美国大学生物学跨学科实验教育改革的创新经验

范 蕾(北京理工大学 生命学院实验与教学中心，北京 100081)



·国外实验室·

美国大学生物学跨学科实验教育改革的创新经验

范 蕾
(北京理工大学 生命学院实验与教学中心，北京 100081)

美国哈维穆德学院针对理工科学生开设了生物学跨学科实验。这种教学模式增加了学生对跨学科实验的兴趣，符合与国际接轨的现代高端人才的培养模式。同时，比较中美两国生物学跨学科实验教育模式，对我国传统的生物实验教育中存在的问题进行分析，提出我国今后生物学跨学科实验教学改革的方案，从教学方法、实验内容、实验资源管理和运行机制等几个方面着手，以便提高我国生物学跨学科实验的教学质量。我国大学要根据其实际发展的特点，吸收、借鉴美国大学开设生物学跨学科实验教育的有益的教学经验、探究适应我国大学生物学跨学科实验教学模式的道路，为培养我国创新性、复合型多学科高端人才而不懈努力。

生物学跨学科实验； 教学改革； 实验教学

0 引 言

科学技术突飞猛进使美国大学生物学实验的教学模式也随之相应地发生重大改变。美国大学充分发挥其大学专业涉及面广、多学科教师资源充沛、跨学科研究机构网络化完善、学术群体层次多，这些有利条件为美国大学开设跨学科实验提供了良好发展环境[1]。

跨学科实验具有学科间优势互补的特点，跨学科实验内容可让学生感受到探索性学习的方式，并激发学生探究其它新学科领域的求知欲，这种淡化学科间界限、学生亲自设计实验假设、验证假设是一种把理论联系实践的最有效的教学方式，开阔学生的专业视野。

大学生物学跨学科实验要与国家、社会的发展相契合，教师可以跨学科实验教学的方式，强化学科内涵、延伸学科外延、开拓跨学科实验教学的研究领域、健全和改进跨学科实验教学的方法、培养和激发学生创造性思维、培养创新型精英人才[2]。

1 生物学跨学科实验教育改革的创新经验

哈维穆德学院(Harvey Mudd College，HMC)是美国一所具有科学、工程、数学等多个学科领域的私立精英大学，美国《新闻与世界报道2008》把HMC列为“美国最好的大学之一”[3]。HMC是被誉有“小常春藤”之称的优秀文理学院，其优秀学术排行位列美国大学中的第十四位，是美国大学里考取博士学位的学生比例最高的一所学校。HMC的课程内容难度非常大，考试评分相当严格，学生需要对学业投入很大的努力才能完成[4]。

HMC建立跨学科实验的目的是把多学科技术的核心统一、整合教育资源、把不同学科的教育经验应用在跨学科的实验中。

1.1 合理整合各学科实验

跨学科实验普遍存在于美国大学本科实验教学课程中。HMC的教师和科研主任非常坚定地支持跨学科生物学实验，大学从1999年开设跨学科实验。HMC把从事物理、化学、生物学、地质学的教学和科研人员集中起来，让各个学科的教师精选出具有学科代表性、有现实应用意义和将来研究前景的学科实验。教师将这几种学科的实验内容整合起来，然后设计新的跨学科实验[5]。表1列出六个跨学科实验，每个实验至少涉及到两个学科的内容。

每个生物学跨学科实验至少是整合两个学科的概念和技能。任何有关在实验课中所讲述到的、可以衔接相关学科的内容，都可以在HMC教师编写的实验预习和练习手册中查到。HMC所设计的生物学跨学科实验是在调查研究的基础上进行反复论证，以达到实验的可行性、跨学科性的特点[6]。

1.2 具有学科兼容性、创新性和学科延展性

专家组教师认为跨学科实验研讨会必须作为实验设计的一个重要组成部分。主持实验的专家组教师要 不断寻找好的实验项目并拓展实验学科间的兼容性，最后达到实验的目标使开发新实验的教师愿意不断地为之努力。

HMC组织跨学科实验的专家组教师一致认同跨学科实验内容应不断保持可持续性，参与实验设计的教师应来自更多专业学科领域[7]。因此，2000年HMC组织参与实验研讨会的教师又扩展到研究航天学、数学、计算机科学、经济学领域的教师和工程师。

为了使生物学跨学科实验必须具有良好学科延展性和创新性，主持实验工作的专家组教师给参与实验指导教师解答关于实验设计过程中的疑惑，使实验指导师熟悉实验内容和获得研发新实验的经验[8]。

1.3 合理规划和整合各学科的教学、科研资源

HMC实验设计的教师经反复讨论和验证，把大学中的教学和科研资源再次重组，决定学生使用小型的和相关院系现有的设备，控制生物学跨学科实验成本。

1.4 跨学科实验对学生所学习专业程度要求

在HMC学习生物学跨学科实验的学生必须在大学一二年级学习完普通生物学、普通化学、普通物理学、计算机科学、工程学、高等数学课等理论课程。大学三年级学生才有资格申请做生物学跨学科实验。学生用跨学科实验替代大学里要求必修的普通生物学、普通化学、普通物理实验课。

1.5 合理安排生物学跨学科实验时间

HMC认为跨学科实验的教学时间应安排在一个学年时间长度的时间里，学生才能更有时间逐步、深入地了解各个学科之间的联系[9]。

HMC开设的每个跨学科实验时间持续3周，共有18个学生参加(9对实验组)。这些学生全身心地投入精力做实验[10]。实验课程每次持续4 h。学生在前两周做实验，全同班学生在第三周一起参加关于实验数据统计、分析和讨论。教师指导学生学习Kaleidagraph和MathCad软件，以用于处理、分析数据、绘图。教师要求学生在实验期间必须做完整的实验记录，每个学生要在每个实验结束完成实验报告且做个简短的书面报告。实验指导教师要求全体学生把实验报告、分析记录都要绑定在一个实验室的电脑里，为了方便以后的学生把原始数据输入计算机后，会得到数据分析曲线和表格。将来教师会参考这些数据，分析实验中出现的各种问题并对今后实验进行改进。教师根据电脑中所存的数据给学生的实验成绩打分。每个实验组的学生做完各自的实验后，就轮换着做其他组的实验内容。生物学跨学科专家组教师会长期跟踪、调查、评估跨学科实验课程内容对学生发展的影响。

1.6 实验手册的编写及教师与学生互动教学平台

HMC的教师所编写的生物学跨学科实验预习和练习手册中介绍了大量的实验材料。学生在每次做实验前必须完成实验预习中的练习作业。HMC建立的跨学科实验网站是一个非常重要的教学互动平台，学生在平台上可下载实验预习作业并以电子邮件的方式提交作业答案给指定的辅导教师。教师留实验预习作业的目的是为了让学生了解不同专业学科的背景知识，让学生在做实验时可以做到心中有数、掌握实验理论要点、用理论联系实际问题和学会分析实验结果。教师鼓励学生在实验中以电子邮件的形式向教师提问题，这样教师可以随时动态地解决实验中出现的问题，进而推动实验顺利进行。

2 HMC设计生物学跨学科实验意义和特点

HMC设计的生物学跨学科实验有非常重要的意义和特点。

2.1 HMC设计生物学跨学科实验的两层意义

(1) 生物学跨学科实验的内容是随着科学和技术的进步而不断变化的，其实验内容会以某个学科为主的形式展开。学生研究跨学科实验内容的核心会以围绕某个学科的研究课题而展开，也可以围绕多学科的研究中所涉及的通用设备或数据库，都是“无边界的开放式课题”且有的放矢，不会以固定化的某一种模式永远优于其他模式的方式进行。

(2) HMC设计跨学科实验的专家组教师会整合多个学科的专业知识，让学生从多个专业维度分析问题、得出研究问题的结论。

2.2 HMC生物学跨学科实验的特点

(1) HMC所开设的跨学科实验内容具有原创性，是由实验内容所涉及各个学科的教师一起研发而成。其中表1中实验1、2、4、6里的所有内容完全是根据HMC教授提供其科研成果制定的研究方案。这种跨学科实验的教学方式是一个把科学研究与实验教学相结合的成功案例。

表1 生物学跨学科实验

(2) 生物学跨学科实验打破学生对一些实验技术、技能会受到学科界限限制的固有思维模式，让学生看到现代科学技术和理论是可以转化为实际应用而且科技与基础科学和工程间的关系是纽带式而非离散式。教师开设跨学科实验初衷是让学生有机会接触学生所学专业以外、其他多个学科的科学技术，让学生把科学与工程教育之间看作一个连续、统一体而不是割裂性的事物关系[11]。

(3) 生物学跨学科实验指导教师认真准备实验。实验指导教师会在每年的春季学期做实验设计和预实验。实验的设置和规划的关键是实验设计教师要有效地利用夏季学期这个时间段。在第一次教师见面的例会中，教师会从各个学科(生物学、化学、物理学、地质学等)中选取一些基础性的、最具代表性的实验做演示性实验给参加设计实验的教师观摩，目的是为了让跨学科的实验拓展性强、具有学科间可融合性和具有研发新实验的可能性[12]。在此实验演示期间，教师会进一步讨论实验内容。因为每个实验有专业学科所强调的重点，所以每个跨学科实验中至少有两名不同学科专业背景的教师负责指导专业实验。

3 启 示

从上述内容可以看到，美国大学开设跨学科生物学实验有很多有益的经验值得我国大学学习和借鉴。

3.1 改变生物科学研究与本科实验教学相脱节现实

我国现在部分大学本科的实验教学内容还没有完全与科技接轨[13]。世界的科技在以与时俱进的速度快速发展，但是我国的实验教学方式还相对保守。有以下原因导致本科生的实验与教师的科学研究没有很好的结合：

(1) 本科教学与科研实验设备间没有建立有效的共享管理和使用机制[14]。

(2) 我国大学建立对本科教学、国家未来科研发展新方向有推动作用的各类跨学科研究机构还不多[15]。

(3) 我国的部分大学还没有认识到建立跨学科研究机构将对一个国家发展重要战略有重大影响[16]。

我国设有生物专业的大学应根据自身发展条件逐步建立与其大学特色专业相关的跨学科研究机构，特别是与国防、农业、医药、新材料、新能源等相关的学科。因为这些跨学科研究机构所研究的内容会涉及到国计民生、关乎国家未来发展，具有战略意义。

现代社会中的任何关乎国家科技发展进步的问题都具有高度的综合性、多学科交叉性的特点，因此不能依赖以单一学科研究的模式去解决问题，大学必须组织跨学科的合作研究才能解决复杂问题。我国大学作为高级人才培养的殿堂有义务为国家培养与国际发展接轨的高端人才而更重要的是大学教育应与国家的科技发展、应用紧密相连[17]。

3.2 创新、丰富实验内容

我国现阶段大学中的部分实验内容涉及的学科比较单一，验证性的实验较多，无法拓展学生的思路。生物学跨学科实验正可以弥补我国大学本科实验教学方式单一性的特点。生物学跨学科实验可以丰富实验教学内容，跟随当前的科研动向，改变验证性实验带来的教学弊端[18]。

3.3 深化大学内部实验资源管理与运行机制的改革

我国大学现阶段还没有建立有效的制度保障，以保证大学本科生物学跨学科实验的可持续性。例如，大学要建立、建全、完善有关跨学科实验中涉及的教师管理制度、科研和教学资源整合规划管理制度、学科交叉和共建制度[19]。

生物学跨学科实验的开展必定要克服以单位组织为依托的科研和教学的管理模式。大学需要建立跨学科生物实验教学的专家组。通过专家组与大学里各个研究机构、教学、实验中心等沟通，合理整合教学与科研资源、科学地安排跨学科生物实验的时间，避免生物学跨学科实验影响其他专业正常的教学、科研，形成灵活的生物学跨学科实验教育研究体系[20]。

3.4 集中优势资源迅速提升生物学跨学科实验教育

首先，我国大学应改变生物学跨学科实验的资金来源方式。我国现阶段的大学本科生物学实验经费来源都是来自国家的资金支持。每年大学开设实验的经费会限制开设实验的设备、材料、周期、参加人数等。生物学跨学科实验必然涉及更多的实验资源，因此我国必须根据自身发展的现实条件，本着依靠大学人才优势的特点，可通过与企业、公司展开科技合作的方式集资，筹措生物学跨学科实验教育的资金及整合大学校内的教育与科研资源，以保证生物学跨学科实验开设具有可持续性、实用性和前沿性[21]。

另外，大学应当灵活规划校内资源[22]。因为生物学跨学科实验不同传统的实验教学模式，参与跨学科实验的专家、教师会根据科技、学科的发展而调整实验内容，因此实验里所涉及的资金、教师会随之不断更新，不会造成教学资源归属于大学里某个固定的部门。在实验设计方向改变后，实验资源会重新回归大学的主管部门，这样可以弥补我国大学现阶段教育资源不足的缺点。

4 结 语

美国大学开设的生物学跨学科实验是具有挑战性的课程，跨学科实验打破阻断各学科间相互联系的障碍。学生通过实验，以创新的形式把多个学科领域中的知识点串连起来，训练学生融会贯通地运用知识的能力[23]。整个跨学科实验设计非常完善，结合多学科的实验内容，激发学生的学习兴趣、为学生提供新的学科视角、拓宽学生的知识面，为今后从事科研或未来进入职场和应对复杂的工作环境搭建良好的平台。

[1] 曲晓丹. 美国大学跨学科人才培养模式研究——以卡内基梅隆大学为例 [D]. 大连：大连理工大学，2013.

[2] 周建中， 徐学军， 王 乘. 跨学科高层次创新人才培养中深化学科内涵拓展学科外延的思考与探索[J/OL]. 中国水利教育网. http://www.cahee.org.cn/show.aspx?id=846,2008: 10.

[3] J·Emil Morhardt, Elgeritte Adidjaja, Gracie Beck,etal. 2010—2011 Sustainability Reporting of the Top Liberal Arts Colleges Roberts [J/OL]. Environmental Center Claremont Mckenna College. http://www.roberts.cmc.edu/psi/PDF/LibArtCollege2012.pdf, 2011: 6.

[4] Allen·Grove.Harvey Mudd College Description [EB/OL]. http://collegeapps.about.com/od/collegeprofiles/p/harvey-mudd.htm,2011-03- 9/2013-12-06.

[5] Gerald R. Van Hecke, Richard C. Haskell, Catherine S. McFadden,etal. An Integration of Chemistry, Biology, and Physics: The Interdisciplinary Laboratory [J]. Journal of Chemical Education, 2002, 79: 834-843.

[6] Manuel Ares Jr. Interdisciplinary research and the undergraduate biology student [J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2004, 11(12): 1172.

[7] Thomas R Cech, Gerald M Rubin. Nurturing interdisciplinary research [J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2014, 12(11):1168.

[8] Michael Rutledge. “Biology Education”—An Emerging Interdisciplinary Area of Research [J]. Journal of College Science Teaching, 2013, 42(3): 59.

[9] Charles·J·Lumsden, L. E. H. Trainor, and Melvin Silverman. Physical theory in biology: An interdisciplinary course [J]. American Journal of Physics, 1979, 47(4):305.

[10] William Bialek, David Botstein. Introductory Science and Mathematics Education for 21st-Century Biologists [J]. Science, 2004, 303(6): 790.

[11] Fred H, Thaheld. An interdisciplinary approach to certain fundamental issues in the fields of physics and biology: towards a unified theory [J]. Biosystems, 2005, 80(1): 41.

[12] Paul· O′Shea. Future medicine shaped by an interdisciplinary new biology [J]. The Lancet, 2012, 379(9825):1549.

[13] 刘宝发. 国内外高校开展跨学科教育和研究的情况比较 [J]. 重庆科技学院学报(社会科学版),2009(4): 176.

[14] 朱海燕，张今朝，谢林明. 新建本科院校跨学科实验室绩效管理实践与研究 [J]. 实验室研究与探索,2013,32(2):177.

[15] 陈何芳.论我国大学跨学科研究的三重障碍及其突破 [J]. 复旦教育论坛, 2011, 9(1):68.

[16] 刘国瑜, 赵 珩. 基于学科交叉的国家重点实验室建设研究 [J]. 实验技术与管理, 2008, 25(6): 165.

[17] 王盛邦，田海博.计算机网络综合型、跨学科实验设计与研究 [J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(8): 263.

[18] 汪 雷，黄秀华. 加强学科交叉拓宽研究领域是国家重点实验室生存发展的关键 [J]. 实验室研究与探索, 2005, 24(10): 97.

[19] 王晓岗，赵 超，许新华，等.分层次、跨学科开放实验教学实践 [J]. 实验室研究与探索,2013, 32(9): 161.

[20] 张润杰，安维亮，郭锦平. 跨学科建立环境生态科学实验中心 [J]. 实验技术与管理,2000, 17(3): 10.

[21] 耿益群. 美国研究型大学跨学科研究中心与大学创新力的发展——基于制度创新视角的分析 [J]. 比较教育研究, 2008, (9): 26.

[22] 孟成民. 基于创新人才培养的跨学科实验室轮训体系构建 [J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(8):282.

[23] 郝 刚，侯燕芝，董小黎，等.跨学科、多平台综合设计性实验的探索与实践 [J]. 实验技术与管理，2011, 28(11): 15.

The Innovative Experiences of Educational Reform in Biological Interdisciplinary Experiments in Universities of the United States

FANLei
(Life Science and Technology, Beijing Institute of technology, Beijing 100081, China)

In American universitie, research and education of interdisciplinary experiments in biology have very well established experience. The American Harvey Mudd College offers science and engineering students interdisciplinary experiments in biology. The teaching mode that is based on the interdisciplinary experiments in biology increases students’ interest in interdisciplinary experimental, is compliant with standards of modern high-end talents training mode. At the same time, the comparison of the teaching model of Chinese and American interdisciplinary experiments in biology, the existing difference of China’s traditional teaching is analyzed, the reform plan was proposed. The Chinese Universities should embark on the aspects of teaching method, experiment content, experiment resource management and operation mechanism, and so on in order that the interdisciplinary experiments in biology in China would be improved. The Chinese universities should base on their actual development situations to absorb and drew lessons from American universities, explore the road of interdisciplinary experimental teaching model in biology, and develop innovative, multidisciplinary high-end talents in China.

interdisciplinary experiments in biology; teaching reform; experimental teaching

2014-03-31

范 蕾(1975-)，女，北京人，硕士，实验师，主要从事大学生物教学与研究。Tel.:010-68914504；E-mail: faletzb@sina.com

Q-331;G 642.423

A

1006-7167(2015)02-0209-05