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探讨高校生命科学大型设备实验教学模式的创新与改革
摘要：随着高校生命科学大型设备开放和共享程度不断扩大，如何利用大型设备培养学生的实践与创新能力、如何挖掘设备潜能、提高科研支撑水平和加快科研产出等问题亟待解决。经过探索，建立了一套包含15个专题、涵盖技术广泛的大型设备培训和实践教学体系。实践中，不断地在课程个性化方面进行创新，根据学生专业和科研需求差异细化教学内容、分小班个性化教学、学生菜单式选择，同时充分发挥线上教学优势，形成了云端教学与线下课堂教学相辅相成的教学模式，产生了一定的教学效果。
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高校公共实验平台是大型精密设备的共享使用和绩效管理平台。近年来，国家和社会对大型仪器设备开放共享不断提出新的要求[1,2]，如何在保证设备、实验人员和实验过程安全的基础上，更加充分地发挥大型设备的功能、提高有效使用率、提高设备的科研支撑和学生实践能力培养水平就成为大型设备平台管理中的重要问题，国内高校也在进行各种尝试[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。通过教学环节来促进大型设备的使用效率、提高学生实践能力培养效果也是其中的一种尝试[16,17,18,19,20,21]。我学院在公共实验平台的建设和完善过程中，不断思考和实践，突破常规，积极探索大型设备使用的教学方法，建立了一套比较完善的教学体系[22]。在教学实践中，我们根据学科特点、学生专业差异、科研实际需求和学习效果对教学体系不断进行改革和完善，产生了一定的实际效果。
1、传统培训方法与实际需求的矛盾
北京师范大学生命科学学院生命科学实验技术中心成立于2006年，是服务学院学科发展的大型设备共享服务平台。经过多年的建设，截至目前，平台共享的大型设备达到118台套，年使用机时累计数万小时，配备实验技术人员12人。在平台的快速发展过程中，我们遇到过很多问题，其中传统仪器教学方法和不断增加的实际需求之间的矛盾尤其明显。
传统的仪器培训方法，采用的都是仪器管理教师现场讲解使用方法和演示仪器的上机操作流程，数十名学生围着一台机器，根本无法保证所有的学生都能够对设备有全面和深入的了解；同时，由于课堂时间有限，培训中教师通常对仪器的工作原理和技术应用涉及不多或者浅尝辄止，导致大多数学生对设备能解决的科研问题知之不深。对设备缺乏足够的了解就造成了科研效率低下、设备有效使用率不高和仪器故障率增加等现象。
在这种背景下要求我们必须对传统设备培训方法进行改革，建立一种系统、高效的生命科学实验设备与技术培训体系，使学生从设备的工作原理、技术特点到使用方法和应用领域能有整体的掌握和深入的认识，从而提高大型仪器设备的使用效率，开发设备的新功能，降低设备故障率、节约设备运行成本，提升学生的实践能力和水平。
2、建立大型仪器设备相关实验技术教学体系
经过多年的摸索，学院于2012年开设了“生命科学实验技术原理与方法”课程，课程为专业必选课，计3个学分。授课对象主要为一年级研究生[22]。整个课程持续15周，授课人为设备主管教师。设备主管教师共有12位，平均年龄40岁，全部具有博士学位，部分还拥有海外博士后经历，80%具有高级职称。他们具有数年的生命科学科研经历，从事过多年的生命科学大型设备的管理、分析测试服务和相关技术研发工作，并拥有给本科生和研究生讲授实验课的经验。课程还安排了6次校外专家讲座，涉及到的专家主要为生命科学相关领域的学者和知名厂家的技术应用专家，结合最新发表的高水平科研论文，为学生讲解生命科学实验技术的前沿进展及其在科研中的应用[22]。
设备主管教师授课包括14个专题内容(表1)[22]，每周安排2次授课，每次3个课时，第一个课时讲解理论，课程内容力求更贴近科研实际应用，使学生熟悉设备的技术原理；后两个课时教师上机演示和学生上机操作，授课注重原理和硬件、理论与实践、功能和拓展的紧密衔接，同时学生可以了解到设备应用中的常见问题和解决办法；实行分组上机教学(每组10–15人)，确保每个学生都能近距离观看老师的示范、与老师良好互动和上机操作，提高教学效果。整门课程涉及到的大型仪器设备超过80台套，基本涵盖了共享平台中的绝大部分设备。
表1课程内容
3、课程考核和教学效果评价
本课程为考查课，课程结束后会从两方面对学生学习情况进行考核，首先要求学生对课上学习的某一实验技术进行原理和设备应用深入分析，撰写综述或者实验设计报告；其次，课程结束后会对选修过此课程的研究生进行设备理论和上机操作两方面的考核，通过考核的学生才可以注册大型设备网络预约系统账号，自行预约使用设备。教学效果从以下几方面得以体现，第一，由于使用者操作不当引起的设备故障发生率降低，操作的规范性显著提高；第二，学生自行操作能力提高，大型设备的使用率得到提升，近些年大型设备年均总使用机时为25000h，年均预约使用达8000多人次；第三，课后发放匿名学生调查问卷，调查学生对专题内容设置、上机操作安排、教师授课方式和感兴趣的校外专家讲座内容。
4、课程的不断改革与创新
通过几年的授课，我们积累了不少教学经验，但是也产生了一些新的问题。首先，学院有生态学和生物学两个一级学科，相应的宏观方向和微观方向的研究生关注和需要掌握的实验技术和方法是不同的，这样在统一授课的时候宏观的实验技术微观方向的学生不感兴趣，微观的实验技术宏观方向的学生也不关注，就在一定程度上造成了课程资源的浪费，教学效果也会打折扣；其次，尽管我们在上机实践阶段采用了分小组上机的方式，希望每位同学都能获得足够的上机时间，但是由于上机时间只有两个课时，大型仪器设备掌握起来又有一定难度，使得学生感觉上机操作时间仍然不够充裕；第三，理论部分要求教师在一个课时内将设备和技术的原理、应用、结果分析和常见问题的解决办法全部讲解完毕，导致大部分学生感觉内容多，不能全部理解。
针对这些新的问题，结合最新的教学理念和信息技术，近些年来我们对课程的授课方式和课程内容进行了改革和创新。
第一、建立“生命科学云端学习平台”(图1)。主讲教师提前将所有专题的PPT进行讲解录制，录制好的PPT被转换成为视频文件并上传至“生命科学云端学习平台”。我们要求学生在上课之前，通过自己的账号和密码登录平台观看相关视频，学习相关理论，平台还支持在线提问和在线回复功能。云端学习平台的建立使得学生的学习时间更加灵活，学生可以自主安排自己的理论学习时间，针对难度较大的内容，学生还可以通过反复观看讲解、线上提问等方式来解决。对于授课教师也解决了理论课时少、讲解无法深入的问题，教师可以更加合理地安排理论内容讲解的时间、广度和深度。
第二、平行班教学。我们将原来的大班拆分为4个平行班级，每个班级人数不超过25人，每班课程设置包括15–16个专题。上课学生数的减少使得学生有了更多和教师面对面交流的机会，也解决了实验室空间不足导致的教学现场拥挤的问题。专题设置在原有基础上进行了分类和细化，4个平行班级的专题，既各有侧重，又互相补充。比如，把其中一个班级的课程安排为生态学实验技术为主生物学实验技术为辅的模式，将之前的“野生动物无线追踪和行为监测”专题细化为“野外录音与分析”、“动物调查和行为观察”、“动物调查数据分析”、“红外相机与动物追踪”等专题。细化后的专题内容基本涵盖了我院宏观方向研究所需的基本实验技术和设备。同时，针对生态学对部分微观实验技术的需求，我们补充了微滴式数字PCR技术、光谱色谱分析技术、扫描电子显微镜技术等专题。其他3个生物学课程平行班根据不同二级学科的研究需要，在开设基本专题基础上各有侧重(表2)。
图1“生命科学云端实验学习平台”网站截图
表2平行班课程内容
第三、增加学生上机实践时间。由于云端学习平台的建立，使得我们可以将之前两个课时的学生上机时间增加为3个课时；同时，平行班的教学模式使得每班的学生人数减少，这样每个学生上机实践的时间便相应地延长，教师也可以更加细致地演示设备使用方法。
5、大型设备教学功能在本科生实践能力培养中的应用
研究生是科学研究的主体、大型设备的主要使用者，是此课程的主要教学对象。随着国家“双一流”高校建设和创新型人才培养目标的确立，对本科生实践能力的培养提出了更高的要求。大型设备是高校重要的科研和教学资源，如何发挥其在本科生实践能力培养上的作用，我们也进行了尝试，包括：1)在部分原有本科生实验教学课程基础上，将大型设备教学环节加入其中，如在细胞生物学实验课中加入了临界点干燥仪、离子溅射仪和扫描电子显微镜的教学环节；在发育生物学实验课中，加入了基因枪、荧光体视显微镜和冷冻切片机的教学环节，在这些环节中学生们可以学习设备的原理并且亲自上机操作；2)一些对操作要求较高或者暂时无法满足上机需求的大型设备，如全自动蛋白质纯化系统、高效液相色谱仪、气相色谱仪、原子吸收光谱仪和红外吸收光谱仪等设备，我们将其制作成了虚拟仿真教学平台，供本科生模拟操作。
6、结语
大型设备是高校科研工作的重要保障，如何发挥其在学生实践能力培养上的教学作用，得到了愈来愈多的重视，高校开始建立与大型设备相关的教学课程。我学院根据自身大型设备情况，充分考虑生态学和生物学学科特点、宏观研究和微观研究学生的需求差异，建立了覆盖广泛、涉及技术全面、分平行班实施、学生按需选择的教学体系，实践中产生了一定的教学效果。期望我们在这方面的工作可以为兄弟院校提供参考，能够为提高大型设备在学生实践能力培养中的作用提供帮助。
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2020-07-02我要评论
期刊名称：生命科学
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主管单位：中国科学院
主办单位：国家自然科学基金委员会生命科学部,中国科学院生命科学与生物技术局,中国科学院生命科学和医学学部,中国科学院上海生命科学研究院
出版地方：上海
专业分类：生物
国际刊号：1004-0374
国内刊号：31-1600/Q
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创刊时间：1988年
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2020-07-02
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