科研转化实验体系构建与教学探讨

史 影， 周耐明

（浙江大学a.生命科学学院；b.生物学国家级实验教学示范中心，杭州310058）

0 引 言

生命科学和生物技术是21 世纪引领科学之一，近20 年来，以分子设计、基因组学新技术、生物大数据、基因编辑、免疫治疗等突破为代表，生物技术和生物产业都发生了深刻的变革［1-3］。生命科学正以前所未有的速度向前发展，深刻影响并改变着大家的观念和生活。如何将新颖的科学成果、技术方法及科学理念快速反馈给学生，使当代大学生快速融入科技发展的大潮是高校教学改革的一项重要任务。作为实验科学，不断将科研成果向实验教学转化是促进实验教学发展和人才培养的有效途径［4-6］。但在科研转化实验教学的过程中常会在内容、规模、时间和管理等方面遇到难题。本文从科研转换型高级生化实验体系建立及教学实践出发，探讨了科研转化型实验体系构建及实践中需关注的问题，并提出了一些建设性举措。

1 从科研实践中总结提炼实验内容

科研实践往往具有起点高、系统性强、科学思维连贯等特点，转化为实验教学有助于培养学生的科研兴趣、综合性实验能力并拓展解决问题的思路及方法。在确定实验新内容时，首先充分了解现有实验教学体系，结合科研实践，分析查找现有实验教学体系空白，特别是新颖、重要的实验方法、技术和科学思路，找到合适的科研模块切入。接下来将科研模块的内容根据实验教学的特点进行提炼拆分，提出实验方案。结合实验室实际资源，进一步细化实验内容、方法和步骤。例如在建立高级生物化学实验体系之前，首先了解到现有的生化实验课程内容主要集中于蛋白质纯化和性质测定，在蛋白质的功能和信号传递方面没有相关的实验内容。结合G 蛋白偶联受体（GPCR））的科研实践，选择了GPCR内吞观察及GPCR 活化后转录因子CREB激活的信号通路作为实验模块。接着根据实验的时间及条件，拆分出每一次课的实验内容，确定观察蛋白质受体活化、内吞和相互作用的实验方案和内容，以及胞外信号通过膜受体传递到荧光素酶报告基因表达的实验方案和内容。然后提炼出了整个实验涉及的质粒构建、细胞培养、细胞转染、荧光蛋白标记、蛋白质荧光显微成像观察蛋白质运动及相互作用以及化学发光仪检测荧光强度等实验技术，以及蛋白质参与信号传递、转录增强因子对DNA转录调控、膜受体内吞、蛋白质相互作用等生物化学理论知识点。在实验内容的细节设计过程中，在实验条件允许的情况下，尽可能多的包含方法、技术和科学思路的新颖元素［7］。图1 所示为科研转化实验体系建立的流程。

图1 科研转化实验体系流程

2实验体系建立过程中的可操作性研究

2.1 实验规模和时间

将科研实践转化成教学实验往往在实验规模的可操作性上会遇到困难，例如微观生物学科研往往有“少、精、细”的特点，用量少、要求精准以及注重各步骤细节；而本科生实验往往人数多，规模大，不容易做到步骤的细致化和连续性。在将科研实践向教学实验转化的过程中，往往需要把实验规模放大，且保证精准度，在注重基本技能培养的同时加强综合，因此在实验设计及时间安排上需要探索其可操作性和合理性。在实践中，因为涉及细胞培养，所以采用了2 或3 人1 小组、15 ～20 人1 小班教学；因为大部分实验是连续的，所以利用了学生的业余时间，将实验时间集中在两周内完成。实验内容的设计上保持了精细化要求，但将一些时间跨度大、难度大的步骤做了适当调整。例如含调控元件的载体构建，因为课时原因，学生没有直接操作，以PPT的形式介绍原理和步骤，保证实验的完整性；细胞培养需要时间及人员培训，第1 周实验学生直接用老师准备的细胞做转染，并同时开始培训细胞培养技术，第2 周实验用的就是学生自己培养的细胞，这样既学习了有关技术又缩短了实验周期。在实验内容和时间的安排上往往需要指导老师来灵活把控，以保持实验的完整性和学生的充分实践。

2.2 仪器设备和场地

科研实践转化的教学实验往往是综合性实验，一个实验室的资源可能无力支撑这样的实验体系。以高级生物化学实验为例，涉及分子、细胞和生化3 大块内容，需要用到细胞培养室，荧光显微镜和化学发光仪等设备和仪器的使用，调度了生物化学实验室、细胞生物学实验室和显微镜工作室一起支撑这个实验顺利开展。因此，在规划此类实验时，需整体了解并融合实验中心的资源，统筹规划，建立沟通渠道，提前做好仪器设备和实验场所的准备。有序地进行跨功能实验室的教学管理过程，也能激发不同功能实验室的协同工作潜能。

2.3 实验经费

目前很多高校用于教学的实验经费还是有限的。科研转化型教学实验往往会用到较贵重的试剂和器材，从实验经费的角度考虑，需要事先精打细算，做好预算。在实践中，实验试剂均以小分装的形式发放，计算好每个班每个组的需用量，尽量减少浪费。例如每组发50 mL培养基、10 mL胰酶、30 mL PBS、50 μL转染试剂等。微量、定量地配给试剂，整个实验过程所用试剂量都是可控并保证质量的，实验经费能被控制在合理的范围内。

3 教学方法改进与实践

3.1 研究型实验教学模式实践

科研转化型实验可以结合研究型教学模式（见图2）去培养科研探索和创新精神［8-10］。科研转化型实验往往涉及较多科研背景和科学思路，在实验过程中可以尝试将更多的科研元素用于教学实践中，引导学生做“探索者”的主人。例如课前引导学生查阅背景资料和技术资料，提出一些科学问题，引导学生“情景式”浸入实验内容，激发学生学习的主动性和兴趣。在过程中，设置开放环节，训练学生技能的同时，学习如何设计实验，如何提出问题并得到答案，如何获得科学的可靠数据。实验后学习如何分析照片及数据，如何用生物统计学方法科学分析实验结果等。这种研究型教学模式可以使学生的体会更立体和饱满，极大地提高他们开展综合性实验的能力和科学素养。

图2 研究型实验教学模式

3.2 多种教学手段结合

科研转化型实验具有综合性强、精准性高的特点，在教学过程中，除了讲述与示范外，还可采用多种手段相结合来达到教学目标。例如，对一些关键性难度大的操作步骤可以预先制作微视频，在示范操作之后，可以让学生反复观摩。利用云课程、微信、QQ 等软件手段建立与学生课程中、课程后的实时互动交流平台，及时提出和反馈问题，分享实验结果并讨论。利用PPT等技术手段，组织学生交流实验论文与学习感想等。通过这些教学手段，课堂更丰富和富有活力，更能激发学生的科学探索热情［11-13］。

3.3 设置实验助手

由于综合性强、精细度高和难度提升等原因，科研转化型实验的准备工作更为繁琐和复杂，在实验过程中的指导需求更精准，需要实验指导老师和实验准备老师密切配合。有时1 位老师指导会有顾及不暇的时候，在教学实践中，为了指导得更充分，除指导老师之外，每个班配备1 或2 位研究生助教，不仅在实验过程中可以给予每位学生适时指导，而且可以和学生充分交流，甚至可以有空间和氛围去拓展延伸讨论，保证实验教学任务的高质量完成。

4 评价体系

科研转化型实验设置的目的是培养具有更高视野、综合实践能力和科学探索能力更强的本科生。因此考核评价体系和基础实验相比，不仅是关注实验习惯和过程，更多需要关注学生学习的主动性、科学思考能力和解决问题的能力以及在本门课程中的成长。从基础实验到科研转化型实验，很多学生的科学思维和整体能力的成长是非常明显的。同时，还将文献检索与汇报，提出科学问题，实验设计也作为考核内容之一，旨在探索培养学生独立思考、独立解决问题的学习方法。

5 结 语

近年来生物科学及技术的发展突飞猛进，如何将新颖的科学思想和实验引入高校实验教学，阶段性地跟进科学研究的发展是高校实验教学改革的重要内容之一。科研转化型实验是更新实验的重要来源，对于开拓本科生视野、培养先进的科学思维及综合创新能力都具有重要作用，应该提倡和加强［14-16］。本文从实践出发，探讨了如何将科研一线的科学实践设计转化为流畅的、操作性强的本科生实验，提出了有关科研转化实验体系建立的方法及具体实践举措，操作性强、学生的参与度及获得感高，有较好的实践效果。