叶璐瑶

（韶关学院 英东生物与农业学院，广东 韶关 512005）

生物学是以生物为研究对象，以实验验证为基础的自然科学学科.生物学实验作为验证现有生物学理论知识的方法与手段，同时也是学生用于探究未知生物学世界的必备技能，对于培养学生的动手能力、实验操作能力，激发学生的创造性思维、辩证思维，促进学生自主发展具有重要的作用.近年来，随着我国经济不断发展，各大高校不遗余力地开展实验室建设，增加实验教学经费投入，不断缩小与发达国家高校实验教学水平间的差距.但由于师生比偏高、设备数量有限等客观原因，仍表现出一定的滞后，很多实验课程起不到应有的教学效果［1-3］.

笔者曾在英国布里斯托大学进行为期一年半的学习，在此期间完成了多门生物学专业实验课程的学习，切身体会到英国高校在实验室管理、实验教学设计、实验课程开展等方面有很多独到之处值得我国高校和老师们学习与借鉴.在此客观地对我国高校与英国高校在实验教学方面各自的差异、特点进行比较、分析，希望对我国高校生物教学取长补短、不断深化教学改革有一定的启发作用.

1 我国高校生物实验教学现状

我国目前大部分高校都设有生命科学学院或开设有生命科学类课程，但除了如北京大学、清华大学、复旦大学等知名重点院校，大部分普通高校由于经费有限、师资力量不足、生源结构差异等都面临着一些问题.

1.1 经费、设备不足

高校生物学课程中涉及不同门类的实验，需要用到相应的不同的仪器，其中一些高新仪器价格昂贵，在几十到数百万人民币不等，且更新换代迅速，仪器的后续维护也是一个巨大的问题.学生一般极少有机会接触或使用这类高新贵重仪器，学校往往会采用已淘汰的仪器、设备或将实验进行简化来完成教学.同时许多学校拨付用于生物学实验耗材、试剂购买的经费也非常有限，如解剖学实验、基因工程实验等需要使用大量生鲜材料或昂贵试剂的实验课程，往往是捉襟见肘，只能几组学生共用耗材，实验教学效果受到影响.

1.2 师生比偏高，实验过程监管困难

大部分专业平均师生比达到1∶17，甚至1∶20 的水平［4］.即使许多学校开始采用30 人以下的小班教学，但由于实验老师缺乏、实验场所不足等问题，仍会出现1 名实验老师同时指导40～50 位学生完成实验操作的情况.实验过程中，教师难以对40 个学生都进行实时的监督和指导，许多学生由于粗心或错误操作，导致实验结果并不理想.

1.3 验证性实验为主、学生参与程度低

我国高校开设的大多数实验课程为理论知识的验证性实验［5］，学生根据实验员准备的试剂、耗材按步骤完成实验、得到结果，起不到促进学生独立思考的作用.学生往往4～6 人一组协同开展实验，每位学生实际只能完成实验的其中一部分内容，甚至有学生全程不参与实验操作，仅依靠组员获得的数据完成实验报告.

1.4 实验室安全管理不完善

很多学校并未设置实验课前的安全教育课程，或只在大一新生接触第一个实验前引入安全教育，很多学生进入大二大三学习时已完全忘记安全操作守则，缺乏基本的安全意识.实验室安全设施配置不足，如灭火器、防毒面罩等，部分高校院系甚至并未设置专门的药品准备室、贮藏室.近几年出现的各类高校实验室安全事故及导致的人员伤亡已引起社会各界的广泛关注［6-7］.

1.5 课程考核要求较低

大部分实验课程无明确的预习及课前作业要求.很多课程虽会在课前提供实验流程、实验课件等供学生学习，但由于无硬性考核要求，相当一部分学生不会主动进行课前学习.这就导致了学生在实验课正式开展后仍对实验原理、实验目的、实验操作流程一知半解.课后提交的实验报告，除了数据、图表部分，其余基本照抄实验流程和课件，不进行深入思考.甚至一些学生在期末操作考试中仍会出现低级错误，无法独立按要求完成实验操作.

1.6 课时难以满足教学需求

部分实验周期较长，可达几天甚至数周，如发酵工程实验、分子生物学实验等.由于实验场地有限、指导教师不足，课程组只能通过减少实验次数、实验内容来保证实验课程在教学周内完成.对于部分较复杂的实验，仅能通过给学生板书讲解或观看操作视频等方式进行教学，这对于学生掌握实验操作技能无疑是不利的.

1.7 新技术应用有限

虚拟现实技术目前已在我国高校引起重视，并得到一定的发展，如2014—2015 年间南京大学与信息公司联合开发的“生物仿真实验系统”［1］、华中科技大学建立的“虚拟仿真实验中心”［8］等.但相较发达国家而言，国内高校虚拟实验室建设起步较晚，课程资源、技术人员等储备不足.且各系统、平台的建设基本以高校为单位进行，互相之间不能兼容、交互，因此难以在全国范围内形成一个能够有效进行资源共享、信息沟通的生物教学用虚拟现实网络，无法独立建设本校自用系统的普通高校也难以对这种新技术、新资源进行利用.

2 英国高校生物实验教学的特点

笔者在英国就读期间，曾在多所英国TOP 10 大学的生物实验室进行参观、交流.英国G5、红砖六校等老牌知名大学已有数十年的实验室建设、实验课程开设历史及经验，且都提供完善的网上远程学习系统，学生在任何时间段、地点都可完成相应课程的学习.英国高校生物实验教学现状如下.

2.1 软件、硬件设施完善

英国高校由于政府拨款、入学学费较高及企业财团资助等原因，学校能够负担起昂贵的高档设备、耗材的使用和购买，硬件设施相对来说更为完善.同时校内实验场所面积较大，并安装有借用系统，学生可网上申请特定时间段内使用某个实验室或某台贵重仪器.既能保证设备的利用率，同时也减少了实验老师管理设备、维持实验室卫生的成本.通过系统可随时查看上一次使用实验设备的学生及其使用情况.如学生有破坏实验室、损坏仪器设备的行为，将收到邮件或口头警告，严重者其student ID 将被禁用一段时间，无法进入相关实验场所.同时学生使用实验室时间亦可作为实验课程考核的一个参考标准，学期内未按要求进入实验室的学生，课程成绩记为不合格.实验楼内还设有专门的饮食区、讨论区，并放置有自动贩卖机，方便长时间进行实验的师生.

软件方面，校内聘用教师较多，师生比基本在1∶10～1∶15 之间，若师生比超过1∶19，英国政府将停止对该校拨款［9-10］.实验教学中，通常1 位实验教师指导10 位以内的学生.以笔者曾学习的神经科学实验课为例，在指导老师的监督下，每次课程每位学生都要参与实验过程，逐一轮流上操作台进行实验并接受老师的提问.大型实验室还配备有多个显示屏，确保坐在任何位置的学生都能实时看到老师在讲台上的讲解和操作.因此学生的参与度和积极性都是比较高的.

2.2 实验安全管理、过程管理严格

实验楼大门需要刷ID 卡开启，若实验楼内发生安全意外，学校可以通过摄像头定位具体位置，并根据刷卡情况判断是否有学生滞留现场，以便及时处理问题.同时各实验室门口均贴有明确的负责人信息、课程安排及安全标示.如实验中会用到盐酸，则实验室门上会张贴“corrosive”图示，非常醒目.部分实验室内一进门设有洗手区和存包区，除实验手册、笔等上课所需的物品外都要存放在固定位置，并由老师一一检查学生是否穿好实验服、扎好头发后，有秩序的进入实验室，领取鞋套、医用手套、护目镜等安全设备.所有人准备完毕后，才可以开始上课.每本纸质实验手册的第一部分内容均为安全须知和实验守则（safety manner and laboratory rules），所有实验课的第一节课都有专门的安全教育时间，部分课程还需要完成课前安全须知习题.且每学期学校都会组织进行消防安全演练.

大实验的开展与我国类似，教师完成实验讲解后，学生分组操作.实验室内会有多名实验教师不断观察各组完成情况，并随机提问，不允许出现学生坐着发呆或不参与实验的情况.而对于小型实验或高精尖实验，学生通常1～2 人一组，教师直接与学生沟通交流、进行指导.学生不可能无所事事地等着组员完成实验，教师也能够更轻易、准确地判断学生的知识掌握程度和运用情况.

2.3 课程考核要求较高

英国高校实验教学与我国相比，差异较为显著的一点是：更重视实验课前自学（pre-lab study）.以笔者就读的布里斯托大学为例，该校自主研发运营eBioLabs 系统用于生物实验教学，该系统囊括了实验介绍（Experimental information）、实验课前考察（Pre-lab quiz）和课后作业（Post-lab assignment）等功能.学生在每一次实验课前必须自主学习实验介绍的内容并完成实验课前考察习题.实验介绍一般为本次课程的实验原理、方法、设备等，通过可交互动画、视频等形式展现.如移液管介绍，学生移动鼠标至移液管各部位会弹出相应的说明，点击后出现详细介绍及使用过程视频，以帮助学生更好的理解.实验课前考察习题一般由20～30 道选择题或填空题组成，每人的题目、选项都是随机的，学生可反复作答.未在课前指定时间内完成网上系统习题，或答题分数未达到70 分的学生将被禁止进入实验室，并直接影响期末成绩.目的是保证学生在进入实验室前已理解实验的基本内容，做好进一步学习的准备.

实验课后学生需登录eBioLabs 系统完成课后作业，通常为涉及到实验具体操作及实验结果、数据的题目.线上完成的所有题目都由系统直接打分并给出答案和反馈，错题也会显示相应的解释说明.此外，学生还需要将课上得到的数据套用EXCEL 模板完成一份电子实验报告并上传系统.实验报告要求与我国类似，但教师会强调不允许照抄实验手册中的内容，并应将报告重点放在数据分析和实验结论上.由于电子材料没有笔迹差异和涂改痕迹，且系统可自动判定EXCLE 模板中的数据，因此教师只需要批阅实验分析和结论等文字内容，极大地减少了工作量.与我国目前实验教学提交纸质报告相比，利用eBioLabs 系统，学生能够接触到更多的题目，进一步巩固理论知识和实验操作，同时不会加重教师的工作负担.该系统还可以统计鼠标悬停情况，可得知学生在哪一道题目上停留、花费的时间最长，以帮助教师更好地确定教学难点.目前很多英国高校都有使用类似的系统，或多个学校共用一个系统并共同进行维护.

2.4 虚拟现实技术运用广泛

英国高校同样面临生物实验课时难以控制，实验资源、设备有限等问题，尤其是对于细胞工程、基因工程等实验操作较为复杂、流程较长的课程，或是解剖学等材料耗用较多的课程.解决方法是引入各种虚拟现实技术并在实验教学中大量使用可交互的多媒体素材.如建立虚拟实验平台，学生可在平台上用鼠标将虚拟实验设备和仪器逐一连接、调试、使用，模拟真实实验过程.不受空间、时间的约束，也不需要使用实验耗材，在宿舍便可完成部分实验过程的学习［11-12］.

笔者就读的布里斯托大学的解剖生理学课程，在心血管系统实验课程的学习过程中，学生可登陆eBioLabs 系统，查看课程库中的学习材料，如人类和各种动物的心脏3D 模型.学生可操控模型转动任意角度、观察任一切面并重新组装心脏，可查看血液在各血管中流动的先后次序.实验教师不需要给每位学生提供一个心脏标本用于观察，省时省力且能达到更好的教学效果.而在呼吸系统的实验教学中，学校使用“仿真人”模型模拟人体在特定环境中的生理指标变化，实验过程和数据实时投影在实验室各屏幕中，便于学生观察.“仿真人”模型系统可通过设置气压、温度等数值模拟真人处于高原缺氧低温环境中的情况，并展示“仿真人”的呼吸频率、血压高低及心率是如何随时间发生变化的.

2.5 实验教学方式多样

国外实验课程安排中验证性实验较少，且基础实验往往会设为自学内容，学生在网上系统中完成即可.教师教授的实验课程以探究性实验为主［5］.即教师提出假设和问题后，学生根据所学知识设计并完成实验.实验结果有可能与假设相悖，学生需要自行查找资料对实验结果进行分析、探究.这有助于培养学生的理性思维和自主学习能力.

3 对我国高校生物实验教学的启发与建议

我国高校与英国高校在生物学实验课程设置、实验内容和教学手段等方面有较大的差异.英国公立大学在实验室建设及实验课程开设上有很多经验和优点值得我国高校取长补短，进一步改善生物实验教学现状.

3.1 提高实验设备利用率

两国学校运作形式有较大差异，我国采用欧美国家公立学校完全自主办学的高收费高投入模式无疑是不现实也不可能实现的.那么如何在资源有限且学生数量远高于西方国家的情况下提高教学效果、使购置的实验设备物尽其用可谓是当务之急.可考虑建立类似的实验室管理、借用系统，学生可以自行安排进入实验室、完成毕业论文实验的时间，不至于出现扎堆使用实验室或实验室长时间空置的情况.同时能够减轻实验员的管理压力，使其更好地完成常规实验准备工作.

3.2 采用虚拟现实技术

建立如布里斯托大学生物系的eBioLabs 系统、化学系的chem lab 实验技能仿真实验室.布里斯托大学建设eBioLabs 系统的初衷是发现很多学生未按要求完成实验课前预习，课上仅盲目跟随教师实验指导而非真正理解了实验原理.因此建立该系统敦促学生完成实验前准备工作并对实验课程学习情况进行检验.根据布大官网统计结果，eBioLabs 系统投入使用后，仅生物化学一门课，院系教职工人均每年减少了25 个工作日的实验作业批改、实验过程监管等工作量，学生的实验技能掌握情况较之系统投入前也有显著提高.

虚拟现实技术平台建设初期工作量大且需耗费大量资金，可参考西方多所高校协同搭建、共同维护系统的做法.系统建设完成并投入使用后，维护人员每年根据教师提供的素材、知识点进行更新即可.且该类系统、平台不受时间地点的限制，师生可随时随地登陆学习，也可广泛运用于其他领域或与其他系统进行接驳，建立共享平台［13］.

采用虚拟现实技术还可一定程度解决实验设备、耗材不足的问题，并可改善每年大量纸质作业、实验报告的批改、存放问题，响应无纸化号召、节约开支.同时也让实验学习过程更为安全可靠，可谓是低成本高效率的教学手段，对于提高教学效果、改善并解决我国实验教学目前所面临的一些问题具有重要的意义.

3.3 完善课程考核要求

相对英国高校而言，国内实验课程考核要求较低，学生达到出勤率并按时提交实验报告即可通过该门课程.英国高校生物实验课程考核包括课前作业、课堂出勤、课后习题和实验报告等.其中课前作业和课后习题都有一定的分数要求；出勤需达到100%，特殊情况请假必须在下一学年补上课程；实验报告须有详尽的数据分析、讨论，并引用文献.达到以上要求才能够通过课程并取得一个较好的成绩.在这样的高要求下，学生实验技能掌握程度及理论知识的运用能力无疑是更好的.

我国高校应根据实际情况适当提高考核要求，使学生有学习的紧迫感和压力，而不是随意应付课程；重视课前预习的作用，良好的课前准备工作能使教学达到事半功倍的效果；加大实验课程中开放性、探究性实验的比例，使学生不仅仅是“学习”“记忆”还能做到“理解”“运用”.

3.4 加强实验室安全保障

近年来出现的北京交通大学环境工程实验室爆炸事故、清华大学化学实验室爆炸事故等都与实验室安全教育缺乏、安全设施不完善、师生实验操作未按操作规程及安全守则进行有密切的关系.加强实验室安全教育、完善实验室安全设施、提高从业人员安全意识迫在眉睫.可与虚拟现实技术结合进行安全教育并定期举行相关的安全宣讲、培训和逃生演习活动，提高师生的安全意识和自救能力.