科研课题全流程模拟在研究生“分子细胞生物学”实验教学中的应用

Application of Full-process Simulation of Scientific Research Projects in the Experimental Teaching of “Molecular Cell Biology” for Graduate Students

摘要

分子细胞生物学是生命科学领域的重要学科，其实验教学是培养研究生科研能力与创新思维的核心环节。针对传统实验教学中存在的重理论轻实践、教学内容固化、创新能力培养不足等问题，该研究以研究生科研需求为导向、能力培养为核心，教学中通过更新实验内容、改进实验教学模式和完善实验考核方式，构建了分子细胞生物学“科研课题全流程模拟”的实验教学体系，显著提升了研究生的实践能力与科研素养。

Abstract

Molecular Cell Biology is an important discipline in the field of Life Sciences, and its experimental teaching is the core link in cultivating graduate students’ scientific research abilities and innovative thinking. In response to the problems of emphasizing theory over practice, solidifying teaching content, and insufficient cultivation of innovation ability in traditional experimental teaching, this study takes the research needs of graduate students as the guidance and ability cultivation as the core. By updating experimental teaching content, improving experimental teaching modes, and perfecting experimental assessment methods, the experimental teaching system of “full-process simulation of scientific research projects” in Molecular Cell Biology was established, significantly improving the practical ability and scientific research literacy of graduate students.

关键词

分子细胞生物学 / 实验教学改革 / 综合性实验 / 大班授课 / 小班辅导 / 论文式实验报告

Key words

Molecular Cell Biology / Experimental teaching reform / Integrative experiment / Large-class teaching / Small-class tutoring / Thesis-style experimental report

医学教育是医药卫生健康事业发展的重要基石。医学研究生作为医学科学发展的后备军，提升和培养其科研能力和创新思维能力至关重要。研究生的培养过程分为两个阶段，一是课程学习阶段，二是学位论文研究阶段。科研思维是发现问题并解决问题的整个心理活动的呈现过程。科研思维的培养需要导师和授课教师的传授，以及研究生在长期实践、提高科研能力过程中的体会和领悟^［1］。通过在课程学习阶段的系统性学习，研究生需掌握基础理论和基本科研实验技术，了解相关前沿知识，形成系统的理论和实践体系，为其科研能力和科研思维的提升和形成奠定基础。

分子细胞生物学是研究生物体内分子水平上的细胞结构、功能的规律性及其相互作用关系的科学，是现代生命科学的前沿学科，也是生命科学应用和研究的基础课程之一。针对西安交通大学医学部（以下简称我校）医学研究生科研能力的培养，我们在已有通识教育—拓展教育—创新能力教育三阶段科研能力立体化培养宏观模式的基础上^［2］，构建以“科研需求为导向、能力培养为核心”的实验教学体系，通过“科研课题全流程模拟”，在更新“分子细胞生物学”实验教学内容、改进实验教学模式和完善实验考核方式方面进行了改革和尝试，初步获得良好效果。

1 医学研究生实验教学现状

目前中国研究生课程主要由公共必修课、专业必修课和专业选修课组成。许多课程局限于理论知识的传授，忽略了对实践训练和科研创新思维的培养^［3］。已有的课程实践内容亦来源于本科生实验教学，属于本科生实验教学的升级，各实验独立开展，实验内容缺乏联系，不利于培养研究生的系统思维能力和创新思维能力。实验教学中，更多地强调实验本身，尽管这种教学方法有助于研究生在实验室中快速取得成果，但从长远看会限制其在医学领域的深入发展。以上各种情况均导致研究生在后期培养过程中，不能灵活运用所学知识进行课题选题和研究设计，同时在科学研究过程中习惯于被动接受现有科研方法和思路，缺乏对新问题的敏感性、探索精神，以及独立思考能力和创新思维能力，无法有效解决实际问题。

既往研究生教学和考核方式大多沿用本科生实验教学模式。首先是带教教师向学生逐一讲解本次实验的目的、实验原理、实验仪器试剂和材料、实验步骤以及预期实验结果，强调实验注意事项。然后通过操作演示，让学生按部就班进行实验操作。实验结束后，将所带班级好的实验结果告知学生。学生按照固有模式书写实验报告。由此，经常会出现实验报告书写敷衍了事，内容雷同，甚至数据造假等现象。同时，研究生授课教师普遍存在教育理念陈旧，重理论轻实践，教学内容未与医学发展同步，授课手段主要以传统课堂讲授为主，实验教学较少，考核方式单一，评估体系不完善等诸多不足^［4-5］。其次，许多高校研究生课程授课教师比例偏低，这些均阻碍了研究生科研思维和创新能力的形成。

此外，研究新生来源广泛，其知识结构、学习能力和研究兴趣等存在较大差异。通过对我校2020级和2024级医学硕士研究生进行调研，其中，毕业于985、211高校的研究生占49.20%；本科阶段没有掌握任何一种分子细胞生物学实验技术的学生占43.10%，掌握1~2种和3种及3种以上实验技术的学生分别占34.50%和22.40%。在实验教学中，部分教师难以适应研究生的不同个性需求，影响了研究生课程的教学质量，不利于研究生综合能力的培养。

2 “分子细胞生物学”课程实验教学内容的更新

综合性实验教学能够模拟一项科研课题的实施框架^［6］。我们依托医学研究生实验教学平台，结合平台设备、实验条件和课时，开展了以“科研课题全流程模拟”的综合性实验教学。将原有独立开展的细胞培养、细胞增殖测定、免疫组织化学实验和细胞凋亡实验技术整合融入“化疗药物顺铂对人宫颈癌细胞的影响及其分子机制”的综合性实验中。实验教学按照科研课题推进的逻辑顺序，使学生顺次规范掌握细胞培养、药物处理、细胞增殖和凋亡改变的常用分子细胞生物学实验技术。同时，在每一项实验进行之前，引导学生思考围绕总问题的解决，选择这一技术的理由和如何合理设置对照组和实验组，使学生了解科学的实验设计。并在实验过程中和得到每一步结果之后，及时带领学生分析原因、提出应对措施和解释实验结果。随着每一步实验和每一个问题的逐步解决，研究生对如何在分子细胞水平上展开科研课题的实施有了整体的思路，并促进了学生对分子细胞生物学相关理论知识和前沿讲座的理解。实验内容的整合得到了带教教师和学生的普遍肯定。2024级研究生（76人，4小班）中，（96.05%±2.65%）的学生认为实验内容与课题需求匹配度高，较2020级研究生（75人，4小班）的（90.64%±2.74%）明显升高。此外，两个年级研究生中100%的学生赞成整合后的综合性实验，认为不仅使学生提升了分子细胞生物学实验操作技能，也加深了学生对分子细胞生物学相关理论知识的理解，培养了学生思考和分析问题的能力，提高了运用所学理论知识解释问题的能力。其中2024级高度赞成人数与2020级高度赞成人数相比，明显提高（69.77%±4.66% vs. 53.36%±4.54%）人。

教学实验中，实验安全、科研道德与伦理教育是培养医学研究生科学素养的重要保障^［7］。针对医学研究生培养目标，学生须在实验室独立完成实验操作。若进入实验室前，忽视了学生安全教育培训，将导致其缺乏实验安全意识，很难形成良好的科研习惯，增加实验室安全事故发生概率^［8］。故我们在实验课之前，专门为学生开设实验安全讲座，系统讲解实验室安全操作管理制度、实验室规划布局、实验室安全操作规程，包括水电安全、气体与火源管理、危险化学品操作、设备使用规范、消毒养护、废弃物处置和日常防护行为准则等，以及应对突发事件的正确处理措施等。提升医学研究生的实验安全意识和应变能力，从而保障后续科学研究的顺利进行。此外，在教学过程中，我们融科研道德与伦理教育于实验授课和引导实验的过程中，如结合医学科学家对肿瘤诊疗难题的不断探索，将医学人文关怀、敬畏生命、坚守初心、不惧艰辛、执着追求、“以科学服务人类”的科研道德意识和伦理素养灌输给学生，引导其树立正确的科研价值观和行为规范，自觉遵守科研规范和道德准则。

3 “分子细胞生物学”课程实验教学方式的改进

既往实验课教学以小班为单位，由一位授课教师参与全程授课讲解和实验跟进。小班教学能够实现全过程教学、启发式讲授和批判式的讨论，也能引导学生对所学内容的理解、记忆和掌握，提高自学、分析和解决问题的能力。然而，小班教学对教师的水平、付出和投入提出了更高要求 ^［9-10］。在研究生授课教师比例偏低、重理论轻实践、学生来源参差不齐等多种因素下，我们按照教育资源最大化的原则，采用了“统一授课，小班辅导”的教学方式。综合性实验每一个环节的理论授课由各小班授课教师轮流讲授，学生实验操作环节由各小班教师、博士助教^［11］和实验技术教师按照1∶1∶1的人员配比持续跟进。在课前集体备课时，要求各级授课人员集思广益，切实保障理论授课讲解全面、重点突出，并确保实验各细节推进顺畅、博士助教充分熟悉实验内容。通过这些改进，减少了教师实验教学的理论授课工作量，确保其精心准备自己主讲综合性实验的内容，充分保证授课质量。与之相适应，教师辅导小班学生实验操作的时间、工作量和精力投入相应增多，加之博士助教和技术组教师参与协助，对研究生在实验操作中存在的问题及时给予答疑和随时纠正，使得教师与学生的讨论和互动显著增加，研究生意见和观点的表达更加流畅，学生之间的互帮互助明显增多，有效地保障了实验教学质量。同时，教师鼓励研究生关注医学领域的热点、难点问题，提高研究生的问题意识和敏锐性，使他们能够迅速把握问题的核心，提出有针对性的解决方案。以上教学方法的改进均有利于培养研究生发现、分析和解决问题的能力和创新思维能力。由此，我们在教学方式上模拟了科研课题进程中“师生共研”的模式，充分激发了研究生的主观能动性，加强了研究生独立向上、批判和勇于创新的科研精神的培养，强化了科研团队协作意识^［12-13］。

2024级研究生各小班学生的实验结果均达到了综合性实验的预期效果。教学方法调研结果显示，有（78.74%±2.06%）的学生首选教师详细讲解和现场演示后学生操作，（68.94%±3.54% ）的学生希望得到操作细节的指导，绝大多数学生希望能高频次得到教师的示范指导。教学效果评价中，有（97.43%±2.96%）的学生认为掌握了本次综合性实验所包含的实验技术，（94.93%±5.07%）的学生认为可以将这些方法直接用于研究课题的实验中，这两组数据均较2020级研究生的（94.66%±4.30%）和（86.77%±9.03%）升高明显。

4 “分子细胞生物学”课程实验考核方式的完善

研究生实施科研课题的过程涵盖学术成果的输出，其中包括学位论文。传统实验课的考核是以学生撰写实验报告、教师予以评阅为主的考核方式。常规实验报告格式包括题目、实验目的和原理、实验过程、实验结果和实验结论。医学研究生在本科学习阶段已经熟练掌握了实验报告的书写。在研究生阶段的培养中，经常出现撰写实验报告敷衍了事，内容雷同、甚至数据虚假等多种不良现象，未能取得应有的教学效果。因此，我们将考核方式改为小论文撰写，旨在模拟研究生学位论文的书写。具体来讲，科研论文式实验报告的格式包括：题目、作者和小组分工、摘要、关键词、前言、材料与方法、结果、讨论、结论、参考文献和致谢。这样不仅保留了常规实验报告的基本要素，而且更为全面地覆盖了学位论文的各要素。科研论文式实验报告从概括总结到提出问题、分析问题、解决问题的设想，到研究方案的设计与实施，再到实验数据的记录、分析、总结和讨论，各个过程均对研究生的查阅文献、分析表达、归纳总结、严谨求实和科学创新等能力的培养和综合素质的提升提出了更高要求。一篇合格的论文式实验报告，要求语言有的放矢，简明扼要；报告结构严谨完整，层层相扣，符合科学逻辑；实验结果呈现完整，分析深入，总结全面，对结果的讨论必须深入且有引申和思考。撰写科研论文式实验报告的过程是研究生融会贯通知识和技能的过程，从多维度、多方向培养了学生思考问题、查阅解析文献、应用知识和技能解决问题的综合科学素养，有利于培养研究生良好的概括能力、发散思维能力和学以致用的能力^［14-15］。从低年级开始模拟培养研究生撰写论文，培养学生文献阅读、论文书写、科研思维等综合科研素养，为日后撰写毕业论文和科研学术论文打下良好基础。

对2024级研究生的调研结果显示，所有学生认为论文式实验报告书写锻炼了研究生对实验结果的整体分析和归纳总结能力，不仅有助于研究生逻辑思维能力和科研思维能力的培养，而且增强了研究生的团队意识和协作精神；超过95%的学生认为该方式可以使研究生熟悉论文格式并锻炼论文撰写能力，开拓知识面和视野，有助于研究生提升查阅专业文献、概括研究结果和探究式思考的能力。常规实验报告到论文式实验报告的改革顺应高等院校实验教学的改革趋势，为毕业论文和科研论文撰写奠定基础。

5 科研课题全流程模拟——“分子细胞生物学”课程实验教学改革的优势与持续更新

在医学研究生的课程学习阶段，我校研究生科研能力的培养呈现通识教育—拓展教育—创新能力教育三阶段立体化宏观培养模式，其中通识教育依托医学研究生教学实验平台，为研究生掌握不同学科课程的实验技术；在此基础上，“高级生物医学技术”课程开拓医学研究生的科研视野，了解新的科研方法并将这些新技术和方法运用到科研设计中，以提高科研水平和质量；进一步小班精品化授课结合前沿技术以组学和交叉学科内容为主进行理论和实践相结合教学，使研究生在学会知识的交叉与整合之中体会科研创新^［2］。因次，我们在通识教育阶段以研究生“科研需求为导向、能力培养为核心”，通过更新实验教学内容、改进实验教学模式和完善实验考核方式，构建了分子细胞生物学“科研课题全流程模拟”的实验教学体系，综合性实验教学模拟一项科研课题的实施框架，纠正了既往实验内容之间缺少联系、只关注实验本身的不足；在三组授课人员工作量基本保持不变的同时，小班教师、博士助教和技术组教师与研究生互动显著增多，模拟了课题进程中“师生共研”的模式；科研论文式实验报告模拟了课题实施中学术成果输出中学位论文的环节；实验安全、科研道德与伦理教育的进一步强化保障了研究生自觉遵守实验安全、科研规范和道德准则。当前，中国医学研究生的培养正处于高质量发展的第三阶段^［16］，更加注重培养质量和对高水平医学人才的培养。我校分子细胞生物学“科研课题全流程模拟”的医学研究生实验教学体系能够全方位、多层面地确保研究生在课程学习阶段综合科研能力的提升和科研创新思维的形成，将为其在学位论文研究阶段和今后的科研工作奠定扎实基础。

2024级研究生的课后调研结果显示，研究生对上述改革举措非常赞同。同时学生们也提出了进一步的教学优化方向。课程内容上，学生对学科前沿技术表现出强烈渴求。尽管在理论课程中设置了前沿学科知识的讲座，但还应在基础技能训练与学科热点、前沿知识之间建立更紧密的衔接。教学资源方面，85.14%的学生希望增加虚拟实验室等模拟训练和关键技术标准化操作视频，这反映了在研究生课程学习阶段建设数字化教学资源的迫切性，也符合医学研究生教育正加快数字化转型的这一趋势^［16］。因此，进一步强化“基础-前沿”的梯度式实验课程设计，同时强化关键技术的数字化情景教学，是我们进一步完善“分子细胞生物学”“科研课题全流程模拟”实验教学的方向。

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