基于国际遗传工程机器竞赛(iGEM)的大学生创新能力培养模式研究

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  [摘 要]大学生是实现科技创新的重要力量,培养具有国际一流水平的基础学科领域拔尖人才,是高校推进“双一流”建设的重要任务。国际遗传工程机器竞赛(iGEM)在培养大学生问题意识、科研兴趣、创新能力、国际视野等方面具有巨大的优势。以组织北京师范大学生命科学学院学生参与国际遗传工程机器竞赛(iGEM)为例,从创新培养体系、建立制度保障、培育团队文化等方面,实践探索基于国际遗传工程机器竞赛(iGEM),提升大学生创新能力的培养模式。
  [关键词]国际遗传工程机器竞赛(iGEM);大学生;创新能力;培养模式
  [中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2020)12-0111-03
  2015年,国务院印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》(以下简称《方案》),《方案》指出,建设世界一流大学和一流学科,是党中央、国务院做出的重大战略决策,对于提升我国教育发展水平、增强国家核心竞争力具有十分重要的意义。
  大学生是实现科技创新的重要力量,培养具有国际一流水平的基础学科领域拔尖人才,是高校推进“双一流”建设的重要任务,也是实现人才强国、科技强国战略的重要保障。如何提升大学生的创新能力,在科研、学习中培养大学生的独立性和创新性是高校面临的重要命题。
  一、国际遗传工程机器竞赛(iGEM)介绍
  iGEM为International Genetically Engineered Machine Competition(国际遗传工程机器竞赛)的简称,为合成生物学领域顶尖水平的国际学术科技竞赛。
  2003年1月,iGEM成為美国麻省理工学院的一门独立学习课程,其最初的目的在于指导学生构建细胞闪烁的生物学装置。这门课程在2004年夏天成为有5支队伍参与的比赛,2005年继续发展至13支队伍,2017年已扩展至涵盖40多个国家的310支队伍,吸引了包括哈佛大学、牛津大学、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、剑桥大学、北京大学等众多世界名校的学生踊跃参与[1]。2003年至今,iGEM竞赛也在逐步完善。参与竞赛的对象已由开始时的本科生扩展到研究生和高中生;比赛项目也变得越来越复杂,通过跟踪世界各地区大赛,向参赛队伍介绍重点领域,iGEM项目范围已从彩虹色素细菌,发展到水果植物香味的细菌,再到对水中砷元素有过滤净化功能的传感器……iGEM竞赛的发展历程取得了辉煌的成果,该赛事曾受到Nature、Science的专题报道,在过程中产生的众多科研成果,也由iGEM组委会统一提供给全球科研团队分享,赛后的深入研究也使一些极具价值性的创新项目以论文和专利的形式发表。
  iGEM的开展包括三方面的基础:1.iGEM竞赛——由全球热爱合成生物学的学生组成队伍开展竞赛;2.实验室程序——参赛队伍使用相同资源设施的实验室完成实验程序;3.标准生物组件注册——越来越多的用于构建生物装置和系统的遗传组件集合,目前已有超过20000个标准生物组件向所有参赛小组开放。
  竞赛的内容主要分为实验部分、Human practices、美工和Wiki 以及数据建模等4个模块。实验部分要求队员全程自主设计实施,并在过程中通过专家访谈、参加学术会议、与其他参赛队伍交流等方式不断完善项目。这着重锻炼学生的文献调研能力、创新和逻辑思维能力,让学生熟练掌握基本实验技能,提升学生的学术交流与口头报告能力。Human practices部分号召每个团队建立包含生物学家、化学家、物理学家、工程师、计算机科学家等多学科专家团队,并与之探讨合成生物学在不同领域的作用发挥。同时,该部分要求队伍进行市场调查及相关政策法规的咨询和项目推广宣传,以真实社会环境验证学生在校内获得的理论知识,检测并评估实验室基础研究与社会需求之间的距离,真正学以致用,促进学用融合,解决以往学用分离、理论与实际脱节的问题。美工和Wiki部分,贯穿队伍宣传、实践、交流及参赛等各个环节,实现科学与艺术的有机结合。其中队伍更可以借助Wiki向全世界其他队伍详细介绍项目成果,展示队员风采,扩大交流。数据建模部分反映了合成生物学的系统性、集成性和协同性。竞赛项目不再是一个单纯的生物学或者工程学项目,还需要信息技术、艺术设计、物理学、化学、数学、市场营销学、社会科学等多个学科共同参与。
  2014年3月,北京师范大学iGEM代表队BNU-China首次组队,完成了以大肠杆菌的驱动性为切入点,以增加植物的固氮作用避免环境污染,同时实现改造细菌的自杀机制的实验设计,并获得金牌。2015年团队设计了光诱导双向转录系统调节并控制吸引物和毒蛋白的表达实验,获得了银牌。2016年团队致力于做出一个高通量筛选抗癌药物——微管稳定类药物的平台,并获得了金牌。2017年,BNU-China团队参赛项目为酵母表面的多聚体展示(poly-display)。为了突破传统的酵母表面展示技术只能对单体展示,难以应用于筛药以及多酶催化的反应体系中的发展瓶颈,团队致力于实现酵母表面微管(用于筛药)和鞭毛(用于多酶催化)的展示,最终获得全球铜奖。2018年,BNU-China团队聚焦微生物工业重组菌的筛选问题,利用合成生物学方法设计出了可以在低抗生素浓度下工作的基因回路,这使得微生物生产体系中的高产微生物被筛选,最终达到重组菌株定向进化的效果,并获得全球银奖。iGEM竞赛调动了学生学习的自主性和能动性,在提升实验技能的同时也增强了学生的团队意识和分享帮助他人的能力,将书本知识与实际应用相结合提高了学生的创新能力[2]。
  针对以上情况,北京师范大学生命科学学院学工办在学工“十三五”规划学术能力培养计划中,联合本科生教学设计开展“大学生学术科技创新竞赛扶持计划”,以参与国际遗传工程机器竞赛(iGEM)为契机,采用项目制形式运行管理,将该项目作为学工推动基础科学拔尖人才培养改革的试点,从而探索出高校大学生参与高水平国际竞赛中创新培养体系、建立制度保障、培育团队文化的模式。   二、国际遗传工程机器竞赛(iGEM)对培养大学生创新能力的意义
  学科竞赛是整合课内外理论及实践教学内容的重要载体,它注重强化学生应用理论知识分析和解决实际问题的能力,对优化学生的知识结构,培养学生的创新思维,提高学生的实践技能,强化学生团队协作精神等方面具有重要作用[3]。
  区别于国内的传统学术科技竞赛,国际遗传工程机器竞赛(iGEM)是建立在国际平台上的多学科、综合性、高水平的国际学术科技竞赛。其具有赛程长、要求高、选题范畴广、与生产生活社会发展联结紧密、自主性强等特点,是培养大学生问题意识、科研兴趣、创新能力、团队协作能力、演讲交流能力、国际视野等多维能力的重要载体。
  国际遗传工程机器竞赛(iGEM)一般由学生主导,比赛期间,以学生为主体完成提出问题、自主设计实验方案、验证方案可行性、展示探索结果等整个科研训练过程,教师起到指导和引领作用。由于赛程较长并涉及国际交流,这对学生的耐性、团队协作能力和语言交流能力等多方面综合素质要求较高。学生在参赛过程中,一方面可以体验系统的科研训练过程,激发创新动力和锻炼实践能力;另一方面,这也有利于全面提升个人综合素质。近年来,随着我国科技文化水平的提升,中国大学生参与该竞赛的队伍数量逐年攀升,这为培养大学生创新能力提供了新的平台和载体。
  三、基于国际遗传工程机器竞赛(iGEM)的大学生创新能力培养模式
  (一)全员育人,创新培养体系
  多方面育人因素相互配合、发挥合力,是促进大学生创新能力培养的有力保障。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出,要全员育人、全过程育人、全方位育人。这不仅体现在思想政治工作领域,在构建创新型人才培养体系的过程中,如何整合现有的成果,使培养体系中各要素形成协同效应也已成为重要的实践命题。人才培养体系中各要素之间如不能进行良好协同,势必会使创新型人才培养模式受到影响,不仅不能发挥出各要素之间的优势,反而产生掣肘、影响人才培养的质量。应当认识到各要素的优势和特点,以此为依据构建培养体系上的分工和具体任务。
  学院在参与iGEM竞赛的过程中,充分认识到协同创新培养体系的重要性,厘清教学管理、学工、专家、实验教师、研究生、导师各要素间的责任与分工,全员育人促进大学生创新能力提升。在具体的实施过程中,学工与本科生教学双方协同联动,在充分发挥学生主体能动性的基础上,以教学副院长担任项目总协调;学院党委副书记担任项目管理导师,负责团队培育、文化建设等;聘请资深教授担任学生科技辅导员,负责专业指导;聘请实验教师担任项目管理员,负责技术支持;招募博士研究生作为项目助理,负责日常辅导;聘请校外专家作为项目顾问,提供技术与政策咨询。同时通过教学管理、学工、专家、实验教师、研究生、导师“六位一体”的“联席会议制度”,使各方面要素充分交流沟通,科学民主地解决实际问题,促进育人体系形成活力、持续发展。
  (二)项目制运行,建立制度保障
  制度建设是各项事业科学化、长效化的保证,是促进大学生创新能力培养的重要基础。高等教育在创新人才培养过程中,应当明确培养目标,建立科学的培养模式,明确培养对象和吸纳优秀的培养者,并通过科学的运行机制调动各方面的积极性,规范参与者的行为活动,通过激励机制吸引优秀培养者参与指导,建立长期有效的制度保障。
  学院在参与iGEM大赛过程中,采用项目制的形式运行管理,将该项目作为学工推动基础科学拔尖人才培养改革的试点。其在建立制度保障方面主要做了以下几方面的工作。第一,建立激励机制。学院出台相应政策,将竞赛指导教师的工作量纳入年终绩效考核中,激发指导教师的工作积极性。第二,管理规范化。为了在筹备和参与iGEM过程中提高工作效率,规范队伍管理,拟定《BNU-China iGEM队伍管理办法》,在团队架构、常务管理、考核评价等方面进行了详细规定。第三,对竞赛开展“课程化”建设和“教练式”辅导。iGEM大赛作为一项系统性工程,如何开展好对iGEM的宣传、普及、培训、选拔至关重要。一方面,学院将培训体系“课程化”作为建立长效机制的有效手段。将iGEM作为选修模块有机融入本科生“科研训练与创新创业”这一必修学分中,对iGEM以课程化的体系进行竞赛的介绍、讲解、选聘与指导。另一方面,学院要求指导教师对参赛学生开展“教练式”辅导。虽然iGEM要求以学生为主体,但指导教师在前期准备、实验操作、持续沟通和后续跟进等环节对学生进行全方位跟踪式的辅导,关注学生在参赛过程中的心理状况、技术困难等一系列问题,可以为学生顺利参加比赛保驾护航。
  (三)以文化人,培育团队文化
  文化的力量凝聚发展的能量,团队文化是促进大学生创新能力培养的内在驱动。优秀科研团队具有以下几个特征。1.科学精神。鼓励成员独立思考、独立判断,尊重事实和证据,推崇实证意识和严谨的求知态度,注重成员创新意识的培养。2.目标统一。能够制定清晰的、科学的、可达到的目标,整合内部资源,统一思想和行动,有步骤、计划地实现目标。3.相互合作。团队成员能够充分发挥自身的专业优势,在一系列行为规范下促进成员间的合作与提高。4.氛围和谐。能够达到真正的相互尊重、互相关心,构建和谐的人际关系,营造出合作、信任、愉快的氛围。5.共同学习。团队倡导全方位学习,在团队沟通和合作中共同学习。6.良性竞争。团队内部开展合作型竞争,形成争先意识,从而在团队中营造创新和超越的氛围,培养开创性思维,激发成员的潜能[4]。优秀科研团队的建设有赖于培育优秀的团队文化,优秀的科研团队文化能够通过共同的规范、信仰、目标、价值观将成员凝聚在一起,团队成员具有高度的团队认同感和归属感,具有高度的工作热情和创新欲望。
  学院坚持以文化人、以文育人,通过各方面的举措培育iGEM团队文化。第一,搭建独立的活动空间,为团队提供独立的活动空间;开展文化墙的设计,在成员共同构思、设计、实践的过程中增强对共同目标的认同,形成共同的价值理念。第二,建立团队沟通平台,在培育团队中以兴趣小组的形式固定。这一方面能保障团队运行的延续性和稳定性;另一方面,这也为团队提供了交流沟通的渠道,促进团队的亲和力和凝聚力。第三,促进多学科融合,以兴趣为导向兼容并包,吸引各类学科专业背景的学生参与,激发团队的创新活力。第四,融入社会主义核心价值观教育,培养队员不怕吃苦的奋斗精神和甘坐冷板凳的科学精神,全员、全过程、全方位开展思想政治工作,培养德才兼备的创新型学生。
  通过以上探索,学院创新培养体系,全员、全过程、全要素参与到人才培养过程中,明确职责和分工的同时建立定期联席会议制度,保证工作顺利运转;建立制度保障,通过项目制运行和教练式辅导确立“课程化”培训体系,并建立各方激励机制、团队规范化文件等,促进工作科学开展;培育团队文化,以确立共同的价值目标和提升创新能力为着力点,培育德才兼备的社会主义合格建设者和可靠接班人,为依托国际遗传工程机器竞赛(iGEM)构建提升大学生创新能力的培养模式提供了有益探索。
  [ 参 考 文 献 ]
  [1] 田六,罗旭东,张红雨,等. iGEM竞教结合提升学生科研创新能力及综合素质[J]. 高校生物学教學研究(电子版),2016(2):57-62.
  [2] 郝晓冉,邴杰,陈金波,等.大学生自主创新能力培养:国际遗传工程机器大赛简介[J]. 生物学通报,2017,52(7):21-23.
  [3] 樊利,丁珠玉,唐曦,等. 构建多学科竞赛平台 培养实践创新人才[J].西南师范大学学报(自然科学版),2016(8):178-182.
  [4] 杨琳,吴磊.高校科研团队文化建设研究[J].赣南师范大学学报,2008(2):106-107.
  [责任编辑:陈 明]
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