科研轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建與教學(xué)探討

史 影， 周耐明

（浙江大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院；b.生物學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州310058）

0 引 言

生命科學(xué)和生物技術(shù)是21 世紀(jì)引領(lǐng)科學(xué)之一，近20 年來，以分子設(shè)計(jì)、基因組學(xué)新技術(shù)、生物大數(shù)據(jù)、基因編輯、免疫治療等突破為代表，生物技術(shù)和生物產(chǎn)業(yè)都發(fā)生了深刻的變革［1-3］。生命科學(xué)正以前所未有的速度向前發(fā)展，深刻影響并改變著大家的觀念和生活。如何將新穎的科學(xué)成果、技術(shù)方法及科學(xué)理念快速反饋給學(xué)生，使當(dāng)代大學(xué)生快速融入科技發(fā)展的大潮是高校教學(xué)改革的一項(xiàng)重要任務(wù)。作為實(shí)驗(yàn)科學(xué)，不斷將科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)化是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展和人才培養(yǎng)的有效途徑［4-6］。但在科研轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中常會在內(nèi)容、規(guī)模、時間和管理等方面遇到難題。本文從科研轉(zhuǎn)換型高級生化實(shí)驗(yàn)體系建立及教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，探討了科研轉(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建及實(shí)踐中需關(guān)注的問題，并提出了一些建設(shè)性舉措。

1 從科研實(shí)踐中總結(jié)提煉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

科研實(shí)踐往往具有起點(diǎn)高、系統(tǒng)性強(qiáng)、科學(xué)思維連貫等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣、綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ⑼卣菇鉀Q問題的思路及方法。在確定實(shí)驗(yàn)新內(nèi)容時，首先充分了解現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，結(jié)合科研實(shí)踐，分析查找現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系空白，特別是新穎、重要的實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)和科學(xué)思路，找到合適的科研模塊切入。接下來將科研模塊的內(nèi)容根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)進(jìn)行提煉拆分，提出實(shí)驗(yàn)方案。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際資源，進(jìn)一步細(xì)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法和步驟。例如在建立高級生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系之前，首先了解到現(xiàn)有的生化實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容主要集中于蛋白質(zhì)純化和性質(zhì)測定，在蛋白質(zhì)的功能和信號傳遞方面沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。結(jié)合G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR））的科研實(shí)踐，選擇了GPCR內(nèi)吞觀察及GPCR 活化后轉(zhuǎn)錄因子CREB激活的信號通路作為實(shí)驗(yàn)?zāi)K。接著根據(jù)實(shí)驗(yàn)的時間及條件，拆分出每一次課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，確定觀察蛋白質(zhì)受體活化、內(nèi)吞和相互作用的實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容，以及胞外信號通過膜受體傳遞到熒光素酶報(bào)告基因表達(dá)的實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容。然后提煉出了整個實(shí)驗(yàn)涉及的質(zhì)粒構(gòu)建、細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞轉(zhuǎn)染、熒光蛋白標(biāo)記、蛋白質(zhì)熒光顯微成像觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動及相互作用以及化學(xué)發(fā)光儀檢測熒光強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及蛋白質(zhì)參與信號傳遞、轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)因子對DNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控、膜受體內(nèi)吞、蛋白質(zhì)相互作用等生物化學(xué)理論知識點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過程中，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，盡可能多的包含方法、技術(shù)和科學(xué)思路的新穎元素［7］。圖1 所示為科研轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)體系建立的流程。

圖1 科研轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)體系流程

2實(shí)驗(yàn)體系建立過程中的可操作性研究

2.1 實(shí)驗(yàn)規(guī)模和時間

將科研實(shí)踐轉(zhuǎn)化成教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往在實(shí)驗(yàn)規(guī)模的可操作性上會遇到困難，例如微觀生物學(xué)科研往往有“少、精、細(xì)”的特點(diǎn)，用量少、要求精準(zhǔn)以及注重各步驟細(xì)節(jié)；而本科生實(shí)驗(yàn)往往人數(shù)多，規(guī)模大，不容易做到步驟的細(xì)致化和連續(xù)性。在將科研實(shí)踐向教學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化的過程中，往往需要把實(shí)驗(yàn)規(guī)模放大，且保證精準(zhǔn)度，在注重基本技能培養(yǎng)的同時加強(qiáng)綜合，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及時間安排上需要探索其可操作性和合理性。在實(shí)踐中，因?yàn)樯婕凹?xì)胞培養(yǎng)，所以采用了2 或3 人1 小組、15 ～20 人1 小班教學(xué)；因?yàn)榇蟛糠謱?shí)驗(yàn)是連續(xù)的，所以利用了學(xué)生的業(yè)余時間，將實(shí)驗(yàn)時間集中在兩周內(nèi)完成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上保持了精細(xì)化要求，但將一些時間跨度大、難度大的步驟做了適當(dāng)調(diào)整。例如含調(diào)控元件的載體構(gòu)建，因?yàn)檎n時原因，學(xué)生沒有直接操作，以PPT的形式介紹原理和步驟，保證實(shí)驗(yàn)的完整性；細(xì)胞培養(yǎng)需要時間及人員培訓(xùn)，第1 周實(shí)驗(yàn)學(xué)生直接用老師準(zhǔn)備的細(xì)胞做轉(zhuǎn)染，并同時開始培訓(xùn)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，第2 周實(shí)驗(yàn)用的就是學(xué)生自己培養(yǎng)的細(xì)胞，這樣既學(xué)習(xí)了有關(guān)技術(shù)又縮短了實(shí)驗(yàn)周期。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和時間的安排上往往需要指導(dǎo)老師來靈活把控，以保持實(shí)驗(yàn)的完整性和學(xué)生的充分實(shí)踐。

2.2 儀器設(shè)備和場地

科研實(shí)踐轉(zhuǎn)化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往是綜合性實(shí)驗(yàn)，一個實(shí)驗(yàn)室的資源可能無力支撐這樣的實(shí)驗(yàn)體系。以高級生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，涉及分子、細(xì)胞和生化3 大塊內(nèi)容，需要用到細(xì)胞培養(yǎng)室，熒光顯微鏡和化學(xué)發(fā)光儀等設(shè)備和儀器的使用，調(diào)度了生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和顯微鏡工作室一起支撐這個實(shí)驗(yàn)順利開展。因此，在規(guī)劃此類實(shí)驗(yàn)時，需整體了解并融合實(shí)驗(yàn)中心的資源，統(tǒng)籌規(guī)劃，建立溝通渠道，提前做好儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場所的準(zhǔn)備。有序地進(jìn)行跨功能實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)管理過程，也能激發(fā)不同功能實(shí)驗(yàn)室的協(xié)同工作潛能。

2.3 實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)

目前很多高校用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)還是有限的?？蒲修D(zhuǎn)化型教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往會用到較貴重的試劑和器材，從實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的角度考慮，需要事先精打細(xì)算，做好預(yù)算。在實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)試劑均以小分裝的形式發(fā)放，計(jì)算好每個班每個組的需用量，盡量減少浪費(fèi)。例如每組發(fā)50 mL培養(yǎng)基、10 mL胰酶、30 mL PBS、50 μL轉(zhuǎn)染試劑等。微量、定量地配給試劑，整個實(shí)驗(yàn)過程所用試劑量都是可控并保證質(zhì)量的，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)能被控制在合理的范圍內(nèi)。

3 教學(xué)方法改進(jìn)與實(shí)踐

3.1 研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐

科研轉(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合研究型教學(xué)模式（見圖2）去培養(yǎng)科研探索和創(chuàng)新精神［8-10］?？蒲修D(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)往往涉及較多科研背景和科學(xué)思路，在實(shí)驗(yàn)過程中可以嘗試將更多的科研元素用于教學(xué)實(shí)踐中，引導(dǎo)學(xué)生做“探索者”的主人。例如課前引導(dǎo)學(xué)生查閱背景資料和技術(shù)資料，提出一些科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生“情景式”浸入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和興趣。在過程中，設(shè)置開放環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生技能的同時，學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如何提出問題并得到答案，如何獲得科學(xué)的可靠數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)后學(xué)習(xí)如何分析照片及數(shù)據(jù)，如何用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)方法科學(xué)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。這種研究型教學(xué)模式可以使學(xué)生的體會更立體和飽滿，極大地提高他們開展綜合性實(shí)驗(yàn)的能力和科學(xué)素養(yǎng)。

圖2 研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

3.2 多種教學(xué)手段結(jié)合

科研轉(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)具有綜合性強(qiáng)、精準(zhǔn)性高的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中，除了講述與示范外，還可采用多種手段相結(jié)合來達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。例如，對一些關(guān)鍵性難度大的操作步驟可以預(yù)先制作微視頻，在示范操作之后，可以讓學(xué)生反復(fù)觀摩。利用云課程、微信、QQ 等軟件手段建立與學(xué)生課程中、課程后的實(shí)時互動交流平臺，及時提出和反饋問題，分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果并討論。利用PPT等技術(shù)手段，組織學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)論文與學(xué)習(xí)感想等。通過這些教學(xué)手段，課堂更豐富和富有活力，更能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情［11-13］。

3.3 設(shè)置實(shí)驗(yàn)助手

由于綜合性強(qiáng)、精細(xì)度高和難度提升等原因，科研轉(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作更為繁瑣和復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)過程中的指導(dǎo)需求更精準(zhǔn)，需要實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備老師密切配合。有時1 位老師指導(dǎo)會有顧及不暇的時候，在教學(xué)實(shí)踐中，為了指導(dǎo)得更充分，除指導(dǎo)老師之外，每個班配備1 或2 位研究生助教，不僅在實(shí)驗(yàn)過程中可以給予每位學(xué)生適時指導(dǎo)，而且可以和學(xué)生充分交流，甚至可以有空間和氛圍去拓展延伸討論，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的高質(zhì)量完成。

4 評價體系

科研轉(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的是培養(yǎng)具有更高視野、綜合實(shí)踐能力和科學(xué)探索能力更強(qiáng)的本科生。因此考核評價體系和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相比，不僅是關(guān)注實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和過程，更多需要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、科學(xué)思考能力和解決問題的能力以及在本門課程中的成長。從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到科研轉(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)生的科學(xué)思維和整體能力的成長是非常明顯的。同時，還將文獻(xiàn)檢索與匯報(bào)，提出科學(xué)問題，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也作為考核內(nèi)容之一，旨在探索培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問題的學(xué)習(xí)方法。

5 結(jié) 語

近年來生物科學(xué)及技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，如何將新穎的科學(xué)思想和實(shí)驗(yàn)引入高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，階段性地跟進(jìn)科學(xué)研究的發(fā)展是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一?？蒲修D(zhuǎn)化型實(shí)驗(yàn)是更新實(shí)驗(yàn)的重要來源，對于開拓本科生視野、培養(yǎng)先進(jìn)的科學(xué)思維及綜合創(chuàng)新能力都具有重要作用，應(yīng)該提倡和加強(qiáng)［14-16］。本文從實(shí)踐出發(fā)，探討了如何將科研一線的科學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為流暢的、操作性強(qiáng)的本科生實(shí)驗(yàn)，提出了有關(guān)科研轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)體系建立的方法及具體實(shí)踐舉措，操作性強(qiáng)、學(xué)生的參與度及獲得感高，有較好的實(shí)踐效果。