中英高校生物實驗教學(xué)的特點與啟示

葉璐瑤

（韶關(guān)學(xué)院 英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

生物學(xué)是以生物為研究對象，以實驗驗證為基礎(chǔ)的自然科學(xué)學(xué)科.生物學(xué)實驗作為驗證現(xiàn)有生物學(xué)理論知識的方法與手段，同時也是學(xué)生用于探究未知生物學(xué)世界的必備技能，對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實驗操作能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、辯證思維，促進學(xué)生自主發(fā)展具有重要的作用.近年來，隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，各大高校不遺余力地開展實驗室建設(shè)，增加實驗教學(xué)經(jīng)費投入，不斷縮小與發(fā)達國家高校實驗教學(xué)水平間的差距.但由于師生比偏高、設(shè)備數(shù)量有限等客觀原因，仍表現(xiàn)出一定的滯后，很多實驗課程起不到應(yīng)有的教學(xué)效果［1-3］.

筆者曾在英國布里斯托大學(xué)進行為期一年半的學(xué)習(xí)，在此期間完成了多門生物學(xué)專業(yè)實驗課程的學(xué)習(xí)，切身體會到英國高校在實驗室管理、實驗教學(xué)設(shè)計、實驗課程開展等方面有很多獨到之處值得我國高校和老師們學(xué)習(xí)與借鑒.在此客觀地對我國高校與英國高校在實驗教學(xué)方面各自的差異、特點進行比較、分析，希望對我國高校生物教學(xué)取長補短、不斷深化教學(xué)改革有一定的啟發(fā)作用.

1 我國高校生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀

我國目前大部分高校都設(shè)有生命科學(xué)學(xué)院或開設(shè)有生命科學(xué)類課程，但除了如北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等知名重點院校，大部分普通高校由于經(jīng)費有限、師資力量不足、生源結(jié)構(gòu)差異等都面臨著一些問題.

1.1 經(jīng)費、設(shè)備不足

高校生物學(xué)課程中涉及不同門類的實驗，需要用到相應(yīng)的不同的儀器，其中一些高新儀器價格昂貴，在幾十到數(shù)百萬人民幣不等，且更新?lián)Q代迅速，儀器的后續(xù)維護也是一個巨大的問題.學(xué)生一般極少有機會接觸或使用這類高新貴重儀器，學(xué)校往往會采用已淘汰的儀器、設(shè)備或?qū)嶒炦M行簡化來完成教學(xué).同時許多學(xué)校撥付用于生物學(xué)實驗耗材、試劑購買的經(jīng)費也非常有限，如解剖學(xué)實驗、基因工程實驗等需要使用大量生鮮材料或昂貴試劑的實驗課程，往往是捉襟見肘，只能幾組學(xué)生共用耗材，實驗教學(xué)效果受到影響.

1.2 師生比偏高，實驗過程監(jiān)管困難

大部分專業(yè)平均師生比達到1∶17，甚至1∶20 的水平［4］.即使許多學(xué)校開始采用30 人以下的小班教學(xué)，但由于實驗老師缺乏、實驗場所不足等問題，仍會出現(xiàn)1 名實驗老師同時指導(dǎo)40～50 位學(xué)生完成實驗操作的情況.實驗過程中，教師難以對40 個學(xué)生都進行實時的監(jiān)督和指導(dǎo)，許多學(xué)生由于粗心或錯誤操作，導(dǎo)致實驗結(jié)果并不理想.

1.3 驗證性實驗為主、學(xué)生參與程度低

我國高校開設(shè)的大多數(shù)實驗課程為理論知識的驗證性實驗［5］，學(xué)生根據(jù)實驗員準備的試劑、耗材按步驟完成實驗、得到結(jié)果，起不到促進學(xué)生獨立思考的作用.學(xué)生往往4～6 人一組協(xié)同開展實驗，每位學(xué)生實際只能完成實驗的其中一部分內(nèi)容，甚至有學(xué)生全程不參與實驗操作，僅依靠組員獲得的數(shù)據(jù)完成實驗報告.

1.4 實驗室安全管理不完善

很多學(xué)校并未設(shè)置實驗課前的安全教育課程，或只在大一新生接觸第一個實驗前引入安全教育，很多學(xué)生進入大二大三學(xué)習(xí)時已完全忘記安全操作守則，缺乏基本的安全意識.實驗室安全設(shè)施配置不足，如滅火器、防毒面罩等，部分高校院系甚至并未設(shè)置專門的藥品準備室、貯藏室.近幾年出現(xiàn)的各類高校實驗室安全事故及導(dǎo)致的人員傷亡已引起社會各界的廣泛關(guān)注［6-7］.

1.5 課程考核要求較低

大部分實驗課程無明確的預(yù)習(xí)及課前作業(yè)要求.很多課程雖會在課前提供實驗流程、實驗課件等供學(xué)生學(xué)習(xí)，但由于無硬性考核要求，相當一部分學(xué)生不會主動進行課前學(xué)習(xí).這就導(dǎo)致了學(xué)生在實驗課正式開展后仍對實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒灢僮髁鞒桃恢虢?課后提交的實驗報告，除了數(shù)據(jù)、圖表部分，其余基本照抄實驗流程和課件，不進行深入思考.甚至一些學(xué)生在期末操作考試中仍會出現(xiàn)低級錯誤，無法獨立按要求完成實驗操作.

1.6 課時難以滿足教學(xué)需求

部分實驗周期較長，可達幾天甚至數(shù)周，如發(fā)酵工程實驗、分子生物學(xué)實驗等.由于實驗場地有限、指導(dǎo)教師不足，課程組只能通過減少實驗次數(shù)、實驗內(nèi)容來保證實驗課程在教學(xué)周內(nèi)完成.對于部分較復(fù)雜的實驗，僅能通過給學(xué)生板書講解或觀看操作視頻等方式進行教學(xué)，這對于學(xué)生掌握實驗操作技能無疑是不利的.

1.7 新技術(shù)應(yīng)用有限

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前已在我國高校引起重視，并得到一定的發(fā)展，如2014—2015 年間南京大學(xué)與信息公司聯(lián)合開發(fā)的“生物仿真實驗系統(tǒng)”［1］、華中科技大學(xué)建立的“虛擬仿真實驗中心”［8］等.但相較發(fā)達國家而言，國內(nèi)高校虛擬實驗室建設(shè)起步較晚，課程資源、技術(shù)人員等儲備不足.且各系統(tǒng)、平臺的建設(shè)基本以高校為單位進行，互相之間不能兼容、交互，因此難以在全國范圍內(nèi)形成一個能夠有效進行資源共享、信息溝通的生物教學(xué)用虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)，無法獨立建設(shè)本校自用系統(tǒng)的普通高校也難以對這種新技術(shù)、新資源進行利用.

2 英國高校生物實驗教學(xué)的特點

筆者在英國就讀期間，曾在多所英國TOP 10 大學(xué)的生物實驗室進行參觀、交流.英國G5、紅磚六校等老牌知名大學(xué)已有數(shù)十年的實驗室建設(shè)、實驗課程開設(shè)歷史及經(jīng)驗，且都提供完善的網(wǎng)上遠程學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生在任何時間段、地點都可完成相應(yīng)課程的學(xué)習(xí).英國高校生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀如下.

2.1 軟件、硬件設(shè)施完善

英國高校由于政府撥款、入學(xué)學(xué)費較高及企業(yè)財團資助等原因，學(xué)校能夠負擔(dān)起昂貴的高檔設(shè)備、耗材的使用和購買，硬件設(shè)施相對來說更為完善.同時校內(nèi)實驗場所面積較大，并安裝有借用系統(tǒng)，學(xué)生可網(wǎng)上申請?zhí)囟〞r間段內(nèi)使用某個實驗室或某臺貴重儀器.既能保證設(shè)備的利用率，同時也減少了實驗老師管理設(shè)備、維持實驗室衛(wèi)生的成本.通過系統(tǒng)可隨時查看上一次使用實驗設(shè)備的學(xué)生及其使用情況.如學(xué)生有破壞實驗室、損壞儀器設(shè)備的行為，將收到郵件或口頭警告，嚴重者其student ID 將被禁用一段時間，無法進入相關(guān)實驗場所.同時學(xué)生使用實驗室時間亦可作為實驗課程考核的一個參考標準，學(xué)期內(nèi)未按要求進入實驗室的學(xué)生，課程成績記為不合格.實驗樓內(nèi)還設(shè)有專門的飲食區(qū)、討論區(qū)，并放置有自動販賣機，方便長時間進行實驗的師生.

軟件方面，校內(nèi)聘用教師較多，師生比基本在1∶10～1∶15 之間，若師生比超過1∶19，英國政府將停止對該校撥款［9-10］.實驗教學(xué)中，通常1 位實驗教師指導(dǎo)10 位以內(nèi)的學(xué)生.以筆者曾學(xué)習(xí)的神經(jīng)科學(xué)實驗課為例，在指導(dǎo)老師的監(jiān)督下，每次課程每位學(xué)生都要參與實驗過程，逐一輪流上操作臺進行實驗并接受老師的提問.大型實驗室還配備有多個顯示屏，確保坐在任何位置的學(xué)生都能實時看到老師在講臺上的講解和操作.因此學(xué)生的參與度和積極性都是比較高的.

2.2 實驗安全管理、過程管理嚴格

實驗樓大門需要刷ID 卡開啟，若實驗樓內(nèi)發(fā)生安全意外，學(xué)校可以通過攝像頭定位具體位置，并根據(jù)刷卡情況判斷是否有學(xué)生滯留現(xiàn)場，以便及時處理問題.同時各實驗室門口均貼有明確的負責(zé)人信息、課程安排及安全標示.如實驗中會用到鹽酸，則實驗室門上會張貼“corrosive”圖示，非常醒目.部分實驗室內(nèi)一進門設(shè)有洗手區(qū)和存包區(qū)，除實驗手冊、筆等上課所需的物品外都要存放在固定位置，并由老師一一檢查學(xué)生是否穿好實驗服、扎好頭發(fā)后，有秩序的進入實驗室，領(lǐng)取鞋套、醫(yī)用手套、護目鏡等安全設(shè)備.所有人準備完畢后，才可以開始上課.每本紙質(zhì)實驗手冊的第一部分內(nèi)容均為安全須知和實驗守則（safety manner and laboratory rules），所有實驗課的第一節(jié)課都有專門的安全教育時間，部分課程還需要完成課前安全須知習(xí)題.且每學(xué)期學(xué)校都會組織進行消防安全演練.

大實驗的開展與我國類似，教師完成實驗講解后，學(xué)生分組操作.實驗室內(nèi)會有多名實驗教師不斷觀察各組完成情況，并隨機提問，不允許出現(xiàn)學(xué)生坐著發(fā)呆或不參與實驗的情況.而對于小型實驗或高精尖實驗，學(xué)生通常1～2 人一組，教師直接與學(xué)生溝通交流、進行指導(dǎo).學(xué)生不可能無所事事地等著組員完成實驗，教師也能夠更輕易、準確地判斷學(xué)生的知識掌握程度和運用情況.

2.3 課程考核要求較高

英國高校實驗教學(xué)與我國相比，差異較為顯著的一點是：更重視實驗課前自學(xué)（pre-lab study）.以筆者就讀的布里斯托大學(xué)為例，該校自主研發(fā)運營eBioLabs 系統(tǒng)用于生物實驗教學(xué)，該系統(tǒng)囊括了實驗介紹（Experimental information）、實驗課前考察（Pre-lab quiz）和課后作業(yè)（Post-lab assignment）等功能.學(xué)生在每一次實驗課前必須自主學(xué)習(xí)實驗介紹的內(nèi)容并完成實驗課前考察習(xí)題.實驗介紹一般為本次課程的實驗原理、方法、設(shè)備等，通過可交互動畫、視頻等形式展現(xiàn).如移液管介紹，學(xué)生移動鼠標至移液管各部位會彈出相應(yīng)的說明，點擊后出現(xiàn)詳細介紹及使用過程視頻，以幫助學(xué)生更好的理解.實驗課前考察習(xí)題一般由20～30 道選擇題或填空題組成，每人的題目、選項都是隨機的，學(xué)生可反復(fù)作答.未在課前指定時間內(nèi)完成網(wǎng)上系統(tǒng)習(xí)題，或答題分數(shù)未達到70 分的學(xué)生將被禁止進入實驗室，并直接影響期末成績.目的是保證學(xué)生在進入實驗室前已理解實驗的基本內(nèi)容，做好進一步學(xué)習(xí)的準備.

實驗課后學(xué)生需登錄eBioLabs 系統(tǒng)完成課后作業(yè)，通常為涉及到實驗具體操作及實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)的題目.線上完成的所有題目都由系統(tǒng)直接打分并給出答案和反饋，錯題也會顯示相應(yīng)的解釋說明.此外，學(xué)生還需要將課上得到的數(shù)據(jù)套用EXCEL 模板完成一份電子實驗報告并上傳系統(tǒng).實驗報告要求與我國類似，但教師會強調(diào)不允許照抄實驗手冊中的內(nèi)容，并應(yīng)將報告重點放在數(shù)據(jù)分析和實驗結(jié)論上.由于電子材料沒有筆跡差異和涂改痕跡，且系統(tǒng)可自動判定EXCLE 模板中的數(shù)據(jù)，因此教師只需要批閱實驗分析和結(jié)論等文字內(nèi)容，極大地減少了工作量.與我國目前實驗教學(xué)提交紙質(zhì)報告相比，利用eBioLabs 系統(tǒng)，學(xué)生能夠接觸到更多的題目，進一步鞏固理論知識和實驗操作，同時不會加重教師的工作負擔(dān).該系統(tǒng)還可以統(tǒng)計鼠標懸停情況，可得知學(xué)生在哪一道題目上停留、花費的時間最長，以幫助教師更好地確定教學(xué)難點.目前很多英國高校都有使用類似的系統(tǒng)，或多個學(xué)校共用一個系統(tǒng)并共同進行維護.

2.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用廣泛

英國高校同樣面臨生物實驗課時難以控制，實驗資源、設(shè)備有限等問題，尤其是對于細胞工程、基因工程等實驗操作較為復(fù)雜、流程較長的課程，或是解剖學(xué)等材料耗用較多的課程.解決方法是引入各種虛擬現(xiàn)實技術(shù)并在實驗教學(xué)中大量使用可交互的多媒體素材.如建立虛擬實驗平臺，學(xué)生可在平臺上用鼠標將虛擬實驗設(shè)備和儀器逐一連接、調(diào)試、使用，模擬真實實驗過程.不受空間、時間的約束，也不需要使用實驗耗材，在宿舍便可完成部分實驗過程的學(xué)習(xí)［11-12］.

筆者就讀的布里斯托大學(xué)的解剖生理學(xué)課程，在心血管系統(tǒng)實驗課程的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可登陸eBioLabs 系統(tǒng)，查看課程庫中的學(xué)習(xí)材料，如人類和各種動物的心臟3D 模型.學(xué)生可操控模型轉(zhuǎn)動任意角度、觀察任一切面并重新組裝心臟，可查看血液在各血管中流動的先后次序.實驗教師不需要給每位學(xué)生提供一個心臟標本用于觀察，省時省力且能達到更好的教學(xué)效果.而在呼吸系統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)校使用“仿真人”模型模擬人體在特定環(huán)境中的生理指標變化，實驗過程和數(shù)據(jù)實時投影在實驗室各屏幕中，便于學(xué)生觀察.“仿真人”模型系統(tǒng)可通過設(shè)置氣壓、溫度等數(shù)值模擬真人處于高原缺氧低溫環(huán)境中的情況，并展示“仿真人”的呼吸頻率、血壓高低及心率是如何隨時間發(fā)生變化的.

2.5 實驗教學(xué)方式多樣

國外實驗課程安排中驗證性實驗較少，且基礎(chǔ)實驗往往會設(shè)為自學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在網(wǎng)上系統(tǒng)中完成即可.教師教授的實驗課程以探究性實驗為主［5］.即教師提出假設(shè)和問題后，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識設(shè)計并完成實驗.實驗結(jié)果有可能與假設(shè)相悖，學(xué)生需要自行查找資料對實驗結(jié)果進行分析、探究.這有助于培養(yǎng)學(xué)生的理性思維和自主學(xué)習(xí)能力.

3 對我國高校生物實驗教學(xué)的啟發(fā)與建議

我國高校與英國高校在生物學(xué)實驗課程設(shè)置、實驗內(nèi)容和教學(xué)手段等方面有較大的差異.英國公立大學(xué)在實驗室建設(shè)及實驗課程開設(shè)上有很多經(jīng)驗和優(yōu)點值得我國高校取長補短，進一步改善生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀.

3.1 提高實驗設(shè)備利用率

兩國學(xué)校運作形式有較大差異，我國采用歐美國家公立學(xué)校完全自主辦學(xué)的高收費高投入模式無疑是不現(xiàn)實也不可能實現(xiàn)的.那么如何在資源有限且學(xué)生數(shù)量遠高于西方國家的情況下提高教學(xué)效果、使購置的實驗設(shè)備物盡其用可謂是當務(wù)之急.可考慮建立類似的實驗室管理、借用系統(tǒng)，學(xué)生可以自行安排進入實驗室、完成畢業(yè)論文實驗的時間，不至于出現(xiàn)扎堆使用實驗室或?qū)嶒炇议L時間空置的情況.同時能夠減輕實驗員的管理壓力，使其更好地完成常規(guī)實驗準備工作.

3.2 采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)

建立如布里斯托大學(xué)生物系的eBioLabs 系統(tǒng)、化學(xué)系的chem lab 實驗技能仿真實驗室.布里斯托大學(xué)建設(shè)eBioLabs 系統(tǒng)的初衷是發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生未按要求完成實驗課前預(yù)習(xí)，課上僅盲目跟隨教師實驗指導(dǎo)而非真正理解了實驗原理.因此建立該系統(tǒng)敦促學(xué)生完成實驗前準備工作并對實驗課程學(xué)習(xí)情況進行檢驗.根據(jù)布大官網(wǎng)統(tǒng)計結(jié)果，eBioLabs 系統(tǒng)投入使用后，僅生物化學(xué)一門課，院系教職工人均每年減少了25 個工作日的實驗作業(yè)批改、實驗過程監(jiān)管等工作量，學(xué)生的實驗技能掌握情況較之系統(tǒng)投入前也有顯著提高.

虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺建設(shè)初期工作量大且需耗費大量資金，可參考西方多所高校協(xié)同搭建、共同維護系統(tǒng)的做法.系統(tǒng)建設(shè)完成并投入使用后，維護人員每年根據(jù)教師提供的素材、知識點進行更新即可.且該類系統(tǒng)、平臺不受時間地點的限制，師生可隨時隨地登陸學(xué)習(xí)，也可廣泛運用于其他領(lǐng)域或與其他系統(tǒng)進行接駁，建立共享平臺［13］.

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可一定程度解決實驗設(shè)備、耗材不足的問題，并可改善每年大量紙質(zhì)作業(yè)、實驗報告的批改、存放問題，響應(yīng)無紙化號召、節(jié)約開支.同時也讓實驗學(xué)習(xí)過程更為安全可靠，可謂是低成本高效率的教學(xué)手段，對于提高教學(xué)效果、改善并解決我國實驗教學(xué)目前所面臨的一些問題具有重要的意義.

3.3 完善課程考核要求

相對英國高校而言，國內(nèi)實驗課程考核要求較低，學(xué)生達到出勤率并按時提交實驗報告即可通過該門課程.英國高校生物實驗課程考核包括課前作業(yè)、課堂出勤、課后習(xí)題和實驗報告等.其中課前作業(yè)和課后習(xí)題都有一定的分數(shù)要求；出勤需達到100%，特殊情況請假必須在下一學(xué)年補上課程；實驗報告須有詳盡的數(shù)據(jù)分析、討論，并引用文獻.達到以上要求才能夠通過課程并取得一個較好的成績.在這樣的高要求下，學(xué)生實驗技能掌握程度及理論知識的運用能力無疑是更好的.

我國高校應(yīng)根據(jù)實際情況適當提高考核要求，使學(xué)生有學(xué)習(xí)的緊迫感和壓力，而不是隨意應(yīng)付課程；重視課前預(yù)習(xí)的作用，良好的課前準備工作能使教學(xué)達到事半功倍的效果；加大實驗課程中開放性、探究性實驗的比例，使學(xué)生不僅僅是“學(xué)習(xí)”“記憶”還能做到“理解”“運用”.

3.4 加強實驗室安全保障

近年來出現(xiàn)的北京交通大學(xué)環(huán)境工程實驗室爆炸事故、清華大學(xué)化學(xué)實驗室爆炸事故等都與實驗室安全教育缺乏、安全設(shè)施不完善、師生實驗操作未按操作規(guī)程及安全守則進行有密切的關(guān)系.加強實驗室安全教育、完善實驗室安全設(shè)施、提高從業(yè)人員安全意識迫在眉睫.可與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合進行安全教育并定期舉行相關(guān)的安全宣講、培訓(xùn)和逃生演習(xí)活動，提高師生的安全意識和自救能力.