科研轉化實驗體系構建與教學探討

史 影， 周耐明

（浙江大學a.生命科學學院；b.生物學國家級實驗教學示范中心，杭州310058）

0 引 言

生命科學和生物技術是21 世紀引領科學之一，近20 年來，以分子設計、基因組學新技術、生物大數據、基因編輯、免疫治療等突破為代表，生物技術和生物產業都發生了深刻的變革［1-3］。生命科學正以前所未有的速度向前發展，深刻影響并改變著大家的觀念和生活。如何將新穎的科學成果、技術方法及科學理念快速反饋給學生，使當代大學生快速融入科技發展的大潮是高校教學改革的一項重要任務。作為實驗科學，不斷將科研成果向實驗教學轉化是促進實驗教學發展和人才培養的有效途徑［4-6］。但在科研轉化實驗教學的過程中常會在內容、規模、時間和管理等方面遇到難題。本文從科研轉換型高級生化實驗體系建立及教學實踐出發，探討了科研轉化型實驗體系構建及實踐中需關注的問題，并提出了一些建設性舉措。

1 從科研實踐中總結提煉實驗內容

科研實踐往往具有起點高、系統性強、科學思維連貫等特點，轉化為實驗教學有助于培養學生的科研興趣、綜合性實驗能力并拓展解決問題的思路及方法。在確定實驗新內容時，首先充分了解現有實驗教學體系，結合科研實踐，分析查找現有實驗教學體系空白，特別是新穎、重要的實驗方法、技術和科學思路，找到合適的科研模塊切入。接下來將科研模塊的內容根據實驗教學的特點進行提煉拆分，提出實驗方案。結合實驗室實際資源，進一步細化實驗內容、方法和步驟。例如在建立高級生物化學實驗體系之前，首先了解到現有的生化實驗課程內容主要集中于蛋白質純化和性質測定，在蛋白質的功能和信號傳遞方面沒有相關的實驗內容。結合G 蛋白偶聯受體（GPCR））的科研實踐，選擇了GPCR內吞觀察及GPCR 活化后轉錄因子CREB激活的信號通路作為實驗模塊。接著根據實驗的時間及條件，拆分出每一次課的實驗內容，確定觀察蛋白質受體活化、內吞和相互作用的實驗方案和內容，以及胞外信號通過膜受體傳遞到熒光素酶報告基因表達的實驗方案和內容。然后提煉出了整個實驗涉及的質粒構建、細胞培養、細胞轉染、熒光蛋白標記、蛋白質熒光顯微成像觀察蛋白質運動及相互作用以及化學發光儀檢測熒光強度等實驗技術，以及蛋白質參與信號傳遞、轉錄增強因子對DNA轉錄調控、膜受體內吞、蛋白質相互作用等生物化學理論知識點。在實驗內容的細節設計過程中，在實驗條件允許的情況下，盡可能多的包含方法、技術和科學思路的新穎元素［7］。圖1 所示為科研轉化實驗體系建立的流程。

圖1 科研轉化實驗體系流程

2實驗體系建立過程中的可操作性研究

2.1 實驗規模和時間

將科研實踐轉化成教學實驗往往在實驗規模的可操作性上會遇到困難，例如微觀生物學科研往往有“少、精、細”的特點，用量少、要求精準以及注重各步驟細節；而本科生實驗往往人數多，規模大，不容易做到步驟的細致化和連續性。在將科研實踐向教學實驗轉化的過程中，往往需要把實驗規模放大，且保證精準度，在注重基本技能培養的同時加強綜合，因此在實驗設計及時間安排上需要探索其可操作性和合理性。在實踐中，因為涉及細胞培養，所以采用了2 或3 人1 小組、15 ～20 人1 小班教學；因為大部分實驗是連續的，所以利用了學生的業余時間，將實驗時間集中在兩周內完成。實驗內容的設計上保持了精細化要求，但將一些時間跨度大、難度大的步驟做了適當調整。例如含調控元件的載體構建，因為課時原因，學生沒有直接操作，以PPT的形式介紹原理和步驟，保證實驗的完整性；細胞培養需要時間及人員培訓，第1 周實驗學生直接用老師準備的細胞做轉染，并同時開始培訓細胞培養技術，第2 周實驗用的就是學生自己培養的細胞，這樣既學習了有關技術又縮短了實驗周期。在實驗內容和時間的安排上往往需要指導老師來靈活把控，以保持實驗的完整性和學生的充分實踐。

2.2 儀器設備和場地

科研實踐轉化的教學實驗往往是綜合性實驗，一個實驗室的資源可能無力支撐這樣的實驗體系。以高級生物化學實驗為例，涉及分子、細胞和生化3 大塊內容，需要用到細胞培養室，熒光顯微鏡和化學發光儀等設備和儀器的使用，調度了生物化學實驗室、細胞生物學實驗室和顯微鏡工作室一起支撐這個實驗順利開展。因此，在規劃此類實驗時，需整體了解并融合實驗中心的資源，統籌規劃，建立溝通渠道，提前做好儀器設備和實驗場所的準備。有序地進行跨功能實驗室的教學管理過程，也能激發不同功能實驗室的協同工作潛能。

2.3 實驗經費

目前很多高校用于教學的實驗經費還是有限的?？蒲修D化型教學實驗往往會用到較貴重的試劑和器材，從實驗經費的角度考慮，需要事先精打細算，做好預算。在實踐中，實驗試劑均以小分裝的形式發放，計算好每個班每個組的需用量，盡量減少浪費。例如每組發50 mL培養基、10 mL胰酶、30 mL PBS、50 μL轉染試劑等。微量、定量地配給試劑，整個實驗過程所用試劑量都是可控并保證質量的，實驗經費能被控制在合理的范圍內。

3 教學方法改進與實踐

3.1 研究型實驗教學模式實踐

科研轉化型實驗可以結合研究型教學模式（見圖2）去培養科研探索和創新精神［8-10］。科研轉化型實驗往往涉及較多科研背景和科學思路，在實驗過程中可以嘗試將更多的科研元素用于教學實踐中，引導學生做“探索者”的主人。例如課前引導學生查閱背景資料和技術資料，提出一些科學問題，引導學生“情景式”浸入實驗內容，激發學生學習的主動性和興趣。在過程中，設置開放環節，訓練學生技能的同時，學習如何設計實驗，如何提出問題并得到答案，如何獲得科學的可靠數據。實驗后學習如何分析照片及數據，如何用生物統計學方法科學分析實驗結果等。這種研究型教學模式可以使學生的體會更立體和飽滿，極大地提高他們開展綜合性實驗的能力和科學素養。

圖2 研究型實驗教學模式

3.2 多種教學手段結合

科研轉化型實驗具有綜合性強、精準性高的特點，在教學過程中，除了講述與示范外，還可采用多種手段相結合來達到教學目標。例如，對一些關鍵性難度大的操作步驟可以預先制作微視頻，在示范操作之后，可以讓學生反復觀摩。利用云課程、微信、QQ 等軟件手段建立與學生課程中、課程后的實時互動交流平臺，及時提出和反饋問題，分享實驗結果并討論。利用PPT等技術手段，組織學生交流實驗論文與學習感想等。通過這些教學手段，課堂更豐富和富有活力，更能激發學生的科學探索熱情［11-13］。

3.3 設置實驗助手

由于綜合性強、精細度高和難度提升等原因，科研轉化型實驗的準備工作更為繁瑣和復雜，在實驗過程中的指導需求更精準，需要實驗指導老師和實驗準備老師密切配合。有時1 位老師指導會有顧及不暇的時候，在教學實踐中，為了指導得更充分，除指導老師之外，每個班配備1 或2 位研究生助教，不僅在實驗過程中可以給予每位學生適時指導，而且可以和學生充分交流，甚至可以有空間和氛圍去拓展延伸討論，保證實驗教學任務的高質量完成。

4 評價體系

科研轉化型實驗設置的目的是培養具有更高視野、綜合實踐能力和科學探索能力更強的本科生。因此考核評價體系和基礎實驗相比，不僅是關注實驗習慣和過程，更多需要關注學生學習的主動性、科學思考能力和解決問題的能力以及在本門課程中的成長。從基礎實驗到科研轉化型實驗，很多學生的科學思維和整體能力的成長是非常明顯的。同時，還將文獻檢索與匯報，提出科學問題，實驗設計也作為考核內容之一，旨在探索培養學生獨立思考、獨立解決問題的學習方法。

5 結 語

近年來生物科學及技術的發展突飛猛進，如何將新穎的科學思想和實驗引入高校實驗教學，階段性地跟進科學研究的發展是高校實驗教學改革的重要內容之一?？蒲修D化型實驗是更新實驗的重要來源，對于開拓本科生視野、培養先進的科學思維及綜合創新能力都具有重要作用，應該提倡和加強［14-16］。本文從實踐出發，探討了如何將科研一線的科學實踐設計轉化為流暢的、操作性強的本科生實驗，提出了有關科研轉化實驗體系建立的方法及具體實踐舉措，操作性強、學生的參與度及獲得感高，有較好的實踐效果。