新世代跨領域科學人才培育計畫

陽明大學生醫基礎科學教育革新


  過去二十年來科學與技術進展日新月異,其龐大的知識量為莘莘學子增添不少學習壓力。教育應順應時代潮流,與時俱進,過去各領域毫無交集,因循傳統既定章節編排的授課內容,以及單純就期中期末兩次筆試,只看分數忽略學習過程的作法,已不再適用。

  為因應現代技術之變革,我們需要先確立大學的定位,以學生為中心,配合學生未來所需規劃整合性基礎科學課程內容,課堂上以翻轉式教學與循序漸進的問答激發學生主動思考,佐以多樣化的學習成效評量測定學生學習成效,並依據學習成效隨時調整課程進度,這些都是當今生物醫學教育的改革重點。

  陽明大學是以生醫領域為主軸的醫學型大學,由於並非綜合型大學,缺乏理學院的支持,陽明在課程改革上也面臨了特別的挑戰。在科技部新世代跨領域科學人才培育計畫的支持下,陽明得以突破此番困境,由基礎科學課程著手,精進數學、化學、物理、生物以及實驗等課程。以下是各課程執行改革的經驗與成果。

大一普通生物學究竟應該教什麼?

周成功老師《生物學特論》

周成功老師《生物學特論》

  中文世界檢討大學部課程內容的機會非常少,相反的在英文世界特別是近十年對大學教育的內容及教法有非常重大的改變,各種嘗試及經驗累積非常豐富。

  傳統上大一普通生物學的目標是首先是培養專業英文閱讀能力,所以多半會使用英文教科書。接著是專業知識的加深,所以採用的教科書頁數1500頁起跳。其它還有主動學習的能力、批判思考的能力、解決問題的能力、聽說讀寫的能力。可以發現傳統上強調的是前面兩項目標,而後面四項很重要的都是能力,能力該如何培養?在我的普通生物學課堂上我將能力的培養擺在目標之前,將專業知識的加深擺在最後並不代表不重視,而是在學生擁有自主學習能力,也習慣自主學習之後,自然會因為需要而去尋求專業知識的補給。

  1500多頁的內容該如何取捨?我的嘗試是以演化為課程背後的主軸,以問題引導課程進行,這種進行方式非常耗時間,所以無法涵蓋所有內容,而是以演化為主軸篩選出24個主題。舉例來說:第二週課程談生命的起源,我以達爾文提出的「溫暖的小池塘」比喻切入,引導學生思考以現在的生物、物理、化學觀點,達爾文當時的想法有什麼問題。另一個例子是免疫的主題:學生在高中念了三年的生物,以記憶的方式背誦了許多生物的基礎,他們知道B cell用抗體直接辨認抗原,T cell需要MHC來呈現抗原,但同為免疫細胞為什麼會有這些差異?在這種時候學生就必須要去認真思考而不是單純的背誦知識。

  我認為大學部教學是大學的首要之務!現在過分強調研究己經扭曲了大學老師的價值觀。如何扭轉過來是台灣未來很大的挑戰。



實驗課程的翻轉與創意教學

蘇金源老師《生物遺傳原理的實作與應用》

蘇金源老師《生物遺傳原理的實作與應用》

  現行國內大學教育在各基礎科學實驗課程中,無論是在教學方法或教學內容,長期以來都墨守成規沒有太大的改變,導致原為培養學生動手做與主動思考的實驗課程目標幾乎無法達成,遑論希望藉由實驗課程引起學生對於研究的興趣。因此我們大膽嘗試改革大學一年級「生命科學實驗」,建立一個理想的實驗課程典範:包括創新實驗課程的設計,翻轉教室的教學策略,營造互動式學習環境,建立教學助理制度,以及依據學生學習成效為本的課程評量方式等。

  生命科學實驗一上,副題「生物遺傳原理的實作與應用」,這門課是專注在遺傳原理上,涵蓋所有遺傳原理的實驗實作。我們使用酵母菌取代孟德爾使用的豌豆進行遺傳實驗,原因是豌豆從種植到開花要三個月,歷時過長,且豌豆的基因型不易確立,孟德爾當年實為收集大量數據,經統計分析方能推算出遺傳定律。酵母菌有便宜易操作、生命週期短、有遺傳學背景適合做為模式生物等優點,因此我們會利用酵母菌來重現孟德爾的遺傳法則,從基因角度認識遺傳概念。

  課程進行仰賴教學助理(TA)協助,以1位TA帶領8位學生的方式進行。這門課開在大一,採用三年級的學生作為TA,在暑假有另外開設一門課程訓練TA。課程完全採用翻轉教室做法,每周課程事先拍成影片放在網路上,學生有更多時間可以先在網路上學習課程內容的原理和操作。根據課程內容設計了討論的題目,上課的第一件事便是由TA帶領學生藉由這些延伸題目進行小組討論。

  104學年度9月開學,第一個月利用觀察細胞、量測細胞生長曲線等實驗,讓學生熟悉模式生物並掌握操作技巧。接下來設計了四條路線的實驗,其中有兩條是模仿孟德爾的雜交實驗。一是利用紅白二色酵母菌進行單性狀雜交實驗,二是auxotrophic marker的雙性狀雜交實驗。第三條路線是利用ade2 suppressor genes學習基因交互作用,認識基因型與表現型的關係。以上實驗同時進行但時間會稍微錯開。最後一項是給學生各組不同的未知酵母菌品系,學生在未知的情況下利用先前學到的實驗去操作並判別出各自的品系。這種設計的好處是,各組結果皆不同無法抄襲,且各組間有競爭心態,學生會更加投入。

  這門課非常重視學習成效評量,且評量種類多樣。學生在高中時期已學習三年生物知識,對孟德爾遺傳定律與顯性隱性的概念應有初步認識,學期初第一堂課會先測試學生對遺傳概念的瞭解,利用Clicker即時反饋系統可立即得知學生的答題狀況。然而在4選1選擇題中,全班45人有80%回答錯誤,而逐一詢問回答正確的9人為何選擇該選項,卻只得到「用猜的」的回答,可見出學生100%對遺傳沒有正確的認知。從課前評量可以看出學生的盲點,也可以調整課程內容加強。經過一個學期的實驗學習後再重新進行檢測,用不同方式、以酵母菌角度詢問相同的問題,多達96%的同學回答正確,表示學生不僅理解孟德爾遺傳定律,更可將其延伸應用在不同的模式生物,完全達到當初教學所設定的目標。

  語言的溝通與知識的表達也是學習過程的一個要件,除了透過同儕間的討論,也非常希望學生有能力將所獲的知識傳播出去。因此課堂中設計了一項「和家長分享」的作業,讓學生向家長介紹孟德爾遺傳定律,並以手機或其他器材採訪家長,拍攝3分鐘短片,直接讓父母對學生學習表現或教學內容發表心得。整體而言家長反應相當踴躍,對於能參與子弟的學習表達正面肯定。

  學生反應部分,根據期中意見調查以及期末成效評量結果,學生對於課程滿意度與學習成效都有高度認同,為本計畫所規劃的課程改革理念提供令人鼓舞的正面回饋。



細胞生物學教學改進

俞震亞老師《細胞生物學》

俞震亞老師《細胞生物學》

  細胞生物學在我們系是大二下的必修課,大二必修包含生物化學、分子生物學和細胞生物學,這三門可說是現代生物學的基石。

  細胞生物學的內容主要在介紹細胞結構與功能以及細胞調控。比起用Why討論細胞為什麼要做這些事,更多的時候我們是在討論How,細胞如何做這些事。相對於Why強調的思考,How是相對瑣碎的背誦,因此我們將重點放在學生的理解與表達能力上,將三學分的細胞生物學改為二學分的細胞生物學及一學分的細胞生物學討論課。

  討論課的設計是採用抽籤分組,3人一組,會出2~3題問題讓同學回去思考並在課前繳交書面報告,課堂上各組上台報告。舉去年使用的問題為例,結合新聞報導「英16歲美少女粒線體失常,身體停止生產能量,只有兩年可活」,請學生思考「沒有粒線體功能,身體真的會完全失去能量嗎?」、「為什麼這位美少女前16年是健康的,而且16年後發病仍然可以繼續存活兩年?」、「若是新聞是錯誤的或是有缺失,您會如何修正或補足這則新聞?」等問題。

  實際操作後可觀察到學生有確實整合上課知識,蒐集與分析資料能力以、邏輯思考、表達能力以及批判思考能力都有進展。另外遭遇的困境有:組員分工衝突,可能求學過程中都是追求個人表現,少有與人合作的機會,一旦要求分組進行就容易衍生分工衝突。學生未養成主動發言習慣,最終還是需要指定組別發言。學生過於在意成績。比起學到多少,學生更在意最終成績多少。

  最後,實際的成效則需要嚴謹客觀的學習頻量,以及長時間的追蹤。也期望未來有更多的生物相關課程增加討論類型課程,讓學生有更多整合知識與表達意見的機會。



生化分生實驗:從扎實的基本功培養科學態度

蔡亭芬老師《生命科學實驗(二)》

蔡亭芬老師《生命科學實驗(二)》

  生命科學實驗(二)分上下學期共4學分,對象是二年級的學生。二年級的主要核心課程包括生物化學、分子生物學以及細胞生物學,我們安排的實驗課程包含這三門核心課程的內容,並將兩者連結,依據課程安排實驗課進度。將實驗內容與課程連結的做法,不但有助於核心課程的學習,也增進學生對實驗的興趣。

  隨著生物科技的進步,新穎實驗技術日新月異,我們認為在有限的時間內,與其接觸很多不同的實驗,不如徹底學會基礎實驗,專注於生物醫學領域基本功的培養,藉由完整理解實驗目的、步驟與試劑原理,進而增進科學邏輯舉一反三,從實驗中學習「學習的方法」。除原理邏輯外,生化分生實驗的操作多半需要練習,藉由課程的連貫性,諸如抽去植體DNA、電泳分析等操作會重複出現,同學從最初的緊張失誤到後來可以從容完成,隨著實驗進行對於同學自信心的建立與科學興趣養成有很大的幫助。

  上課方式沿用傳統的寫黑板,並將講解部分依據實驗操作分段進行,我們發現如此能有效維持學生專注力,且易於同步化全班的操作進度。在許多實驗的等待時段則進行互動式討論,把個別學生遇到的問題提出與全班一起討論,也鼓勵同學直接上黑板與老師互動,有效提升學習氣氛加速同學成長。另一項重點是我們相當重視實驗記錄本的撰寫練習,取消原本作業式的實驗預報與結報,以寫實驗紀錄本取代之。一本實驗記錄本連貫一整年的學習,從實驗規劃、原理、操作過程記錄、結果整理,實驗中遭遇的問題與調整,以及最後的討論,從實驗記錄學習嚴謹求真的科學態度,倘若未來欲從事科學研究會有很大的幫助。



大一數理整合科學課程設計

黃宣誠老師 大一數理整合科學課程設計

黃宣誠老師 大一數理整合科學課程設計

  現代生物學研究前沿用到很多尖端的物理化學技術,例如影像和現在非常蓬勃的基因體定序等等,這些技術讓研究上獲得大規模實驗數據。臨床醫學上,現在很夯的精準醫學,也是採用巨量健康資料與個人基因體資訊為診斷治療依據,隨著定序的費用越來越低,配合穿戴式裝置蒐集健康數據,將這些數據用於個人化健康照護的未來或許會在不久後實現。新一代的研究人員與臨床醫療技術專業人員需要具備跨領域知識、量化思考素養以及計算分析技術,才能處理這些龐大的實驗數據,如果照以往生醫領域科系的基礎科學訓練,很難充分理解這些新技術的來由和後續應用。

  原有生醫領域科系的基礎數理課程多半安排有:微積分、物理、化學再加上實驗。但在其他專業領域課程的時數排擠下,基礎數理課程的時數僅有一般理工科系的一半,且缺乏進階數理課程。陽明在梁校長與高副校長的推動下,從幾年前便將計算機概論定為全校必修,為生醫領域與資訊的結合打下基礎,但是課程科目與時數已經飽和,沒有再增開數理課程的空間。

  為了解決這些問題,我們設計了數理整合科學課程,這套課程是受普林斯頓大學的經驗所啟發。普林斯頓大學從2004年開始嘗試一套Integrated Science Curriculum,開設一門集合式的課程,其內容包含物理、化學、生物(主要是遺傳和生化)以及資訊科學,但全部是根據未來所需要的生物相關知識去選擇內容。儘管普林斯頓大學的課程設計想法非常好,但是該課程是開設給在高中修畢大一微積分且取得A+的學生修習,其小班菁英教學的模式不適合直接照搬。

  我們採納Integrated Science Curriculum的精神,首先將各科目觀念重疊的部分整合,例如:熱力學在物理和化學都有提到,可以直接整合。接著是挑選現代生醫科學所需的基礎科學知識為授課內容,例如:傳統微積分會從極限的證明開始教授,然而對生醫領域的學生而言微積分更偏向是個工具,所以我們更重於教授工具的運用。如此,在統整之後得以在有限的時數下,有效率的教導生醫領域學生習得基礎科學知識並加強數據分析能力,應付未來的需求能更行有餘力。



生醫學系物理實驗教學之改進

羅俊民老師《普通物理學實驗》

羅俊民老師《普通物理學實驗》

  陽明大學目前有上普通物理實驗課的班級有醫學二、生科二、不分二、醫工一、牙醫一、醫放一以及105學年度新增的物治。許多人認為普物和普物實驗應該在一上大學就上,我不認同這種說法。普物和普物實驗在我們這種生醫領域為主的大學通常是比較不受重視的,但我認為這很重要,改進教學也是希望學生能學到對他們未來有幫助的內容。

  我們的課程內容選擇是參考NRC出版的《BIO 2010: Transforming Undergraduate Education for Future Research Biologists》,這本書對於生醫領域的學生在物理學應著重在那些訓練提供了建議,我們在課堂上講解概念以及設計例題時會盡量偏向這些。這份建議清單和傳統物理系的授課內容有許多差異,例如:流體力學、分子運動、表面張力,這些傳統物理學上非主流,較少提到,卻在生物系統上非常重要的概念,都是我們會特別注意的內容。

  另外因為陽明大學有醫學和牙醫,所以也有參考AAMC-HHMI出版的《Scientific Foundations for Future Physicians》,這本書是建議美國的醫學院在訓練醫學生時要注意那些要點,其中特別強調要教育如何將物理基礎和原理運用到生物與醫學當中。總而言之就是要以學生為主,設計課程內容以及教學方法都要符合學生的需求,一言以蔽之就是「因材施教」。

  以上學期的普物實驗課為例:配合生醫材料開發的軟硬度量測而在課程安排了楊式模數量測實作、為學習人體肌肉拉力量測而安排逆向動力學實驗,流動特性分析、黏滯係數量測、表面張力都是生物系統中常碰到的,所有實驗的安排都有實際臨床或研究上的應用,剛好陽明大學所有科系都與生物有關,所以我們設計這樣的物理實驗,對生醫領域科系的學生來說也比較有吸引力。



生醫領域的數學基礎

王禹超老師《微積分》

王禹超老師《微積分》

  微積分是大部分生醫領域科系學生在大學時期唯一必修的數學課程。陽明的課業很重,加上微積分可能對自己未來較無幫助的預期心理,如果有個「選擇放棄」課程排行榜,微積分肯定榜上有名。因此如何讓微積分這門課不這麼無聊,讓學生不會懼怕數學,且課程內容在未來學習或研究能用得上,就是我想達到的目標。

  我把這門課定位成「生醫領域的數學基礎」,有別於傳統微積分強調嚴謹的數學證明及計算,本課程著重在微積分的基本概念,以及其在生醫領域的應用,認識數學模型在生醫領域的角色,培養學生量化分析及邏輯推理的能力,也期望能引發學生對進階課程的興趣。課程內容規劃有微積分、微分方程、機率與隨機變數等主題,增加課程廣度以銜接生物統計、應用數學、工程數學等進階課程。

  授課方式除了以板書教授微積分的基本概念之外,也會以電腦程式模擬微分方程式的生物系統建模。課堂上的範例會盡可能選擇與學生切身相關的例子,例如以微分計算細胞培養的生長曲線及其OD值的變化,或者是建立生態系統中,捕食者與獵物間數量變化的數學模型,計算出平衡點與生態系的穩定與否。

  實施這套教學內容之後,比較實施前後學生對課程滿意度及教師教學滿意度的差異,兩者分數皆較實施前高。另外發現學生彼此間程度差異頗大,中後段學生在漸漸跟不上課程進度後很容易選擇放棄,為了不放棄任何一位學生,我們在104學年度投入助教開設習題課,並主動接觸輔導進度落後的學生,與無助教參與的103學年度相比,104學年度的期末考全班平均比103學年度高出近20分!助教的參與對拉拔學生非常有效。



有機化學教學經驗分享

林照雄老師《有機化學》

林照雄老師《有機化學》

  生科系的有機化學一直不斷的在改進,有了新世代跨領域科學人才培育計畫之後,班級組成不再只是生科系,還加入了不分系和醫學系學生。我們的目標是讓學生把有機化學作為未來其他課程及跨領域學習的基礎,例如以有機的概念解釋生物化學的現象,或者是105學年度藥學系學生加入後,在有機化學的基礎上能更加精進藥學專業的課程。

  由於我們將有機定位為相對基礎的課程,所以課堂上沒有實施翻轉教學,但仍舊鼓勵學生課前閱讀相關教材,可以多加利用台大開放式課程,觀看蔡蘊明老師錄製的有機化學課程,四學分的課程內容相當豐富完整。

  課程內容編排上是以化學生物學為主軸,強調化學原理在生命科學上如何應用。傳統的有機教學教育在簡單介紹完歷史後就進入官能基、化學反應、反應機制,三大同學認為「只能背」的章節。但是這些化學反應的根本是在電子,所以我們的做法是把重點放在電子密度的分布、電子流動的傾向,以及解釋在生命科學系統中如何應用這些化學原則。

  接下來進入教授各式化合物的環節,在介紹每個類型的化合物時我們有設定不同的目的,作為課程概念的延伸。 Alkanes和Cycloalkanes在傳統上被認為是沒有活性的化學分子,我們在這裡則是利用它們單純只有碳跟氫的結構,帶領學生了解化學結構的基礎並發掘建構的規則性。接下來的Alkenes和Alkynes則是在碳跟氫的基礎上多了π鍵,π鍵是活性的來源,在這裡學生要了解當化合物出現不飽和電子時就會產生化學活性。再下來芳香族的不飽和電子有非區域化的效果,帶來特定的穩定性,這種穩定性在生命科學非常重要,DNA的pairing便是仰賴於此。接著下來Organohalides在傳統上是強調化學活性的一段,我們則會強調電子的流動原則,以此為例向同學解釋化學反應的發生需要從電子多的地方流動到電子少的地方。Alcohols、Phenols和Ethers開始有氧原子進入,為分子增加酸性和活性,要同學思考不同元素進入化合物時產生的變化。再之後提到的Aldehydes和Ketones和生物系統上非常常見,這裡會介紹親電性及親核性兩種截然不同卻同樣出現在一個分子裡的特質,也可以解釋為什麼自然界會選擇這類型的分子進行許多生物體內的化學反應。往後是Carboxylic Acids和它的衍生物,不同的衍生物有不同的活性,這裡會向學生介紹生物體常用到的Acetyl-CoA活性從何而來,透過這些分子在化學反應裡的角色,回頭看它在生物系統內可以做的事情。學期末如果還有時間會再介紹Amines和Heterocycles,這類是在現今藥物發展上非常重要的一類型分子。

  有機化學該如何運用到生命科學裡面?分子代謝的基礎其實就是碳數的改變,只要給予適合的條件就能發生,但是這些條件有時是高溫、強鹼,而生物體內不可能有這樣的環境,所以我們會講到生物系統內酵素催化,看酵素如何把化學原則發揮到極致,讓反應得以在生物體內發生。



電腦恐懼症

巫坤品老師《計算機概論》、《程式設計》、《資料結構與演算法》

巫坤品老師《計算機概論》、《程式設計》、《資料結構與演算法》

  為什麼要學資訊課?這個問題不只是學生,有些老師也答不上來。學生在升學路上一路走來,數理化一直都有接觸,但資訊就不一定,一進大學突然被告知資訊很重要,是必修,肯定會因為不了解而排斥。所以我們面對的困境其實並不是「資訊教育該如何改變?」,而是「到底該不該學習資訊科學?」

  甚麼是資訊科學?最基礎的三門課是計算機概論、程式設計以及資料結構與演算法。國內資訊科系對這三門課的訓練已經非常成熟,我認為沒有改良的必要,重點應該放在前面所說的,改變學生對資訊科學的看法,認知到學習的理由。一般人常將資訊科學誤解為寫程式,其實寫程式不是資訊教育的目的,而是一種成果的呈現。資訊科學的本質是以「資訊式思考模式」為根基的問題解決方法,所以資訊教育事實上是在學習如何解決問題。

  資訊式思考模式可歸納成下列4項重點:1. 各個擊破。將困難的問題、龐大的資料切割成小規模分次處理。2. 掌握規律。觀察出資料中重複出現的趨勢及規律性。3. 抽象化與一般化。省略瑣碎的細節,建立一般性的原則。4. 設計演算法。以前三項為基礎,設計出一系列明確可執行的步驟,也可以說是SOP。這些能力和電腦沒有太直接的關係,它們是可以用在任何領域的思考模式。

  舉一個將資訊式思考模式運用在生醫領域的例子。若要用胺基酸序列預測蛋白質的立體結構,首先由於整條序列太複雜,我們可以先設法將胺基酸序列轉換成二級結構(各個擊破),然後大量分析比對已知蛋白質的二級結構序列,歸納出序列共通性(掌握規律),接著檢視目標蛋白質序列,並以已知蛋白質推測目標蛋白質的立體構型(抽象化與一般化)。這整個流程就形成了用胺基酸序列預測蛋白質的立體結構的演算法。

  最後回應前言,現有的資訊課程已足以訓練學生具備這些能力,我們所面對的挑戰,是在於是否認同上述能力為大學生所必須,以及是否認同將相關課程納入基礎教育之中。

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