摘要:在交叉学科的研究生实验教学环节中以提高研究生的科研、创新能力为目标，以生物医学工程专业生物技术实验课为例进行教学探索。基于科研活动的内在逻辑规律和生物医学工程的学科特点，充分利用现代信息技术，设计了由浅入深、具有内在联系的立体网状实验内容体系，线上线下混合分层次教学模式和全过程多维度的评价方式。通过点单学习、自主设计、自主实验、开放研究等多种方式，解决对不同背景、层次和科研方向的研究生进行科研能力和科研思维训练不足的问题，同时促进学生的个性化发展。将提升学生自主学习能力、构建专业知识和技能教学体系、训练科研思维模式有机融合在一起，获得了良好的教学效果。
关键词:生物技术实验;研究生;线上线下混合教学;分层次教学;交叉学科
0引言
培养科研能力和创新能力是我国研究生教育的核心目标[1]。一方面，研究生是我国科技创新的重要主体，研究生的科研、创新能力与国家所实施的科教兴国和建设创新型国家战略密切相关[2]。另一方面，出于自身定位与对个人未来发展需求，研究生有提高自身科研、创新能力的强烈愿望。科研、创新能力以扎实的理论为基础，体现在善于获取资源并高效学习、发现问题、利用现有知识和工具分析和解决问题(尤其是复杂综合的问题)、发现未知并进行知识创新等方面[3]。因此，研究生实验课要注重加强学生理论联系实际能力、科研思维、创新意识和实践能力的训练和培养，在教学方法上综合利用各种资源和新技术，达到提高研究生科研、创新能力的教学目的。
1研究生实验课现状
传统的研究生培养过程以教师为中心，存在研究生过于依赖老师，缺乏自主学习动力和自主科研精神等问题，导致学生不能建立好理论知识体系与科研实践的联系，缺乏发现问题和解决问题的动力，缺乏自主学习和自主探究的意识[2]。因此，研究生实验教学应进行适当的改革，强化学生自主学习的意识和能力，帮助学生构建本领域扎实的知识体系，培养研究生的科研实践能力和创新能力。
与本科生相比，研究生已掌握了一定的基础理论、专门知识和基本技能，具备了从事科学研究或专门技术工作的初步能力，在教学中更应考虑采用更贴近真实科研场景的综合性、开放性和创新性实验内容，训练研究生的科研创新意识和能力。此外，通过改变教师占主导地位、学生被动学习的传统教学方式，还可以提高学生自主学习、批判性思考、独立科研的能力。为实现这一目的，国内同行进行了研究生综合实验[4]、复杂项目实训[5]、依托科研成果的创新性实验[6]等教学内容改革，也在线上线下混合实验教学[7-8]、师生互动[9]、开放式实验[1]等方面进行了教学模式探索，但是对于学科交叉特性比较强的专业(例如生物医学工程专业)，尚未取得良好效果。主要原因是交叉学科的研究生在本科阶段的知识结构、学术背景、未来的研究领域和方向有很大差别，导致他们对实验课的兴趣点和需求也不相同。因此，如何设计适合研究生特点和需求的教学内容和教学模式，对激发研究生的学习兴趣和主观能动性，帮助学生建立适应其个性化学术发展的知识体系，培养他们的自主学习能力和创新能力十分重要，也是在教学中要解决的主要问题。
通过对自身科研工作和研究生教学工作的不断总结，在交叉学科的研究生实验课中，应针对学科特点和学生科研需求设计贴近科研的具有开放性的复杂综合实验任务，按照科研活动的一般流程和内在逻辑将复杂综合的教学内容合理解构、重组、并单元化，降低实验教学任务的难度，便于学生在有限的课时内完成。因此，将教学内容设计成自主学习、自主设计、自主实验、自主创新模块，使学生在完成任务的同时，体验科研的思路和流程。设计线上线下混合的分层次教学，兼顾教学目标与学生个性化发展需求，激发学生的学习兴趣和主观能动性。将教师作为组织者、引导者、和监督者，学生作为实验教学的行为主体，以培养学生独立探索能力。
2生物技术实验课的教学设计
生物医学工程是一门高度综合的交叉学科，它综合生物学、医学和工程学的理论和方法，解决疾病预防、诊断、治疗和康复中的问题，为保障人类健康服务[10]。生物技术实验课是生物医学工程专业研究生的一门重要实验课，它以生物化学、分子生物学、细胞生物学等学科为基础，交叉性、实验性、应用性强，对于培养研究生生物和医学相关的科研素养和能力极为重要[11]。为服务于生物医学工程专业研究生的培养，生物技术实验课教学需要解决研究生之间知识背景、研究方向差异大(组织工程、医学电子、生物力学、生物材料、医学图像等方向)的突出问题，整合学生专业背景和科研方向的需求。因此，按照本领域科研活动内在逻辑设计教学内容和教学模式，开展基于线上线下混合模式的分层次实验教学探索，提高学生的科研、创新能力和科研主动性。
2.1教学内容设计
综合考虑生物医学工程专业研究生的科研方向和科研需求，设计了在动物细胞中表达外源基因(绿色荧光蛋白GFP)的综合性实验任务作为实验教学内容。在动物细胞中表达外源基因是生物医学工程中常用的科研手段，它需要综合微生物学、分子生物学、细胞生物学、细胞工程学、生物仪器分析等多门专业课的理论知识和实验技能，完成质粒扩增、质粒提取、质粒检测、动物细胞培养、质粒转染、转染效率检测等一系列实验。因此，这个实验更贴近真实科研任务场景，并且各个任务环节紧密联系，具有连贯性和系统性，也具有高度交叉性，方便学生依据自身的背景和将来的科研方向从仪器、材料、方法等环节进行开放性设计研究，向多领域拓展。
在教学实施过程中，根据学科特点和科研工作的内在逻辑，对教学内容合理的解构和重组，以方便复杂综合实验任务的实施，降低教学难度。将整个实验教学划分为自主学习、自主设计、自主实验、和自主创新4个模块，教师综合使用线上线下教学手段引导学生完成实验任务(见图1)。
(1)自主学习模块。目的是帮助研究生通过有效的线上自主学习，建立基本的专业理论技能体系。教师首先根据实验流程将综合实验需要的知识和实验技能分解重组为不同的结构单元(见图2)，包括实验原理、操作方法、仪器使用、实验室规程、文献数据库和问卷等单元。每个单元里包含了完成本实验需要的相关知识点，教师收集各知识点的文献、视频资料，制定设备使用和实验室安全的规程，并制作相关视频，将上述资源上传到课程网站。学生根据自身情况自行安排学习的时间地点，点单式学习。有余力的同学还可以进一步通过文献数据库查找资料，了解每个子实验的拓展内容，使学生分层次学习。为克服学生在线学习中缺乏互动和监督的问题，教师利用问卷星软件，针对各模块要达到的要求设计了问题库[12]。学生通过问卷检验自己的学习效果，有针对性地弥补不足;教师通过问卷分析学生存在的问题[13]，给予个性化指导。本模块对教学内容进行创新设计，通过知识单元解构和个性化指导降低综合设计实验的实施难度，通过分层次学习解决学生背景和基础不一致的问题。
(2)自主设计模块。包括学生自主设计实验方案、课堂讨论，修正实验方案3个环节。学生自由组合，分工合作，在掌握基本知识和技能的基础上，自主查阅文献，利用实验室条件设计实验方案，预先考虑实验中的关键节点及其可能发生的问题。讨论课采用翻转课堂模式[14]，学生在讨论课上展示实验方案，教师对学生们在实验设计中突出的问题进行集中讲解，引导学生在课堂环境中进行对实验设计及关键环节充分讨论。学生在讨论课后继续学习，在对实验有深刻认识的基础上，修正实验方案。自主设计模块引导和鼓励研究生进行主动学习和深度探索。这样，不但培养学生综合运用所学的理论知识、实验方法和实验技能，提高分析问题、解决问题的能力，也有效地锻炼了学生的语言表达能力与组织能力。
(3)自主实验模块。包括学生分工合作完成实验准备、实验开展、数据收集和分析、实验报告撰写。在实验中，学生独立思考，自主实验，对实验的过程展开反思和总结，对学习的过程进行自我评价。教师和助教保证实验室运转，对学生个别指导，但不干涉学生实验。有些学生在实验的某些环节失败，教师引导学生遵守学术道德，如实呈现数据，同时做好失败原因分析，写出改进措施，让学生学会如何正确处理科研中的失败和挫折。本模块的核心是通过自主实验使学生系统地整合所学的理论知识和实验技能，提高知识应用能力和实验能力。
(4)自主创新模块。学生基于不同的学术背景、科研方向和对实验过程的体验，发现仪器、方法等可以改进的地方，查阅资料，自主设计，提出改进和优化方案，老师给予点评。发现问题是科研中至关重要的一步，分析问题和解决问题则是利用已有知识和工具找到答案。本模块的重点是进一步强化学生发现问题，分析问题和解决问题的训练，提高学生自主创新的意识和能力。
2.2教学模式探索
在对实验教学内容设计创新的基础上，设计了线上线下混合分层次实验教学模式，合理分配教师和学生的角色，降低综合实验教学的复杂性，激发学生学习和创新的主动性，引导学生在解决复杂问题时善于发现新问题，创新新手段、新知识。
在实验教学内容设计创新的基础上，设计了线上线下混合实验教学模式，以便改变学生被动接受知识的教学方式，引导学生自主学习。将基础知识和基本技能分解成不同单元，提供丰富的互联网和多媒体资源，建立线上学习效果问卷反馈机制，构建一种灵活、开放、互动的学习环境，引导学生根据自身的专业背景和基础分层次自主学习，建立基本的知识和技能体系。线下教学中搭建供研究生进行创新设计的开放式综合实验平台，组织、引导学生自主设计实验方案、自主实验和自主创新。线上线下教学共同为促进学生的个性发展、培养学生的科研创新能力服务。
在每个教学模块开展分层次教学，通过点单学习、自由组合、自主设计、自主实验、开放研究等多种方式解决对不同背景、层次、和科研方向的研究生进行科研能力和科研思维训练问题，同时促进学生的个性发展。首先，在整个教学过程中按照科研活动的内在逻辑合理设置教学模块，组织和引导学生从自主学习建立基本专业知识和技能体系，运用学到的知识和技能自主实践(设计方案并开展实验)，在科研体验及数据分析基础上学科交叉融合进行创新，环环相扣，层层递进地培养学生的科研和创新能力。其次，在线上教学过程中实现分层次教学，使学生根据自身情况进行菜单式的课程定制，快速补齐短板，构建出合理的知识和技能基础。
相关期刊推荐：《实验室研究与探索》杂志是教育部主管、上海交通大学主办的国内外公开发行的综合性技术刊物，全国高校实验室工作研究会会刊之一。杂志辟有：校长名人谈实验室，21世纪实验与创新，实验教学，实验技术，计算机技术应用，仪器设备研制与开发，实验工艺与技巧，实验室主任讲坛，处长论坛，国家重点实验室，实验室建设与管理，技术物资供应与管理，实习与实训，高职高专实验室等栏目。
在实验教学中合理分配教师和学生的角色，最大限度发挥学生在课程中的主动性和主体作用，也使教师从传统教学的主体作用转变为组织者、引导者和监督者。教师根据实验项目内容及科研内在逻辑规律组织教学内容，设计教学模式，组织学生讨论和实验;结合自己的科研经验与成果，引导学生建立知识体系和科研逻辑，引导学生通过主动学习、主动探索、与老师和同学积极沟通解决问题;监督检查学生的学习进程，并及时给予个性化指导，保证学生顺利完成各模块学习。通过上述措施，使学生由被动接受转变为主动进行知识内化及实践体验，激发学生发现问题、解决问题的主动性和创造性。
2.3评价方式探索
评价方式是正反馈还是负反馈，对影响学生的学习积极性十分关键。一种新的教学模式，必须提供一种新的考核方式，实现学生对学业的正反馈。为提高学生的学习主动性，设计了与线上线下分层次教学模式相适应的成绩考核体系[15-16]，在实验教学中全过程、多维度考核学生的学习过程和能力。针对4个教学模块的关键节点设计多个指标，从自主学习效果、实验方案设计合理性可行性、实验操作和实验素养、数据分析正确性、报告撰写规范、开放设计环节的创新性和可行性等方面对学生进行综合考核。考核标准在实验课前就向学生公布，以考核标准引导学生主动按照教学目标要求完成各项实验任务，帮助学生提高科研创新能力。这种考核方式和指标设计，在完成学业成绩标定的同时，还实现了对学生学习动力和学习意愿的促进。
3实施效果
在教学探索中，线上教学使学生快速建立了基本生物技术知识和实验技能体系。利用先进的信息化手段，将复杂综合的任务分解，重组成相对简单易懂、便于自学的线上学习单元，设计了便于学生和教师检验学习效果的问卷单元，学生根据自身情况以灵活的方式分层次学习，受到学生欢迎。在学校教务处的调查中，学生反映“实验课程真的不仅仅是操作的学习，也还有基础理论的学习和丰富，收获很大”“对生物技术实验———质粒提取到细胞转染等完整的流程有了更深的理解，对实验操作更加熟悉”。
线下教学中，学生在方案设计、讨论、实验、优化各环节充分发挥主动性和创造性，研究生在实验过程中对生物技术的学科特点、科研活动的一般流程和内在逻辑有了深刻理解。学生反映“学习这门课程很有收获，掌握了相关的概念、理论、应用和最新进展，创新意识也有所增强，使我分析问题和解决问题的能力也得以提高”“很庆幸选择了这门实验课，不仅仅学到了一系列实验操作，还明白了实验没结果或者失败是常常出现的事情，让我在科研工作中能够及时调节自己的心态”。
4结语
针对交叉学科的研究生实验教学环节，以提高研究生的科研、创新能力为目标，设计了由浅入深、具有内在联系的立体网状实验内容体系和线上线下混合分层次教学模式，引导和促进学生自主学习、自主设计、自主实验和自主创新，将提升学生自主学习能力、构建专业知识和技能体系、训练科研思维模式有机融合在一起。已取得的教学效果表明，线上线下分层次的研究生实验教学，教学活动中教师学生角色的合理分配，全过程多维度的评价方式，对于保持学生愉悦学习的同时，提高研究生科研、创新能力有重要作用。——论文作者：贡向辉，郑权，孙艳，樊瑜波
