“雙一流”建設背景下生物學本科生創新開放實驗室管理的探索

楊 帆， 丁 鳴， 孫 益， 王國強， 吳 敏

(浙江大學 生物學國家級實驗教學示范中心， 杭州 310058)

0 引 言

2015年10月，國務院公布的《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》提出，加快建成一批世界一流大學和一流學科；2017年8月，教育部公布了“雙一流”建設高校和“雙一流”建設學科名單。“雙一流”建設是中國高等教育領域繼“211”工程、“985”工程之后的又一項國家戰略，舉國矚目，而不論是一流的大學建設還是一流的學科建設都離不開一流的人才培養體制[1-2]。創新型人才是當今世界最重要的戰略資源，培養創新應用型人才，也是高校教學的核心要求和根本目的。但一直以來，我國的創新型人才培養存在重知識輕能力、重理論輕實踐等現象，高校作為創新型人才培養的主要載體，需要轉變教育觀念，以創新作為大學的精神核心和價值追求，在強化理論知識的基礎上，著重強調培養學生創新意識和能力，全面提高學生的綜合素質，幫助學生成為適應當代社會發展需要、具有創新能力和科研實踐能力的高級人才[3]。

1 生物學實驗教學的現狀

1.1 生物學實驗教學的現狀

生物學是一門以實驗為基礎的科學，實驗教學作為培養學生動手能力以及創新能力的重要手段，在生物學的教學體系中起著舉足輕重的作用。在生物學實驗教學體系中，實驗教學的內容仍然是以驗證性實驗為主，整體偏重于對理論知識的驗證、鞏固。實驗教學的過程，絕大多數還是采取老師講解實驗內容、學生按照既定的實驗步驟操作、獲得預期實驗結果的模式。學生在實驗過程中，往往處于被動地位，只動手不動腦，無法發揮學生的主觀能動性，也限制了創新思維的培養。因此設立專門的本科生創新開放實驗室，鼓勵學生從自身專業知識水平和興趣出發，選取相應的科研方向，從事探索性、研究性、創新性的科研實驗，是提高整體實驗教學質量、培養學生獨立操作能力和創造性思維的必經之路，也是研究型大學培養創新型高級人才的成功經驗。

1.2 生物學創新實驗室的類型和運行機制

近年來，國內眾多高校都在積極探索各種適應創新型人才培養的生物學實驗室建設模式。目前，大概可以分成3類：① 以綜合性、設計性實驗為主的開放式實驗室[4]。這一類創新實驗室往往與傳統的教學實驗室結合在一起。在實驗課程的教學過程中，在保證基礎性實驗內容的基礎上，適當增加設計性和綜合性實驗的比重。從現有的教學內容出發，改變以往教師布置實驗步驟、按部就班完成實驗課程的模式，通過教師的引導和啟發式教學，鼓勵學生組成小組或者團隊，查找文獻，提出自己的具有可行性和可操作性的實驗設計思路，并最終完成相應的實驗[5]。② 以科研項目為載體，“導師制”為主要培養形式的創新實驗室模式[6-7]。在我國的研究型高校中，有眾多的高?？蒲袑嶒炇?。這些科研實驗室擁有大量高端精密儀器，從事著大量前瞻性、創新性的科研工作。建立依托科研實驗室的創新實驗室模式，結合具體的科研實驗室研究方向，設置綜合性強、有研究意義和研究前景的設計性實驗項目，聘請相關科研實驗室科研經驗豐富的PI做為學生的指導老師，學生通過查閱文獻資料，自行設計實驗方案和實驗步驟，并最終完成整個實驗過程。相應的實驗成果，可以對接到科研實驗室相應的科研項目中。這個過程既鍛煉了學生分析、解決實際問題的能力，激發了學生的創新性思維，還可以為學生后續的學習和研究奠定一定的項目基礎。③ 以創新設計、科技實踐和研究探索為主題，依托各類競賽項目為主體的創新實驗室模式[8-9]。這一類創新實驗室有別于前兩類分別依托教學和科研實驗室的創新實驗室，是完全獨立地建設的專門實驗室，用于支持和幫助學生參加各種科技類競賽以及各級本科生科創項目活動的平臺。學生以競賽項目或者科創項目為紐帶組建團隊，制訂科研目標和科研計劃，團隊內部合理分工，定期安排任務，定期展開討論。指導老師只負責科研大方向的把握以及實驗室正常運轉的維護，讓學生放開思維，大膽創新，同時也培養了學生的團隊合作精神和管理協調能力。

2 創新開放實驗室的現狀和管理制度

2.1 建設現狀

生物學國家級實驗教學示范中心本科生創新開放實驗室(以下簡稱創新開放實驗室)建于2010年，是一個專門為培養大學生的創新精神和創新能力，提高大學生綜合素質而獨立設置的生命科學類課外科研訓練平臺[10]。實驗室現有使用面積約220 m2，設有學生實驗室區、學習討論區、細胞培養室等多個功能區域。實驗室配備有各類實驗儀器設備200多臺件，包括：紫外、可見光譜分析儀、酶標儀、蛋白核酸分離純化及電泳檢測系統、PCR儀、二氧化碳培養箱、倒置熒光顯微鏡及成像分析系統、超聲波細胞破碎儀、超低溫冰箱、超純水機以及各類高速離心機、恒溫培養箱等實驗配套設備，可基本滿足各類生物化學、分子生物學和細胞生物學等實驗需求。

2.2 創新開放實驗室的管理模式

因為創新開放實驗室的出發點是以課外科技活動為主，實驗室的主體是全校各年級各專業的本科生，所以在建設之初，創新開放實驗室即采用了全年全天候開放的模式，為熱愛生物學、有想法、有思維的學生提供足夠的選擇和支撐。但由此也需要有一套與這樣的開放模式相適應的實驗室管理和運行制度。

(1) 申請準入制度。為了吸引對生物學領域有興趣的學生進入實驗室，同時鼓勵學科的交叉融合和創新，實驗室在建立之初堅持面對全校各專業學生開放的宗旨。即在校的全日制本科生，具備有一定的生物學基礎知識和基本實驗技能的，均可申請進入實驗室進行生命科學類的各類科技競賽項目以及自主創新科研訓練項目[11]。申請人登錄實驗室網頁下載申請表，填寫個人相關信息以及準備進行的科研訓練項目或者科技競賽項目信息，網上遞交由生物實驗中心和開放實驗室進行審核。審核通過后，申請人必須通過實驗中心網站上實驗室安全準入考試系統的考試，即可申請開放實驗室的門卡，具體流程見圖1。

圖1 創新開放實驗室門卡申請流程

在正式開展科研實驗之前，申請人還必須接受開放實驗室的專場安全培訓課程，內容包括：介紹實驗室的基本情況和實驗室內各功能分區；學習實驗室內部管理制度，著重于對儀器、試劑和各種耗材的使用操作規范，強調試劑藥品的規范取用和安全使用，以及實驗室整體安全和衛生情況的維護和保障。

(2) 藥品管理制度。生物實驗的藥品和試劑紛繁雜亂，而且還有不同的保存溫度要求。對于常溫保存的藥品和試劑，創新開放實驗室內設有專門的藥品貯存區域，放置藥品柜收納各類常規化學藥品試劑。與此同時，這些常規化學品根據不同分類級別，采用不同的管理模式：普通化學品，學生可自行取用并在藥品使用登記表上登記；危險化學品，學生則必須在實驗室管理老師在場的情況下方可取用，并在使用表上登記。另一方面，對于需要低溫保存的生物試劑，除了有實驗室公用試劑統一放置的低溫冷柜外，還給各個項目組配置對應的冰箱和冷柜。當實驗過程中需要某些特殊的藥品試劑時，學生可提出申請，管理老師審核通過后，根據具體情況選擇購買方式。

(3) 儀器管理制度。儀器設備是科研項目正常開展的基礎和保障。近年來隨著創新開放實驗室的不斷發展，實驗室內儀器設備的種類和數量也在逐年增加。在準入流程的安全教育中，即首先就儀器的安全正確使用對學生進行培訓。對于常規的普通儀器，如天平、pH計、分光光度計等，以教師講解為主。而對于一些危險性儀器或者大型儀器，如超速離心機、高壓滅菌鍋等，則要求學生不僅要熟悉和掌握它們的操作流程，還必須通過管理老師的考核方可正式使用。

(4) 團隊管理制度。開放實驗室的特點，是學生基本都以科技競賽項目或者自主科研創新項目的形式組成小團隊。為了體現開放實驗室“學生自我管理為主，老師管理為輔”的特點，每個團隊均配備有1或2名小組長，由小組長負責本組科研實驗項目的組織和實施，小組長還需要協助實驗室的管理老師進行實驗室的日常維護和管理。管理老師主要和各組長之間交流溝通，協助解決各小組遇到的各種問題和困難。

(5) 安全管理智能化系統。實驗室的安全管理一直以來都是實驗室管理的重中之重。開放實驗室是一個學生自由度非常高、實驗室全年開放的環境，如何保障實驗室的安全穩定運行，是一個深得探索和研究的課題[12-13]。目前主要通過兩個系統來進行創新開放實驗室的安全管理和維護。① 中心采用了一套感應式智能電子門鎖系統，需要有特定的感應卡才可以開門進入實驗室。將感應卡和校園卡綁定在一起，既不增加學生的額外經濟負擔，又可以通過門卡管理系統和校園卡系統的聯動，清晰地檢索到每一個進入實驗室的學生信息。學生在申請開通校園卡的門卡功能之前，必須經過前述嚴格的申請準入流程，期間需進行安全知識的考試和專題安全講座。② 開放實驗室內安裝了一套全天候全方位的數字化視頻監控系統。攝像頭采用高質量的彩色紅外攝像機，即使在密閉的細胞房這種沒有任何外源光線的封閉環境下，也可拍攝到清晰的畫面。圖像信息的存儲采用了專為安全防范領域設計的嵌入式的網絡硬盤錄像機，具有監視、控制、錄像和存儲等功能。管理老師可通過固定IP地址的授權電腦登錄監控系統，進行遠程地控制和調取監控資料。

3 創新開放實驗室的成果和運行中的問題

生物學國家級教學示范中心本科生開放創新實驗室建立7年以來，共接收了247名本科生的申請，學生來源覆蓋校內絕大多數的理工科專業。在開放實驗室，共計完成了近70項各類學生科研課題和科技競賽項目，每年發表以本科生為第一作者的科研論文約2～3篇，在“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生生命科學競賽和國際基因工程機械大賽(iGem)等競賽中均取得了佳績。

存在的問題：① 一直以來，開放實驗室采用的是手動登記的簽到模式，要求學生登記記錄每日進入和離開實驗室的時間。手動紀錄直觀一目了然，可視性強。但在這些年的實行過程中，逐漸暴露出了一些手動登記記錄的弊端。相對電子簽到，手動紀錄費時費力，學生主觀上比較排斥。與此同時，手動簽到的檢索比較繁瑣，不利于歷史紀錄的查找。與之相應的，儀器、藥品的使用登記也存在同樣的問題。手工登記學生有一個主觀上的惰性，很難堅持。隨著現代電子技術和信息技術的不斷發展，電子簽到登記代替手工登記，已勢在必行，也符合現代學生的特點。如何將電子簽到系統和學生進出入實驗室、儀器的使用以及藥品的取用有機合理地結合在一起，是值得仔細研究和探討的課題[14-15]。② 開放實驗室的全方位全天候監控

系統，為實驗室的安全穩定運行發揮了重要的作用。但是在使用過程中，也暴露出了一個很大的弊端：目前的監控系統設置，只能在固定IP的電腦上查看實時監控或者回放，不僅限制了監控系統作用的進一步發揮，也嚴重影響了管理人員管理的時效性。因此如何對現有的監控系統升級，實現移動終端的實時監控，也是開放實驗室急需解決的一個問題。③ 目前，在創新開放實驗室，普通的化學品試劑，學生可以根據需要自己取用。但也帶來一個管理上的難題，那就是如何準確了解實驗室內化學品試劑的庫存量，以便及時購買補充。目前采取的學生使用登記、老師定時核對檢查的方式，容易出現誤差，造成藥品缺檔，影響科研實驗的進度。

4 結 語

隨著國家對教育投入的不斷增加，高校實驗室的規模和儀器設備等硬件水平有了極大改善。在本科教學實驗室以外，獨立建立和運行一個創新研究型的實驗室，為學生提供一個能夠激發創新思維和熱情、鍛煉創新能力的平臺，也是高等學校生物學實驗教學的一個發展方向[16-17]。而改善和更新現有的實驗室管理制度和運行模式、提高相關實驗室管理人員的專業素質和敬業精神，是保障開放創新實驗室高效良性運轉的關鍵因素。