre、VDRC Stock Centre 等果蠅庫中訂購幾千種不同基因敲除的果蠅品系。在課上，每位學生都在做果蠅雜交實驗，但不同的學生所做的實驗是不同品系的雜交，所獲得的實驗結果也自然有所不同。經(jīng)過幾個學期的實驗，學生可以完成果蠅的幾千個基因篩選，從中確定對眼睛發(fā)育有影響的基因。UCLA 的分子生物學實驗課的課題是“建立海膽的基因庫”，要求學生完成海膽基因組提取、引物設計、PCR、基因克隆、基因原位雜交等實驗，從而使學生得到相應的分子生物學技術訓練，但教師給每位學生分配的是不同的基因?qū)嶒炄蝿眨@樣幾個學期下來，將學生的實驗結果匯總合并，形成一份可以上傳到NCBI 基因組庫中的完整數(shù)據(jù)。

UCLA 的實驗課采用半開放式的教學模式。以遺傳學實驗課為例，在課程前期，教師帶領學生以閱讀文獻的形式學習遺傳學的核心概念，了解課程相關的基礎實驗操作。這些文獻既包括遺傳學領域的經(jīng)典文獻，也包括與該科研課題相關的最新文獻，教師提前把文獻中涉及的遺傳學概念和生物學名詞進行匯總，在課上進行講解。在學生對科研課題有一定了解后，教師要求每位學生以基金申請書的模式寫一份計劃書，包括研究背景、研究進展、技術方法、預期結果及參考文獻等，以確認學生對課題及后續(xù)的實驗有深入了解，然后再開放實驗室，讓學生進行實際的實驗操作。實驗課一般持續(xù)整個學期，實驗步驟和注意事項張貼在實驗室墻上，學生到實驗室后可隨時查看。學生也可以組成合作小組，并與教師隨時討論，以確保課題的順利開展。在課程結束前，學生會進一步完善自己的基金申請書，把本學期已取得的進展和下一步的研究計劃添加到申請書中。通過課程實驗，完成一個比較完整的課題申報過程。

2.2 UCLA 實驗課程教學成效及經(jīng)驗借鑒

UCLA 將本科生的遺傳實驗課與前沿果蠅基因組功能研究有機結合起來，依靠這種篩選方法，UCLA遺傳學課程的教師發(fā)表了一系列有影響力的教學或科研文章[18]。通過該課程的學習，學生參與了真實的科研工作，體會到科研的過程，感受到探索問題的樂趣。同時也得到遺傳學的基礎訓練，包括遺傳學經(jīng)典技術方法、模式生物的識別和應用、生物信息學技術手段等。實驗結果是開放的，實驗的最終成果以文章的形式發(fā)表，這種實驗方式調(diào)動了學生的積極性和好奇心，提高了學生的科研能力。UCLA 實驗課可作為本科生進階性教育的“科研訓練”，其成功經(jīng)驗包括其課程理念及教學模式等，可為國內(nèi)的生物實驗教學提供以下三方面的借鑒。

（1）實驗教學與實際科研課題相結合。通過周密的課題設計，使學生能夠真實體驗科研工作的有關環(huán)節(jié)。通過參與科研工作，能夠有效培養(yǎng)學生的實踐能力和科研能力。

（2）實驗教學可以將科研論文作為教材。教師可根據(jù)不同的研究課題，選擇不同的參考文獻。在對實驗內(nèi)容進行講解時，把學科的一些基本概念涵蓋其中，使學生盡早接觸這一領域的前沿研究課題。

（3）本科教學實驗室可長時間開放。學生可根據(jù)自己的時間和需要到實驗室做實驗，同時可與教師討論實驗進展并完成實驗報告。學生自主安排實驗時間和進度，提高了學生參與課程的能動性和科研興趣。有些實驗項目可通過小組的形式完成，這有利于鍛煉組內(nèi)學生的科研協(xié)作能力。

我校生命科學學院在2014 年引入了UCLA 的遺傳學實驗課教師John M. Olson，并開設了“Drosophila genetics” 全英文遺傳學實驗課。該課程與生命科學學院科研課題組合作，利用清華大學果蠅中心的果蠅轉基因RNAi 品系，共同篩選與果蠅睡眠和節(jié)律調(diào)控相關的基因。該課程不僅吸引了生命科學學院的學生參加，而且還吸引了一批對生物學感興趣的國際留學生參與。經(jīng)過幾年的實踐，該課程篩選出20 余個與果蠅睡眠或節(jié)律相關的基因，下一步將與科研課題組合作進行更深入的機制探索。

3 結語

現(xiàn)代生命科學在迅猛發(fā)展，各類新技術伴隨著理論創(chuàng)新不斷出現(xiàn)，面對這些新的技術和理念，高校本科實驗教學應與時俱進，不斷創(chuàng)新。對于本科生而言，其重心應轉向?qū)χR的深入理解，以及從知識學習轉向?qū)嵺`能力的鍛煉。而實驗課程正是激發(fā)學生好奇心、培養(yǎng)其學習能力和創(chuàng)新能力的平臺。此外，實驗課程內(nèi)容除了涵蓋學科的基本概念和基本技能訓練之外，還應引入科研的理念和科研環(huán)節(jié)。實驗教學要使學生體驗到不同學科的知識和實驗技能可以作為從不同角度解決同一問題的手段，從而認識生物的整體性。因此，開設綜合性實驗課是生命科學教學發(fā)展的趨勢。利用UCLA 這種將科研課題融入本科實驗課程的教學模式，可以增強學生的科研主動性，加強學生的責任心，這是一種有益的實驗教學探索。此外，“慕課”“微課” 等現(xiàn)代教育學方法，擴展了實驗課程容量，使學生的學習不再局限于實驗室，學生可隨時通過網(wǎng)絡查閱經(jīng)典或追蹤前沿，還可為本科生開展科研提供條件保障。綜上所述，將科研課題與本科生實驗課程相結合、開放本科教學實驗室的教學模式值得借鑒和推廣。