基于培養本科生“先思后行”實驗思維的實驗課程教學改革
——以“分子生物學”實驗課程為例

孟 冬 董碧瑩 曹紅燕 楊 清

（北京林業大學林木分子設計育種高精尖創新中心，北京 100083）

生命科學是研究生命活動及其規律的科學，分子生物學是生命科學的重要組成部分，包含分子生物學實驗技術和基因工程理論知識，具有操作性強、理論與實驗結合緊密、實驗技術較為復雜精細、實驗費用投入較高等特點。該學科新的進展和突破較為依賴新技術的發展和應用，而“分子生物學”實驗課程對于分子生物學學科來說至關重要。在大部分情況下，“分子生物學”實驗課程是高等院校相關專業的必修課程，該課程的教學目的如下。

第一，本科生通過“分子生物學”實驗課程的學習，掌握分子生物學這一領域基本的實驗技術和操作手段，并能獨立完成大部分基礎實驗，為本科生日后從事相關專業工作打下良好基礎。

第二，“分子生物學”課程的開設有利于本科生將分子生物學理論知識具體化、形象化。本科生通過該課程實驗對理論知識進行檢驗和證明，促進本科生將理論知識“自我化”，從而達到對知識真正的理解和掌握。

第三，“分子生物學”課程的開設有助于培養本科生的綜合科研素養、創新能力以及研究性學習思維，有利于本科生體會“發現問題－查閱資料－做出假設－大膽探索－得出結論－驗證假設”這一思路的歷程，從而促進本科生積極的自主思考［1］。

目前，“分子生物學”實驗課程中存在機械式操作，導致本科生只知道跟著教師進行流程化的實驗操作，缺少主動思考的意識。本科教育的核心是培養具有科學精神和自主創新能力的高層次人才，培養本科生創新思維和科學研究能力的基礎是培養其自主思考的能力，所以筆者提出要培養本科生“先思后行”的實驗思維的改革建議。所謂“先思后行”是指在實驗課程教學中，學生對于實驗內容要先有自己的思考，然后再開展具體的實驗操作。

一、“分子生物學”實驗課程教學面臨的問題

（一）教學模式存在局限

目前，“分子生物學”實驗課程的教學模式是預先確定該次課程的實驗內容，然后教師采用PPT課件將實驗目的、實驗步驟以及注意事項等一一列舉，本科生根據教師預先準備好的材料和試劑按照步驟進行實驗操作。這種模式的教學具有一定的優勢，如操作步驟清晰、實驗結果明確、課堂秩序良好和課堂進展穩定等。但缺點是教師和本科生的互動較少、課堂以教師的教為中心、課程教學模式與其他課程基本一致。在傳統課程教學中，大部分本科生只會跟隨教師的思維模式來學習，并不會進行自主思考。本科生只是為了完成該次課程內容而實驗，導致他們大多數缺乏主觀能動性，并且很容易形成依賴性思維［3］，長此以往不利于本科生的自主思考能力的提升。

（二）教學內容單一

傳統觀念認為一門學科的實驗課程應該依附于理論課程，認為兩者應該保持一致，實驗課程的存在僅僅在于驗證理論課程的知識點。隨著現代社會分子生物學這一學科的飛速發展，傳統的教學理念已明顯不能適應目前的實驗課程需求。“分子生物學”實驗課程的存在，不僅僅為了證明“分子生物學”理論課程的觀點，更重要的是為了使本科生掌握相關實驗技術的手段，培養本科生自主思考的科研思維能力，為社會輸送可用的復合型人才。目前，社會各個領域都需要復合型人才，單一的知識體系培養的學生已不能滿足社會的需求［4］。因此，如何設置“分子生物學”實驗課程內容，不僅僅是單一的分子生物學學科的問題，更應該是與其他學科交叉融合的問題。

（三）實驗設備與學科最前沿發展的要求不匹配

俗話說磨刀不誤砍柴工，實驗室建設的加強和分子生物學先進實驗設施的配備對于“分子生物學”實驗課程至關重要。如果本科生使用落后的儀器設備，那么“分子生物學”實驗課程的設置帶給學生的影響將與開設該課程的初衷背道而馳［2］。由于分子生物學技術種類繁多，某些實驗儀器和材料十分昂貴，同時該領域技術手段的發展速度十分迅猛，使得實驗設備的更新速度遠遠不能與之相適應，導致“分子生物學”實驗課程內容的更新無所依托，使本科生對于該課程的學習熱情降低，不利于本科生對實驗內容的思考和掌握。例如，關于“Western Blot”實驗的最后顯影部分內容，傳統的實驗方法需要在暗室中進行操作，該方法成功率較低、技術要求較高、時間久，同時由于操作環境昏暗不利于教師開展教學活動，但如果有一臺全能型凝膠成像儀，本科生將膜放入實驗儀器內，并在該儀器的面板上設定曝光時間等參數，該儀器就可以自動成像。自從北京林業大學引入該儀器后，本科生對這種先進儀器的操作興趣增強，學習積極性顯著提高。

二、“分子生物學”實驗課程教學改革的建議

鑒于當前“分子生物學”實驗課程設置中存在的相關問題，實驗課程組以培養學生“先思后行”的實驗思維為原則，有針對性地提出了3點教學改革建議，見圖1。

圖1 “分子生物學”實驗課程教學改革的思路

（一）以本科生為課堂主導組織教學

在“分子生物學”實驗課程教學過程中，面對教學模式帶來的局限性，該實驗課程組摒棄教師作為課程主導的傳統教學模式，采用以學生為課程主導的教學模式，引導本科生“先思后行”地進行實驗操作，具體實施步驟如下。

首先，教師通過結合分子生物學技術前沿理論知識和文獻報道，讓每一名本科生都融入分子生物學的科學中，并慢慢地引導本科生發現自己感興趣的內容以及當前存在的一些問題。

其次，將本科生分組進行文獻查閱，并討論實驗的思路，同時進行資料的整理和實驗的初步設計，制作成PPT在課堂上展示。

然后，教師將所有本科生的實驗設計進行整合和修改，確定相對完善的實驗設計方案。

最后，教師帶領本科生按照實驗設計方案進行實驗驗證，得到最終的實驗結果。

在該模式下，本科生是教學的主體，教師將其引入到某個分子生物學的科研背景環境中，以適當的實驗目標、實驗材料為基礎，引導其自主思考和準備，最終完成相關的分子生物學實驗。這個實驗不單單是簡單的完成，是本科生在充分的思考與嚴格的實驗操作之后完成的，整個實驗過程充分體現了本科生的思考以及發現、解決問題的思路，推動了本科生保持“先思后行”的學習狀態，培養了本科生“發現問題－查閱資料－做出假設－大膽探索－得出結論－驗證假設”這一整套的思維。這樣的實驗課程，培養了本科生的科學素養，充分發揮了本科生的主觀能動性，可以讓本科生充分了解每一個小的實驗操作在整體實驗中的作用，做到“知其然”還“知其所以然”。同時，前面實驗設計的嚴謹性和周密性會直接影響到后續實驗結果的順利與否，大大增強了本科生對實驗設計的重視程度和責任感，小組合作的方式使本科生在實驗過程中互幫互助、相互監督，培養了他們團隊協作的科研精神和科研思維，為將來從事相關科研工作打下良好基礎。這種教學模式，為“先思后行”能力的培養提供了實施方式。

（二）增加學科交叉的綜合性實驗內容

生物學科發展迅速，要解決某一問題必然涉及多方面的原因，因此未來的分子生物學研究必然也會不斷與相關學科進行交叉與融合。目前的“分子生物學”實驗課程內容，一般一節課只講授某個單獨的實驗操作。雖然能夠較為細致地對本科生講授該內容，但是內容沒有連貫性，使本科生掌握的知識較為片面和松散、缺乏系統性和完整性，對本科生綜合素質培養極為不利［6］。

面對這種情況，“分子生物學”實驗課程開設了學科交叉的綜合性試驗，極大地提高了本科生的創新性研究思維能力。同時，與單一學科實驗相比，雖然學科交叉試驗具有一定的設計和操作難度，對于本科生的知識儲備與思考和操作能力都提出了更高的要求，但也正是如此，更加能夠鍛煉本科生對于所學知識的實際應用和操控能力，培養了本科生勤于思考、獨立創新的綜合技能。例如，“基因的亞細胞定位分析”實驗，將轉基因載體的構建、轉化、鑒定以及激光共聚焦顯微鏡的使用等多種分子生物學的基礎實驗內容聯系起來，促進了本科生將多個知識點融會貫通；“測定已知基因的功能作用和結構信息”實驗，將分子生物學的核酸和蛋白2個方向相結合，培養了本科生多個方向思考問題的能力；“轉基因擬南芥的黃酮含量測定”實驗，含有分子生物學和生物化學2個學科領域的實驗內容，將2個學科進行聯合，啟發了本科生多個角度思考問題。在“分子生物學”課程綜合性實驗中，本科生系統性地學習多個知識點，這些知識點可以串成一個完整的實驗思路。同時，每個實驗項目既相對獨立，又環環相扣，使得整個實驗課程成為一個有機的整體，大大提高了實驗的綜合性，使本科生對分子生物學綜合研究思路有了一個初步的了解。這類學科交叉的綜合性實驗，培養了本科生的科研創新思維以及綜合分析問題的邏輯思維能力，能為社會培養出創新性復合型人才。

（三）合理配置及更新實驗室相關設備

實驗室是完成實驗教學的重要媒介，它在實踐教學中具有重要作用［5］。先進的實驗設備以及配套教學設施的合理配置，能夠增加本科生對于“分子生物學”實驗課程的學習和研究熱情，使本科生能夠接觸到目前分子生物學領域發展的前沿動態和最新研究成果，激發本科生的創新思維和對于未知事物的探索欲望。同時，較為先進的分子生物學研究和教學設備能夠有效縮短相關實驗時間、簡化實驗步驟、提高實驗效率，使本科生有更多的時間去思考實驗本身的設計和研究思路，體會最新的實驗室研究狀態，為“先思后行”思維的培養提供了重要的基礎保障。但目前實驗設備更新速度較為緩慢，因此為解決這一問題，“分子生物學”實驗課程組提出以下3點建議。

第一，在實驗室建設中加大經費投入，增加實驗場地的實驗條件。

第二，各學院之間進行資源共享，使學校內各個學院的儀器設備都可以互相通用，比如北京林業大學各學院的大型儀器均登記在大型儀器開放共享平臺，各個學院均可預約使用。

第三，實驗課程的學習申請擴大至全校范圍，將各個學院實驗課程的申請權限開放至全校，這樣不僅避免不同學院相同學科課程的重復開設，而且有利于全校資源的互享。

三、“分子生物學”實驗課程教學改革的預期效果

分子生物學實驗技術是生物學各分支學科科學研究必備的手段，本科生在入學后學習“分子生物學”實驗課程，熟練掌握基本的分子生物學操作技術，這是生物學本科生快速進入科研氛圍與適應本專業學習節奏的基本保證。實踐是檢驗真理的唯一標準，改變實驗教學模式、更新實驗課程的內容和加大實驗設備的投入和引進，不僅能培養本科生“先思后行”的實驗思維，還能提高本科生主觀能動性、培養科學思維能力、增強求知欲。

（一）以學生為課堂主導組織教學，培養本科生自主學習能力

在目前“分子生物學”實驗課程的教學模式下，本科生大部分都是在被動接受教師講授的知識，很少有自己深入的思考，致使其自主學習能力較差。而采用本科生為課堂主導的教學模式，學生必須查閱相關文獻，對本小組的實驗課題進行背景知識的了解以及最新研究進展的掌握，否則他們無法開展下一步的實驗設計工作。因此，該教學模式推動學生不由自主地對實驗的目的、內容、操作等進行思考，從而激發他們的自主學習動力，提高自主學習能力。

（二）增加交叉學科的綜合性實驗內容，培養本科生科學思維能力

傳統“分子生物學”實驗課程內容具有一定的局限性和單一性，往往只專注于教會學生某種實驗技術，而對本科生的思維能力鍛煉不足。增加交叉學科的綜合性實驗內容，可以促使本科生對某一實驗技術的運用方向有更加寬泛的了解，對不同實驗之間的前后銜接邏輯關系有更加深刻的認識，對不同學科研究領域的交叉地帶的知識有更加廣泛的認知，培養了本科生科學思維的能力。

（三）合理配置及更新實驗室相關儀器設備，增強本科生的求知欲

隨著信息時代的高速發展，人們之間的交流更加密切，人與世界的溝通更加常態化，每一屆本科生對自己學科的最新研究成果、先進儀器設備和常規實驗內容等都比往屆具有更充分的認知。教師使用陳舊的設備和實驗試劑，雖然也能讓本科生掌握必備的實驗技能，但很難點燃他們的學習興趣和求知欲。因此，筆者認為合理配置、更新實驗室相關儀器設備，讓本科生不再“仰視”一些自己聽說過的貴重儀器設備，而是自己真正的動手操作，這將大大激發本科生的學習熱情，增強本科生的求知欲。

總之，只要教師緊跟時代的步伐，持之以恒地不懈努力，使教學方式適應時代的發展以及本科生的迫切需求，就能為社會培養出真正有用的應用型科技人才。