神经生物学探索性实验课程的设置与实践研究

王 来 耿慧霞 赵海鹏 魏建设

河南大学生命科学学院，河南 开封 475004

神经生物学是生命科学中探讨大脑结构和功能奥秘的一门新的前沿学科，其研究层面涉及分子、细胞、系统、行为和认知等不同领域。神经生物学自20世纪诞生后发展迅速，已经成为引领当代生命科学革命的学科之一，其发展趋向、速度及水平受到全球学术界和政府部门的高度重视。我国的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》把脑科学与认知科学列为我国科技中长期发展规划的前沿科学领域之一。美国提出的“推进创新神经技术脑研究计划”、欧盟提出的“蓝脑计划”和日本提出的“脑科学时代”，以及我国提出的“一体两翼脑计划”加速了神经生物学学科发展的步伐，促进了近年来神经生物学学科知识新的研究进展和实验技术的不断涌现。

本科生神经生物学课程是学习神经系统结构和功能的一门基础性、实验性、创新性、探索性课程。在实际教学过程中，应该开设一些必要的实验课程，采用分子生物学、生物化学、形态学等多学科的研究方法，从整体、系统、细胞和分子等多个层面切入，使学生深入认识和理解神经生物学的学科知识点，这样才有利于学生掌握先进的实验技术、培养科学的创新性思维。本研究首先从学生角度出发，通过网络调查设置少而精、学生感兴趣的神经生物学探索性实验课程，并在科研实验室进行实验课的讲授和操作，使学生熟练掌握基本的神经生物学实验操作技能，以此加深学生对所学知识的理解，帮助学生巩固和验证理论知识，提高神经生物学课程的教学质量，培养学生的学习兴趣和创新思维，促使学生对神经生物学的认识从感性上升到理性，并习得神经生物学课题研究的基本能力。

一、神经生物学课程教学存在的弊端

目前，国内各本科院校开设的神经生物学课程的教学基本处在初步探索和不断改进的阶段，主要的教学模式是以基本理论、基本概念讲授为主，结合神经生物学科学史的阐述，促进学生对理论知识的理解和掌握，偶尔组织本科生参观神经生物学相关的科研实验室，极少开设本科生参加的神经生物学实验课程。由此可见，目前本科生神经生物学课程的讲授不利于学生掌握现代神经生物学研究的实验方法和技能，不利于培养学生的科研能力，不利于学生创新型思维的发展。因此，本课题在分析本科神经生物学教学不足原因的基础上，研究设置神经生物学探索性实验课程的教学内容，从细胞（神经元）—脑—整体三个维度安排实验，引导学生在分子—细胞—整体三个层次以及符合渐进性认知规律的基础上深刻理解神经生物学理论知识，并将这些知识贯穿到探索性实验课中，使学生掌握神经生物学的理论知识，熟悉神经生物学的实验技术，以达到培养学生具备科学性、创新性思维的教学目标。同时，在探索性实验课程教学过程中，可以结合国家、省市和本校大学生创新创业训练计划项目，抓住建立生命科学学院全院本科生导师制的契机，吸纳学生参与到实际项目中，进一步巩固他们所掌握的神经生物学理论知识和实验技能，提高他们对神经生物学的兴趣，激发他们的科研潜能和培养他们的科研思维。

二、神经生物学探索性实验课程的教学研究

神经生物学作为一门实践性很强的学科，在教学内容体系上强调从理论探讨到实验验证、再到探索新知识的过程，循序渐进、步步为营，使学生逐步掌握该学科的理论知识和实验技能。探索性实验课程以学生为起点和主体，让学生自行选择课题项目、提出假说、执行实验操作，最后进行结果分析，充分体现学生对某个学科问题的探索性和主动性。设置探索性的实验课程，有利于学生将理论知识与具体实验过程结合起来，有利于学生将理论知识迁移到学科问题的解决上，更有利于学生深入理解神经生物学的基础理论知识，初步掌握神经生物学的基本实验方法和操作技能，培养学生创新性意识和思维。

（一）探索性实验课程内容的设置

在课堂教学授课过程中，通过Blackboard网络课堂、雨课堂、班级群等线上平台，结合课堂理论讲授的进度发布相关的实验课程项目，如原代神经元或胶质细胞的培养和鉴定、大脑发育过程的观察、大脑结构观察和解剖、突触和树突棘标记与分析、学习记忆能力检测等。课下让学生在充分理解理论知识的基础上，结合自己对神经生物学的兴趣选择合适的探索性实验课程内容，再由教师根据学生线上的选择结果来设置实验内容并安排相应的实验。同时，根据神经生物学研究的最新进展，教师也可将新出现的神经生物学实验技术在课堂上通过视频、图片等方式分享给学生，并让学生自主选择感兴趣的实验技术进行收录，如光遗传学技术、神经组织透明化、病毒标记神经环路示踪、新型超高分辨率高通量显微镜技术、脑机接口技术、计算神经科学技术和类脑计算芯片技术等。

（二）探索性实验课程的教学模式

探索性实验课程的教学模式应体现出其探究的独特性。首先，本实验课使用的教室不同于常规本科生实验课程使用的教室，而是我院的校级重点科研实验室——河南大学神经生物学研究所，并安排本科生与研究生共同完成一个感兴趣的实验，让本科生参加真正的科研训练，以培养其良好的科研习惯，从而避免一般本科实验走马观花、浅尝辄止的类似于参观的实验课堂形式。其次，实验课的授课过程借鉴了前期我们“基于‘微课—翻转课堂’的分子生物学实验教学改革初探”教改项目的部分研究成果。在实验课程开始前，发给学生与实验相关的研究文献，让学生仔细研读文献，同时对实验过程先进行预习和熟悉，从多个方面翔实解读本次实验涉及的理论知识、需注意的实验细节和实验的关键步骤等；在实验的过程中，由于实验内容是学生根据自己兴趣选择的，他们对实验流程保持着极大的研究兴趣，因此会认真地操作实验、仔细地体会实验过程、敏锐地捕捉实验结果，同时注意观察各种异常情况、做好实验记录工作；在实验结束后，要求学生结合前期预习时了解到的实验背景知识和自己在实验过程中体会到的心得、观察到的实验结果，继续查找相关文献并深入研读，写出融合课程理论知识、文献阅读理解和实验过程心得的综合性实验报告。结合文献阅读进行的探索性实验课程教学模式，不仅能够培养学生良好的文献阅读习惯，提高其阅读能力，还能促使学生将所掌握、了解的理论知识运用到实验过程中。对于因实验条件限制而不能开设的探索性实验项目，如光遗传学技术、神经组织透明化、神经环路示踪、新型超高分辨率高通量显微镜技术、脑机接口技术、计算神经科学技术和类脑计算芯片技术等，可利用慕课、微课以及视频展示和讨论相结合的方式分组认真观看、学习和讨论，做出详细的学习报告，并绘出思维导图，争取认识和熟知这些最新的实验技术。

（三）探索性实验课程与科研项目的结合

以河南大学为例。任课教师作为指导教师指导我院的高年级学生进行河南大学大学生创新创业训练计划项目“EET 促进APP/PS1 小鼠神经元树突棘形成的机制研究”的研究工作。这项研究用到Morris 水迷宫实验来检测小鼠空间学习记忆能力的变化。Morris水迷宫实验是探究实验动物对空间位置感和方向感（空间定位）的学习记忆能力以及其他记忆相关神经功能的重要研究方法，广泛应用于学习记忆、老年痴呆、智力与衰老、新药开发/筛选/评价、药理学、毒理学、预防医学、神经生物学、动物心理学及行为生物学等多个研究领域。因此，在神经生物学探索性实验课程内容的调研和设置阶段，教师特意将Morris 水迷宫的实验内容添加到线上选择和投票选项中，而大部分学生都选择了这个实验内容作为神经生物学探索性实验课程的内容。在实验过程中，学生热情高涨，每个学生都积极参与实验，询问多个关于实验原理以及与记忆相关的神经生物学理论知识。通过Morris 水迷宫实验研究，学生充分认识和理解了以海马为核心的大脑边缘系统在学习记忆方面的重要性，结合前面对“大脑结构观察和实践”的探索性课程内容，学生可以很容易地将学习记忆这种大脑的高级功能与大脑的解剖结构联系起来，实现对神经解剖理论知识的理解，并迁移到对功能的认知中。通过Morris 水迷宫实验的学习，学生自己可以设计或进行一些与探讨学习记忆等神经功能相关的实验项目。

（四）探索性实验课程的考核

探索性实验课程内容的设置和选择是在调查学生的兴趣爱好后进行的，由此决定了在实验课程的教学过程中，学生可以充分发挥主观能动性，展现出极大的热情和兴趣。因此，我们提出了以汇报或综合性实验设计为核心的考核方式。这两种考核方式由学生根据自己的兴趣、爱好和热情，以及对知识的熟悉程度任选其一，且此成绩占总成绩的50%，而卷面成绩占40%，平时成绩占10%。汇报是学生以自己所感兴趣的探索性实验课程内容为核心制作课件，并对全班同学讲授对这些实验课程原理的理解、实验操作过程的关键步骤和注意事项、对实验结果的科学分析等，并接受全班学生和教师的质疑、提问，最后教师根据综合汇报过程中学生对神经生物学知识的运用情况、对探索性实验过程的理解和对质疑问题的解答情况给出成绩。综合性实验设计是学生根据所学的神经生物学理论知识和探索性实验课程中学习到的实验技能，自己提出与神经生物学相关的科学问题，选择合适的实验方法，设计科学合理的实验方案，初步预测可能取得的实验结果，写出一篇综合性的实验报告，再由教师根据实验报告反映出的学生对神经生物学理论知识理解和运用程度、对实验方法选择的精确程度，给学生一个考核分数。这两种考核方式，无论哪一种都体现了学生对所学知识的输出，体现了学生真正对神经生物学理论知识和实验方法的理解与应用程度；而汇报课件和综合实验报告内容制作的精细、完整程度体现了学生对神经生物学课程的学习态度。因此，这两种考核方式能充分体现出学生在神经生物学学习过程中的主动性、积极性、参与程度和主体角色，对培养他们的创新精神和综合能力有很大的好处。

三、神经生物学探索性实验课程教学效果评价

（一）学生评价

学期结束后，我们通过网络问卷的方式对神经生物学探索性实验课程的设置和实践情况分别从学习兴趣、学习效果、对实验技能的掌握和提高三个方面进行了调查。结果显示，96%的学生认为探索性实验课程的学习提升了他们对神经生物学学科的兴趣，93%的学生认为探索性实验课程的学习提高了他们的神经生物学课程成绩，97%的学生认为探索性实验课程的学习有利于他们对实验技能的掌握和提高。综合分析，高达95%的学生对神经生物学探索性实验课程持有正面评价。因此，从学生角度出发选择少而精的探索性实验课程，不仅可以增强学生对神经生物学学科的学习兴趣、提高学生的学习成绩，还有利于学生掌握基本实验技能、培养良好的实验习惯，并促进学生创新性意识和思维的培养，可以对其加以推广。

（二）教师评价

在了解到学生对神经生物学相关知识具有强烈兴趣的基础上，有针对性地开设相应的探索性实验课程，并与相关的科研项目相结合，在内容设置、授课模式和考核方式等方面不同于一般的本科生实验课程，最终在学生的热情度、参与度、主动性和持久性等方面优于常规的实验课程。通过与学生的交谈可知，神经生物学探索性实验课程的学习有利于学生巩固学习过的基础理论知识，还有利于培养学生主动参与实验的意识和综合实验操作能力。探索性实验课程尝试将实验教学项目与教师的科研项目、最新的学科研究进展相结合，创造适当的条件引导学生深入学习相关学科知识、较早参与科学研究活动，有利于提高本科教学质量，提高学生的创新能力和主观能动性，使学生较好地适应日后的科研工作和满足社会需求。

建设世界一流大学和一流学科的“双一流”建设是我国高等教育在建设中国特色社会主义阶段的重大战略决策。“双一流”建设的具体任务之一是“培养具有历史使命感和社会责任心，富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才”。河南大学一级学科生物学是国家“双一流”建设学科，神经生物学又是生物学下的二级学科，近几年在国际国内“脑计划”项目的驱动下发展得非常迅速。因此，神经生物学探索性实验课程的设置和实践有利于学生掌握神经生物学实验技术、实现理论与实践的结合，更有利于学生创新性思维的培养，从而落实“双一流”学科建设培养拔尖创新人才的任务。