王 來 耿慧霞 趙海鵬 魏建設(shè)

河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004

神經(jīng)生物學(xué)是生命科學(xué)中探討大腦結(jié)構(gòu)和功能奧秘的一門新的前沿學(xué)科，其研究層面涉及分子、細(xì)胞、系統(tǒng)、行為和認(rèn)知等不同領(lǐng)域。神經(jīng)生物學(xué)自20世紀(jì)誕生后發(fā)展迅速，已經(jīng)成為引領(lǐng)當(dāng)代生命科學(xué)革命的學(xué)科之一，其發(fā)展趨向、速度及水平受到全球?qū)W術(shù)界和政府部門的高度重視。我國的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》把腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)列為我國科技中長期發(fā)展規(guī)劃的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一。美國提出的“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計劃”、歐盟提出的“藍(lán)腦計劃”和日本提出的“腦科學(xué)時代”，以及我國提出的“一體兩翼腦計劃”加速了神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科發(fā)展的步伐，促進(jìn)了近年來神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科知識新的研究進(jìn)展和實驗技術(shù)的不斷涌現(xiàn)。

本科生神經(jīng)生物學(xué)課程是學(xué)習(xí)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的一門基礎(chǔ)性、實驗性、創(chuàng)新性、探索性課程。在實際教學(xué)過程中，應(yīng)該開設(shè)一些必要的實驗課程，采用分子生物學(xué)、生物化學(xué)、形態(tài)學(xué)等多學(xué)科的研究方法，從整體、系統(tǒng)、細(xì)胞和分子等多個層面切入，使學(xué)生深入認(rèn)識和理解神經(jīng)生物學(xué)的學(xué)科知識點，這樣才有利于學(xué)生掌握先進(jìn)的實驗技術(shù)、培養(yǎng)科學(xué)的創(chuàng)新性思維。本研究首先從學(xué)生角度出發(fā)，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查設(shè)置少而精、學(xué)生感興趣的神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程，并在科研實驗室進(jìn)行實驗課的講授和操作，使學(xué)生熟練掌握基本的神經(jīng)生物學(xué)實驗操作技能，以此加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，幫助學(xué)生鞏固和驗證理論知識，提高神經(jīng)生物學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，促使學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)的認(rèn)識從感性上升到理性，并習(xí)得神經(jīng)生物學(xué)課題研究的基本能力。

一、神經(jīng)生物學(xué)課程教學(xué)存在的弊端

目前，國內(nèi)各本科院校開設(shè)的神經(jīng)生物學(xué)課程的教學(xué)基本處在初步探索和不斷改進(jìn)的階段，主要的教學(xué)模式是以基本理論、基本概念講授為主，結(jié)合神經(jīng)生物學(xué)科學(xué)史的闡述，促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解和掌握，偶爾組織本科生參觀神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)的科研實驗室，極少開設(shè)本科生參加的神經(jīng)生物學(xué)實驗課程。由此可見，目前本科生神經(jīng)生物學(xué)課程的講授不利于學(xué)生掌握現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)研究的實驗方法和技能，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，不利于學(xué)生創(chuàng)新型思維的發(fā)展。因此，本課題在分析本科神經(jīng)生物學(xué)教學(xué)不足原因的基礎(chǔ)上，研究設(shè)置神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程的教學(xué)內(nèi)容，從細(xì)胞（神經(jīng)元）—腦—整體三個維度安排實驗，引導(dǎo)學(xué)生在分子—細(xì)胞—整體三個層次以及符合漸進(jìn)性認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上深刻理解神經(jīng)生物學(xué)理論知識，并將這些知識貫穿到探索性實驗課中，使學(xué)生掌握神經(jīng)生物學(xué)的理論知識，熟悉神經(jīng)生物學(xué)的實驗技術(shù)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生具備科學(xué)性、創(chuàng)新性思維的教學(xué)目標(biāo)。同時，在探索性實驗課程教學(xué)過程中，可以結(jié)合國家、省市和本校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，抓住建立生命科學(xué)學(xué)院全院本科生導(dǎo)師制的契機，吸納學(xué)生參與到實際項目中，進(jìn)一步鞏固他們所掌握的神經(jīng)生物學(xué)理論知識和實驗技能，提高他們對神經(jīng)生物學(xué)的興趣，激發(fā)他們的科研潛能和培養(yǎng)他們的科研思維。

二、神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程的教學(xué)研究

神經(jīng)生物學(xué)作為一門實踐性很強的學(xué)科，在教學(xué)內(nèi)容體系上強調(diào)從理論探討到實驗驗證、再到探索新知識的過程，循序漸進(jìn)、步步為營，使學(xué)生逐步掌握該學(xué)科的理論知識和實驗技能。探索性實驗課程以學(xué)生為起點和主體，讓學(xué)生自行選擇課題項目、提出假說、執(zhí)行實驗操作，最后進(jìn)行結(jié)果分析，充分體現(xiàn)學(xué)生對某個學(xué)科問題的探索性和主動性。設(shè)置探索性的實驗課程，有利于學(xué)生將理論知識與具體實驗過程結(jié)合起來，有利于學(xué)生將理論知識遷移到學(xué)科問題的解決上，更有利于學(xué)生深入理解神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，初步掌握神經(jīng)生物學(xué)的基本實驗方法和操作技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性意識和思維。

（一）探索性實驗課程內(nèi)容的設(shè)置

在課堂教學(xué)授課過程中，通過Blackboard網(wǎng)絡(luò)課堂、雨課堂、班級群等線上平臺，結(jié)合課堂理論講授的進(jìn)度發(fā)布相關(guān)的實驗課程項目，如原代神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞的培養(yǎng)和鑒定、大腦發(fā)育過程的觀察、大腦結(jié)構(gòu)觀察和解剖、突觸和樹突棘標(biāo)記與分析、學(xué)習(xí)記憶能力檢測等。課下讓學(xué)生在充分理解理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己對神經(jīng)生物學(xué)的興趣選擇合適的探索性實驗課程內(nèi)容，再由教師根據(jù)學(xué)生線上的選擇結(jié)果來設(shè)置實驗內(nèi)容并安排相應(yīng)的實驗。同時，根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)研究的最新進(jìn)展，教師也可將新出現(xiàn)的神經(jīng)生物學(xué)實驗技術(shù)在課堂上通過視頻、圖片等方式分享給學(xué)生，并讓學(xué)生自主選擇感興趣的實驗技術(shù)進(jìn)行收錄，如光遺傳學(xué)技術(shù)、神經(jīng)組織透明化、病毒標(biāo)記神經(jīng)環(huán)路示蹤、新型超高分辨率高通量顯微鏡技術(shù)、腦機接口技術(shù)、計算神經(jīng)科學(xué)技術(shù)和類腦計算芯片技術(shù)等。

（二）探索性實驗課程的教學(xué)模式

探索性實驗課程的教學(xué)模式應(yīng)體現(xiàn)出其探究的獨特性。首先，本實驗課使用的教室不同于常規(guī)本科生實驗課程使用的教室，而是我院的校級重點科研實驗室——河南大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究所，并安排本科生與研究生共同完成一個感興趣的實驗，讓本科生參加真正的科研訓(xùn)練，以培養(yǎng)其良好的科研習(xí)慣，從而避免一般本科實驗走馬觀花、淺嘗輒止的類似于參觀的實驗課堂形式。其次，實驗課的授課過程借鑒了前期我們“基于‘微課—翻轉(zhuǎn)課堂’的分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革初探”教改項目的部分研究成果。在實驗課程開始前，發(fā)給學(xué)生與實驗相關(guān)的研究文獻(xiàn)，讓學(xué)生仔細(xì)研讀文獻(xiàn)，同時對實驗過程先進(jìn)行預(yù)習(xí)和熟悉，從多個方面翔實解讀本次實驗涉及的理論知識、需注意的實驗細(xì)節(jié)和實驗的關(guān)鍵步驟等；在實驗的過程中，由于實驗內(nèi)容是學(xué)生根據(jù)自己興趣選擇的，他們對實驗流程保持著極大的研究興趣，因此會認(rèn)真地操作實驗、仔細(xì)地體會實驗過程、敏銳地捕捉實驗結(jié)果，同時注意觀察各種異常情況、做好實驗記錄工作；在實驗結(jié)束后，要求學(xué)生結(jié)合前期預(yù)習(xí)時了解到的實驗背景知識和自己在實驗過程中體會到的心得、觀察到的實驗結(jié)果，繼續(xù)查找相關(guān)文獻(xiàn)并深入研讀，寫出融合課程理論知識、文獻(xiàn)閱讀理解和實驗過程心得的綜合性實驗報告。結(jié)合文獻(xiàn)閱讀進(jìn)行的探索性實驗課程教學(xué)模式，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的文獻(xiàn)閱讀習(xí)慣，提高其閱讀能力，還能促使學(xué)生將所掌握、了解的理論知識運用到實驗過程中。對于因?qū)嶒灄l件限制而不能開設(shè)的探索性實驗項目，如光遺傳學(xué)技術(shù)、神經(jīng)組織透明化、神經(jīng)環(huán)路示蹤、新型超高分辨率高通量顯微鏡技術(shù)、腦機接口技術(shù)、計算神經(jīng)科學(xué)技術(shù)和類腦計算芯片技術(shù)等，可利用慕課、微課以及視頻展示和討論相結(jié)合的方式分組認(rèn)真觀看、學(xué)習(xí)和討論，做出詳細(xì)的學(xué)習(xí)報告，并繪出思維導(dǎo)圖，爭取認(rèn)識和熟知這些最新的實驗技術(shù)。

（三）探索性實驗課程與科研項目的結(jié)合

以河南大學(xué)為例。任課教師作為指導(dǎo)教師指導(dǎo)我院的高年級學(xué)生進(jìn)行河南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“EET 促進(jìn)APP/PS1 小鼠神經(jīng)元樹突棘形成的機制研究”的研究工作。這項研究用到Morris 水迷宮實驗來檢測小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力的變化。Morris水迷宮實驗是探究實驗動物對空間位置感和方向感（空間定位）的學(xué)習(xí)記憶能力以及其他記憶相關(guān)神經(jīng)功能的重要研究方法，廣泛應(yīng)用于學(xué)習(xí)記憶、老年癡呆、智力與衰老、新藥開發(fā)/篩選/評價、藥理學(xué)、毒理學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、動物心理學(xué)及行為生物學(xué)等多個研究領(lǐng)域。因此，在神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程內(nèi)容的調(diào)研和設(shè)置階段，教師特意將Morris 水迷宮的實驗內(nèi)容添加到線上選擇和投票選項中，而大部分學(xué)生都選擇了這個實驗內(nèi)容作為神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程的內(nèi)容。在實驗過程中，學(xué)生熱情高漲，每個學(xué)生都積極參與實驗，詢問多個關(guān)于實驗原理以及與記憶相關(guān)的神經(jīng)生物學(xué)理論知識。通過Morris 水迷宮實驗研究，學(xué)生充分認(rèn)識和理解了以海馬為核心的大腦邊緣系統(tǒng)在學(xué)習(xí)記憶方面的重要性，結(jié)合前面對“大腦結(jié)構(gòu)觀察和實踐”的探索性課程內(nèi)容，學(xué)生可以很容易地將學(xué)習(xí)記憶這種大腦的高級功能與大腦的解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，實現(xiàn)對神經(jīng)解剖理論知識的理解，并遷移到對功能的認(rèn)知中。通過Morris 水迷宮實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生自己可以設(shè)計或進(jìn)行一些與探討學(xué)習(xí)記憶等神經(jīng)功能相關(guān)的實驗項目。

（四）探索性實驗課程的考核

探索性實驗課程內(nèi)容的設(shè)置和選擇是在調(diào)查學(xué)生的興趣愛好后進(jìn)行的，由此決定了在實驗課程的教學(xué)過程中，學(xué)生可以充分發(fā)揮主觀能動性，展現(xiàn)出極大的熱情和興趣。因此，我們提出了以匯報或綜合性實驗設(shè)計為核心的考核方式。這兩種考核方式由學(xué)生根據(jù)自己的興趣、愛好和熱情，以及對知識的熟悉程度任選其一，且此成績占總成績的50%，而卷面成績占40%，平時成績占10%。匯報是學(xué)生以自己所感興趣的探索性實驗課程內(nèi)容為核心制作課件，并對全班同學(xué)講授對這些實驗課程原理的理解、實驗操作過程的關(guān)鍵步驟和注意事項、對實驗結(jié)果的科學(xué)分析等，并接受全班學(xué)生和教師的質(zhì)疑、提問，最后教師根據(jù)綜合匯報過程中學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)知識的運用情況、對探索性實驗過程的理解和對質(zhì)疑問題的解答情況給出成績。綜合性實驗設(shè)計是學(xué)生根據(jù)所學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)理論知識和探索性實驗課程中學(xué)習(xí)到的實驗技能，自己提出與神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)的科學(xué)問題，選擇合適的實驗方法，設(shè)計科學(xué)合理的實驗方案，初步預(yù)測可能取得的實驗結(jié)果，寫出一篇綜合性的實驗報告，再由教師根據(jù)實驗報告反映出的學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)理論知識理解和運用程度、對實驗方法選擇的精確程度，給學(xué)生一個考核分?jǐn)?shù)。這兩種考核方式，無論哪一種都體現(xiàn)了學(xué)生對所學(xué)知識的輸出，體現(xiàn)了學(xué)生真正對神經(jīng)生物學(xué)理論知識和實驗方法的理解與應(yīng)用程度；而匯報課件和綜合實驗報告內(nèi)容制作的精細(xì)、完整程度體現(xiàn)了學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)態(tài)度。因此，這兩種考核方式能充分體現(xiàn)出學(xué)生在神經(jīng)生物學(xué)學(xué)習(xí)過程中的主動性、積極性、參與程度和主體角色，對培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和綜合能力有很大的好處。

三、神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程教學(xué)效果評價

（一）學(xué)生評價

學(xué)期結(jié)束后，我們通過網(wǎng)絡(luò)問卷的方式對神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程的設(shè)置和實踐情況分別從學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果、對實驗技能的掌握和提高三個方面進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果顯示，96%的學(xué)生認(rèn)為探索性實驗課程的學(xué)習(xí)提升了他們對神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科的興趣，93%的學(xué)生認(rèn)為探索性實驗課程的學(xué)習(xí)提高了他們的神經(jīng)生物學(xué)課程成績，97%的學(xué)生認(rèn)為探索性實驗課程的學(xué)習(xí)有利于他們對實驗技能的掌握和提高。綜合分析，高達(dá)95%的學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程持有正面評價。因此，從學(xué)生角度出發(fā)選擇少而精的探索性實驗課程，不僅可以增強學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，還有利于學(xué)生掌握基本實驗技能、培養(yǎng)良好的實驗習(xí)慣，并促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性意識和思維的培養(yǎng)，可以對其加以推廣。

（二）教師評價

在了解到學(xué)生對神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)知識具有強烈興趣的基礎(chǔ)上，有針對性地開設(shè)相應(yīng)的探索性實驗課程，并與相關(guān)的科研項目相結(jié)合，在內(nèi)容設(shè)置、授課模式和考核方式等方面不同于一般的本科生實驗課程，最終在學(xué)生的熱情度、參與度、主動性和持久性等方面優(yōu)于常規(guī)的實驗課程。通過與學(xué)生的交談可知，神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)過的基礎(chǔ)理論知識，還有利于培養(yǎng)學(xué)生主動參與實驗的意識和綜合實驗操作能力。探索性實驗課程嘗試將實驗教學(xué)項目與教師的科研項目、最新的學(xué)科研究進(jìn)展相結(jié)合，創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科知識、較早參與科學(xué)研究活動，有利于提高本科教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和主觀能動性，使學(xué)生較好地適應(yīng)日后的科研工作和滿足社會需求。

建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的“雙一流”建設(shè)是我國高等教育在建設(shè)中國特色社會主義階段的重大戰(zhàn)略決策?！半p一流”建設(shè)的具體任務(wù)之一是“培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責(zé)任心，富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”。河南大學(xué)一級學(xué)科生物學(xué)是國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科，神經(jīng)生物學(xué)又是生物學(xué)下的二級學(xué)科，近幾年在國際國內(nèi)“腦計劃”項目的驅(qū)動下發(fā)展得非常迅速。因此，神經(jīng)生物學(xué)探索性實驗課程的設(shè)置和實踐有利于學(xué)生掌握神經(jīng)生物學(xué)實驗技術(shù)、實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合，更有利于學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)，從而落實“雙一流”學(xué)科建設(shè)培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的任務(wù)。