世界一流大學生物技術綜合實驗課程教學特色與啟示
——以賓夕法尼亞大學為例

孫澤陽， 黃 輝， 閆春財

（天津師范大學生命科學學院天津市生物學實驗教學示范中心，天津 300387）

0 引 言

美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania，以下簡稱賓大）是位于美國賓夕法尼亞州費城（Philadelphia）的一所北美頂尖私立研究型大學，在2020 年，U. S. News 發布的世界大學排名中位列16［1）、2）］。該校擁有豐富的教育與科學研究資源，其文理學院、工程與應用科學學院和佩雷爾曼醫學院均開設生物學、醫學相關專業的理論與實驗課程。作為世界一流大學，該校在課程設置、實施、方案等方面已經建立了較為完善的教學體系，側重于以創新力主導學習力，可為我國高校實驗課程的開展提供一些參考和借鑒。

1 賓夕法尼亞大學生物技術綜合實驗課程介紹

生物技術與生物化學工程實驗課程（Graduate Biotechnology and Biochemical Engineering Lab Course，以下簡稱生物技術綜合實驗課程）由賓大工程與應用科學學院實施教學組織與管理，是面向生物技術和生物工程碩士研究生開設的實驗課程之一，于每學年春季和秋季學期各開設一次，每周4 學時（包括理論講解以及實驗操作），持續12 周。不同于國內教學體系，美國大學課程多以小班制（20 ～30 人次/班）模式開設，允許學生跨年級或跨專業進行選課，這也就意味著參加該實驗課程的學生是一個混合群體。

生物技術綜合實驗課程在1 名專任教師和1 名實驗技術老師的共同指導下，搭配兩名生物學相關專業博士研究生作為教學助理（助教，Teaching Assistants，TAs）共同完成。教師于上課前1 周向學生下發電子版學習材料（課件、操作步驟、相關文獻等），要求學生自主進行預習。課堂中，3 名學生為1 組合作進行實驗學習，專任教師會選擇原理性知識點以及學生在預習過程中提出的問題進行針對性講解，助教則協助學生使用儀器或試劑。實驗課結束后，學生需獨立完成相應的實驗報告以及課后作業，月末上交基于4 周實驗的階段性論文，學期末小組成員基于所學實驗技術，查閱相關文獻完成一次課題設計，并以口頭匯報和計劃書的形式在最后一堂課進行展示。教師最終將依據實驗記錄本、實驗報告、作業、論文、課題設計5 方面對學生進行合理的等級評定。

2 課程安排與教學特色

2.1 實驗室安全防范更嚴格

學生必須穿戴好完整的個人防護裝備（即實驗服、手套和護目鏡）才允許進入學校各實驗室，裙裝、涼鞋或其他露腳趾鞋是被嚴格禁止的。值得注意的是，我國學生近視率較高，導致國內高校對于護目鏡的使用要求不高。但事實上，實驗過程中正確佩戴護目鏡或安全眼鏡能夠很好地避免因實驗試劑飛濺對眼睛或面部造成的危害，例如，在制備瓊脂糖凝膠時，需要將配好的粘稠溶液加熱煮沸并充分旋轉混勻至瓊脂糖完全融化，待溫度下降至60 ℃左右時，添加熒光染料（或含有致癌物溴化乙錠［1］）并灌注入制膠槽內。電泳過程中涉及高溫溶液搖勻、傾倒、凝膠轉移至成像儀進行圖像采集等過程［2］，護目鏡的使用可以最大程度地避免由于化學試劑意外噴濺造成的傷害。

2.2 實驗內容的綜合性和連續性更強

生物技術綜合實驗課程涉及的實驗技術類似于我國高校開設的分子生物學和生物化學實驗技術綜合體，但該課程在內容設計上不僅體現了很強的綜合性與連續性，而且緊密結合相關實驗研究進展。例如，分光光度技術、電泳技術和DNA重組技術是常規的生物化學和分子生物學技術，但在國內高校往往作為獨立的個體實驗項目對學生進行培訓。而在賓大，該課程第1 模塊以“構建熒光素酶報告基因載體”為重點，使學生了解這項成熟的技術手段在檢測轉錄因子與目的基因啟動子區DNA相互作用中的意義，給予他們一定的科研思路。第1 次實驗以pUC19 和pGEM-luc 轉染的大腸桿菌DH5α化學感受態細胞為實驗材料，學生首先采用分光光度法對兩種菌液進行細胞計數，隨后完成涂平板、單克隆菌落挑選以及擴增培養的練習。第2 次實驗要求學生首先對培養的菌液進行再次計數，并從大腸桿菌細胞中提取質粒，隨后學生將學習制作DNA水平電泳凝膠并利用Image J軟件［3］檢測所提質粒，最后利用限制性內切酶對質粒特定位點進行過夜酶切。第3 次實驗要求學生對上一次實驗中完成酶切的質粒進行純化處理并連接，選用電泳進行條帶檢測?？梢?，通過這3 次實驗課的學習，學生能夠掌握分光光度法計算細菌數量、標準曲線的繪制、細菌培養及擴繁、質粒提取、質粒雙酶切、DNA 連接、電泳等多方面生物學基本技能以及軟件使用要點。在各節實驗課之間，無論是技術還是實驗材料都持有很強的連續性和重復性，與片段化教學相比，這種模式能夠避免實驗材料的浪費，并在一定程度上增強了學生對實驗的興趣和積極性，培養他們認真負責的學習態度以及掌握融會貫通的學習方法。每次實驗后，學生都需要針對上一次實驗結果與教師進行討論、分析，確保所得結果在下一次實驗中的可應用性，變被動為主動，極大地提升了學生對實驗學習的熱情以及獨立思考的能力。

同時，課程在必要的實驗項目中要求學生設定重復組［4］，如在計算細胞數目時，不同稀釋倍數組設立3個重復，以平均值推測細胞密度。這樣做不僅可以消弭誤差，而且可以讓參與者學會對實驗結果進行比較及規律分析，進一步培養學生在科研探究過程中嚴謹的科學精神和素養。

2.3 綜合性實驗報告更規范

課程要求學生對具有連續性的獨立實驗項目進行整合，并階段性地提交3 篇實驗報告（見表1）。每位學生需要基于期刊論文的標準撰寫實驗報告，即包括摘要、引言、方法、結果與討論、結語、參考文獻及致謝幾部分，圖表則按照權威雜志社提供的規范要求制作（分辨率、字體、圖片尺寸、排版等）（見表2）。此類綜合性的實驗報告能夠引導研究生養成查閱文獻的習慣，逐步提高學術論文寫作水平，同時練習專業作圖技能，為他們后期加入課題組對特定科學領域的某些現象或問題進行合理的闡述奠定基礎。同時，賓大文理學院面向研究生開設學術論文寫作課程（Academic Writing），大部分碩士研究生與博士研究生會選擇該課程系統地學習科技論文寫作，學習論文寫作的基本要求、文章組織結構、寫作手法、句型運用、文獻格式等多個方面，最重要的是學生可以將綜合性實驗報告提交給寫作課指導教師進行批改審閱，起到了積極的雙重效應，為將來從事學術研究并獨立完成學術論文寫作打下基礎。

表1 綜合實驗報告內容

表2 論文格式及要求

2.4 實驗記錄形式靈活

課程要求學生以實驗記錄冊的形式記錄每次的實驗過程，通常包含“實驗目的、材料、方法或操作步驟、結果和討論”等部分，作為學期末核定成績的重要參考之一。值得注意的是，老師允許學生將實驗步驟以小號字體打印的形式整齊的粘貼在記錄本中“方法”欄目中（見圖1），如果有細微的改動標注在旁即可，并不強制學生照搬操作步驟并手抄到記錄冊。若采取手抄步驟的方式，不少學生會將一些繁瑣的句子或表格進行自我簡化甚至刪除。這種形式在一定程度上減少了重復性的抄寫工作，避免了機械性地羅列過程，并且能夠把精準詳細的實驗步驟留存到記錄冊中，從而輔助后續重復實驗的進行。課程更加強調對結果和討論部分的記錄，鼓勵學生在實驗過程中利用手機或成像系統實時記錄實驗現象，如對平板菌落進行拍照或對電泳凝膠進行掃描。后期借助生物學分析軟件（SPSS，Graphpad，Image J等）對數據進行分析，無論是拍攝結果圖還是軟件程序生成的分析圖都要求學生剪切并粘貼到報告冊對應的位置，而不是只簡單記錄實驗數據。實驗記錄冊將作為考核評定的重要參考之一。

圖1 實驗記錄冊范例

2.5 配套課后練習題

每節實驗課后，都要求學生獨立完成相應的1 套練習題（post-lab assignments），作業涵蓋的問題多以引導學生處理實驗數據并最終得到結論而設計，要求學生給出詳細的步驟來闡述其推測的過程。以“酵母蛋白提取與鑒定”一節為例，該小節實驗對應的練習題目有：①基于蛋白標準品濃度和其在560 nm處的吸收值繪制標準曲線；②計算3 組不同處理的酵母裂解液總蛋白濃度（對照組；EGF（表皮細胞生長因子，epidermal growth factor）處理組；EGFR（表皮細胞生長因子受體，epidermal growth factor receptor）阻斷劑處理組）；③分析3 組蛋白濃度相同或不同的原因；④借助Image J繪制蛋白marker log10（分子大小）與遷移距離之間關系的標準曲線；⑤根據酵母乙醇脫氫酶分子量大小，推測其在電泳圖上對應的條帶。

這樣的課后練習題在一定程度上減少了學生“不知所措、知其然而不知其所以然”的現象，增強了學生對原理的理解。遞進式的問題能夠引導學生關注細節，減少對數據處理的畏難情緒，在點滴中培養日后獨立開展科學研究的素養與能力。

2.6 重視教學細節安排

綜合性實驗雖然有助于學生全程參與各個環節，但較為連續的實驗安排會導致學生在原有的課堂學時內無法完成一些有較長時間需求的實驗，如質粒的雙酶切、細菌（平板或懸液）的過夜培養等。故教學實驗室在指定的時間范圍對所有學生開放，學生通過在線預約系統可選擇進入實驗室的時間段，在助教的指導下完成課堂的延伸內容。實驗室的開放機制使學生能夠依托實驗室空間和設備資源，親身參與到每一個實驗環節，加深對實驗設計系統性的認知，全面提升對知識的整合與理解能力［5］。

賓大所有的課程都使用Canvas學習管理平臺，該平臺支持PC 和移動應用，學生可以通過訪問平臺了解所選課程的信息、獲取教師發布的教學內容和課程資源、查看通知公告、提交作業、與討論小組合作交流、在線問答等［6］。例如，在整個實驗課教學過程中，指導教師可以在課前將學習資源以文檔或網絡鏈接的形式上傳至Canvas系統供學生查看；若助教在實驗教學時間外發現儀器內的某小組實驗材料有問題，則可以通過Canvas系統給學生發送即時消息。

2.7 借力助教促進教學效果

理論課和實驗課均配備碩士或博士生研究生助教是美國高校較為成熟的一項教學制度［7］，同時也是西方研究生教育的一種資助方式，學生可以通過助教工作來獲取勞動報酬（均薪為12 ～18 美元/h）。但美國高校助教的選拔極為嚴格，通過博士資格考試的博士研究生或曾經修讀過該課程且成績達到A或A+的碩士研究生才有資格競聘助教崗位，申請成功者需要完成至少1 個學期的培訓并通過考核取得上崗資格。作為教學環節的有力補充，助教的工作內容通常包括：準備教學材料、審核考勤、批改作業、答疑、準備試題、監考閱卷等。

賓大生物技術與生物化學工程實驗課程關注實驗技術培訓，學院通常安排2 名生物學相關專業的博士研究生作為助教輔助教學工作的順利進行，他們提前準備實驗器材及實驗材料，并全程參與每節實驗課、組織學生開展實驗、規范操作步驟、在實驗過程中安排各小組使用實驗儀器以及幫助學生解答作業問題等。助教大多與在讀學生的年齡相仿，擁有不同的文化背景，以“教師和合作同伴”的雙重身份強化對選課學生的指導，輔助教學質量的提升。

2.8 設計性實驗與展示

課程在期末階段要求學生以小組為單位完成一次課題設計并做口頭演示文稿匯報，在課程進行過程中，大部分研究生往往已經進入實驗室并開始接觸所在課題組關注的研究領域和方向。在此背景下，學生利用所學的實驗技術并結合文獻報道設計1 個嚴謹且可行的研究課題。這種自主設計實驗的方式以培養學生科研興趣和素養為出發點，注重培養研究生綜合應用各種技術的能力、團隊合作精神、創新意識，是一種應用“知行合一”理念［8］的探索性體驗，為研究生后續的科學探索工作奠定了基礎。同時，演示文稿展示環節是翻轉課堂教學模式的體現，給予學生鍛煉表達能力的機會。

3 課程體系對我國高校生物學實驗教學的啟示

3.1 課程設計與安排從強化學生科研思維的角度切入

分子生物學、生物化學等生物學分支學科的相關實驗操作技能被廣泛認為是開展生物學科科研工作的重要支撐。目前，我國高校的大部分實驗課程仍以驗證性實驗為主體內容，學生每節課按照實驗步驟按部就班地進行操作，當實驗缺乏連續性時，學生會忽略對結果的思考和過程的分析，認為與下節課內容關系不緊密，于是他們的創新意識和批判性思維會在一定程度上被束縛。尤其是學生從本科階段過渡到研究生階段，無論是心理還是專業知識儲備都需要不斷擴充，并且研究生已經具備了一定的理論和實驗基礎，他們對學校開設的專業實驗課會有更高的期許。雖然，部分高校在實驗教學改革的過程中已經嘗試將測驗考試或小組匯報等因素納入考核評價中［9-11］，但目前來看出勤率和傳統的實驗報告仍是國內大部分院校期末考核的主要指標，從而導致學生自主實驗的動力和參與度不高。

從促進學生綜合能力的角度看，賓大生物技術綜合實驗課程圍繞分子生物學和生物化學相關技術推行模塊化與探究型教學。在課程開設過程中，用串聯式的實驗內容取代驗證性的單一實驗，同時，在習題與階段性論文的輔助下，學生能夠進一步學習數據處理方法和科技文的規范化寫作，實現從本科階段到研究生階段的順利過渡。當前，在我國研究生招生規模不斷擴大的政策下，探索具有一定特色的培養模式，為擬從事科學研究的學生搭建良好平臺是高校與科研院所應持續努力的方向。

3.2 進一步完善教學團隊建設

研究生助教具有學生與教師雙重身份，在搭建教師和學生之間橋梁的過程中，可較好地為實驗教學起到輔助作用，同時也能夠不斷提高自身溝通交流、教學、組織協調、批判性分析等多方面能力。雖然國內大部分高校都設立研究生助教崗位，但助教普遍存在教學能力以及經驗不足的問題，分析原因一方面在于對申請者專業素質和職業素養沒有硬性要求，很多研究生自身的專業技能和知識體系并不過關；另一方面在于整體培訓機制不夠完善，學校很少要求助教在上崗前完成一輪實驗課程的跟進學習，相關部門為課程助教開設的教育學、教育法、心理學等學科講座不多等［12-13］。

通過了解賓大生物技術綜合實驗課程的實施情況，該校助教首先需要通過競聘上崗的方式進行崗位申請，培訓合格后方可深度參與教學過程，這主要體現在他們參與的諸多環節，如課前準備實驗材料與儀器耗材，全程參與實驗過程并對學生的討論給予指導，在學生完成階段性學術論文和課后作業的過程中給予意見、批改等。研究生對于助教的申請積極性更高，被普遍認為是國外高校最有收益的校內兼職，經過訓練確實能夠為即將走入高校從事教學及科學研究工作的學生起到職前發展的鋪墊作用。基于此，國內高?？梢詫⒋T士或博士研究生助教經歷作為研究生培養的重要環節之一，提高配備比例和崗位津貼，最終達到“互利共贏”和強化教學效果的最終目的。

4 結 語

通過對賓夕法尼亞大學生物技術綜合實驗課程的了解，提出了該課程在教學過程中值得學習和借鑒的方面。實驗設計與分析是研究生階段的重要訓練，創新性的科研思維與探究精神是擬從事科學研究工作的學生必不可少的能力，“提出問題—分析問題—解決問題”的過程有利于學生探究思想的形成和逐步發展。世界一流大學在培養模式、文化背景、教學組織、評價體系等諸多方面都與我國高校情況不盡相同，但有很多方面是我國高校值得借鑒的，各高校應不斷加強實驗教學改革，調動教學工作者與學生的積極性，從而更好地培養實踐性創新人才。