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教学实验室:研究生教学中的跨学科集中培训 精选

已有 6424 次阅读 2012-12-25 12:51 |个人分类:师生之间|系统分类:教学心得| 研究生, 跨学科, 教学实验室, 集中培训

传统的学校教育中,课程设计是按照学期为单位进行的,在现代化教学中,其弊端已经日渐显现。教学过程中,打破学期的时间限制,在短期内(一周或者数周)集中将一门课程讲授完成,这是我到日本学习之后,才接触到的一种形式。日本大学称这种教学方式为“集中講義”【日语中的講義(こうぎ)与汉语的“讲义”含义是不同的,可对应于汉语中的“讲座”】。当然,这样的形式目前在中国的高校也越来越多了,许多在暑期开设的课程就是采用这种类似的方式。

从2004年开始至2012年,我们每年暑假也尝试开设了生态学高级讲习班(暑期学校),面向全国生态学及相关专业的研究生和年轻教师,免费提供教学资源。媒体上[1]是这样描述的:“柔性借用欧美著名的生态学专家,给本国的青年学者更开阔的视野,这是复旦大学研究生培养的创新模式。复旦大学生态学高级讲习班被称为中国生态学的“黄埔军校”。该讲习班以培养具有全球视野的中国未来生态学家为己任,邀请国外顶尖生态学家前来授课,是一种非常有效的人才培养模式。

从刚开始在日本的学习,到后来参与这个暑期学校的建设和授课实践中,我也逐步认识到有关集中教学的优势。上周出版的Science周刊的教育论坛中(2012-12-21)[2],有一篇题为文章“教学实验室中的跨学科研究生培训”(Interdisciplinary Graduate Training  in Teaching Labs),以生命科学领域的研究生跨学科课程教育为例,用更有说服力的实践和数据,介绍了一些好的教学模式,认为“在追求真正的研究问题时,集中教学的短期课程可将学生、教师和新技术融合在一起。”下面就按照我的理解方式来介绍一下这篇文章(主要进行了翻译和整理)。

【跨学科课程】
现代科学中的研究与研究生训练往往会涉及到一些跨学科的领域,例如,生命科学的有些学科可能会集成来自生物学、物理学、化学和数学的概念与方法。将学习生物学与学习物理学、计算机科学的人简单召集在一起,并不会自动合作而产生对生物学问题的新见解。如果在学生的本科学习阶段,就将物理学和生命科学结合在一起进行培训,这种可能性将会增加。对大学生来说,在教学实验室学习科学探究的方法其实并不难实现,但在研究生教育中并不常采用这种方法,因为研究生入学的第一年时间主要被传统的讲座课程所占满了,之后就慌慌张张地去选定一个单独的有明确方向的学位论文项目。

科学研究的过程应该是,提出一个有趣的科学问题并制定一个研究计划来回答之。为了寻找研究问题的答案,这种未知性和不确定性,使得学生和教师必须联合起来,用自己的智慧和技能来设计许多实验,评估进展,一路上克服重重困难。好奇心、一些令人兴奋的发现,以及对解决问题的挑战,对学生来说是非常具有诱惑力的。最后,真正对科学问题的探究告诉学生,科学是困难的,自然界的秘密是无法轻易获得的。对于跨学科课程来说,有三个方面非常重要:(1)在课程的开始推广对新技术的探究;(2)将实验室工作聚焦于真正的研究问题上;(3) 促进合作和同行间学习。

【MBL的《生理学》教学】
美国马萨诸塞州伍兹霍尔的海洋生物实验室(MBL)的生理学课程,这些课程是基于教学实验室的,学生们主要通过结合来自生物学、计算科学和物理学的思想和方法解决当代需要研究的问题。 Jacques Loeb从1890年代就在MBL开始开设了生理学暑期课程,至今已经有一百多年历史了,这个课程在培养科学领袖和召集不同学科的授课人员(不是简单地从某个大学的一个系中召集起来)方面具有丰富的经验。尽管生理学这门课聚焦于基本的生物学研究,但这门课一直关注并接受物理学家、工程师、数学家和化学家的工作。到2004年,当这门课程的主讲老师决定每年固定招收28名学生,并需要学生具备细胞生物学和物理科学/计算科学的背景,这门跨学科课程的教学减少了一些随意性并慢慢固定下来。为了让学生们接触新学科和技术,生理学课程进行为期6天的新兵”“训练,学生轮流通过密集的两天模式的学习,包括”生物化学、光学显微镜与图像分析、MATLAB编程。计算科学的学生需要自己解剖鱿鱼的视神经叶,或者提纯蛋白质。生物学的学生需要学会编写简单的代码来鉴定图形中的细胞细胞器,或使用微分方程分析种群动态。虽然对于训练一个专家来说,两天时间太短,但这种训练营让学生领会到了新方法的价值,可鼓励他们在这个课程的学习中从研究环节了解他们的专业领域之外的工作。每一个生理学课程的学生参与三个研究模块,由教员和博士后或研究生做助教,每个模块包括11天的实验和分析,最后一天做演示汇报。教员带来项目的想法,这通常是一些新的想法,还未在实验室进行过测试。通常是由两到四个学生负责一个项目,这些学生主要来自具有生物学、物理学和计算科学等混合背景的学生。课程的项目来源每年都不同,但要根据这个时间周期进行裁剪和定制。一些材料(如无性繁殖体或细胞株)需要提前做好准备。教学中,鼓励学生把这些初始项目在新方向上进行转化或提出自己的观点与方法。这样,通过混合更多来自年轻人的富有活力的想法,其结果常常能够超越最初仅由教员所提供的方案。

【教学实验室的优势】
这里所描述的教学实验室强调战略决策,这对完成一篇论文和成为一个职业科学家来说是非常重要的:如何确定好的研究问题,如何采取合适的方法来回答这些问题,以及如何克服那些不可避免的障碍。然而,教学实验室的焦点和强度不同于典型的论文工作,学生的头脑风暴、与教员和同行共同解决问题,是实验室的日常活动,而不是仅仅在办公室召开一些不定期的论文讨论会。这些方法在短时间跨度上可产生卓有成效的进展。尽管这个训练时间很密集,但一个好的教学实验室对学生来说提供了一个非常好玩的环境,可让学生学习和测试他们的新想法和技巧,而这很难在他们专著的论文工作中做出来。学生在一个非同寻常的协作环境体验到了与同伴和教员之间的亲密互动,在课程结束后,一个副产品是培养出了学生对科学事业的强烈爱好。

教学实验室对于跨学科的训练是非常有效的。对于物理学和生物学方面的学生来说,当他们看到一些新的方法和原理与他们正设法解决的问题非常关联时,会变得更有积极性。物理学和计算科学方面的学生亲身经历了实验生物学的复杂性和“混乱性”。他们学习了如何去识别一个好的生物学问题,并建立受控实验来回答这个问题,这一过程与许多物理学核心领域的“观察加上建模”方法是有所不同的。生物学学生也学会了定量思维的方式,并拥有了更广泛的研究工具(如微流体、数学、计算机模拟、化学动力学和光陷捕获等非传统生物学课程和理念)。通过集中在一起工作,学习生物和物理的学生们能更好地加强彼此之间的了解而展开对话,以及他们的研究方法如何互相补充。

【探索的文化】
在实验室课程中,应该逐步建立一些健康的文化,减少一些阻碍学生学习的因素。比如,学生对无知的害羞感和对失败的恐惧感。其实,一些高级科学家在设法进入新领域或学习新方法时也有这种恐惧感的。另外,要让学生明白冒险精神必须成为人生哲学课程的一部分。此时,教员们必须以身作则,也设法让自己去学习一些新的材料,并让学生们看到他们的学习过程,看到他们手忙脚乱地编写计算机程序或操作显微镜等。在这样的教学实践中,传统意义上教师与学生的角色彼此分离的情况正变得越来越模糊,因为这两个分组是在一个具有挑战性科学问题上的合作,而不是演讲大厅演讲者与听众的关系。

在上述生理学课程中,也注意到鼓励学生的冒险精神,让他们乐意去尝试新的方法,而不要将目标放在是否能发表文章这样的问题上。通过将关注有趣的问题作为生理学课程的核心理念,反而出现了一些重要的创意,更多的研究成果也涌现出来。在23篇研究论文和59篇会议摘要中,学生们引用了生理学课程的一部分内容。此外,调查表明,176名学生中有78名(占44%)将继续致力于解决他们在课程之初所接触的实验或问题。显然,学生是比较喜欢这种研究性教学实验室的方式的,当然,这对学生长期职业选择所带来的好处仍需要进行更严密的评估。

【其他案例】
MBL和冷泉港实验室已经成为颇具影响力的教育中心,因为他们拥有专用和设备齐全的用于教学的实验室空间、供师生入住的住房和用餐的食堂,有公共和私人资金的资助保证先进的研究。然而,在一个大学环境中,可针对具有相同口味的研究生教育创建实验室课程。

加州大学旧金山分校的定量生物学综合计划(iPQB),其灵感就来自于MBL和冷泉港的实验室课程(CSHL)。这门课程为新进的一批具有物理学、工程、计算机科学和生物学背景的博士生提供了一个跨学科的实验室经历。第一年的课程,首先在教学实验室开始为期一周的“训练营活动,接着开展以团队为基础的密集实验和计算课程,从中他们开始了解教师导向的真正研究问题。课程包括“团队挑战,”如从最基本的玻璃镜片和部件开始,在案板上组装”荧光或高光谱显微镜,然后进行单细胞分析。在第二阶段,团队开发计算模型并用第一个阶段所获得的数据进行分析。同样,基于这种灵感,加州理工学院也推出了一个为期一周的物理生物学训练营,也包括一些研究组分。这门课程除了吸引加州理工学院的本科生和研究生,还吸引了许多非加州理工学院的博士后、教授、期刊编辑和决策者的参与。

如果科学家教育工作者都能脱离传统的学期或校历时间(三个月或者半年)的约束,类似的教育努力在大学都可以进行尝试。让一些课程并行开设,为一些简洁的、密集的课程腾出地盘和时间。这些课程所培养的探索精神并不需要附加更多的资源资源,比如学生和教员之间协同工作解决真正的研究问题,强调实验、建模和活跃的讨论氛围。其挑战性程度(所处理问题的复杂性)可根据所提供的资源和时间进行调整。如果没有专用教学实验室,教师当然可开放他们自己的实验室供学生使用。

【总结】
研究生教育的一个挑战就是开发出学生和教职员都会感到兴奋的课程,这可为学生独立的论文工作和随后的研究职业生涯奠定基础。研究生课程,应该打破本科生教学的讲座模式,瞄准以下三个目标:(1)给学生传递一个信号,应该从本科生的被动吸收知识的阶段过渡到研究生创造知识的阶段;(2)为了成为一个实践科学家,应该学会一些教学方面的技巧,可做更好的工作;(3)激励和保障教员的队伍。我们这里所描述的教学实验室代表了许多很多创意的方法之一,可用于对理科研究生的独特需求进行定制教育(tailor education)

【参考资料】
[1] 复旦柔性引进大师培养研究生(http://learning.sohu.com/20070607/n250435676.shtml)
[2] Ronald et al., 2012. Graduate Education: Interdisciplinary Graduate Training in Teaching Labs. Science, 338(6114): 1542-1543.



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