關于生物工程專業實驗體系中PBL教學模式的探索與實踐

吳瓊英　賈俊強　錢平　季更生　王娜

[摘 要] PBL教學是一種以問題為中心、學生為主體的教學模式。本文在介紹PBL教學特點的基礎上，提出了在生物工程專業實驗課程體系中運用PBL教學模式。本文介紹了PBL教學模式在生物工程實驗課程體系中的組織實施方法，闡述了PBL教學模式對生物工程專業實驗課程教學的意義，指出了生物工程實驗PBL教學中存在的問題，并提出了解決方法。

[關鍵詞] PBL；教學模式；生物工程；實驗課程

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2017） 04-0110-03

生物工程是以微生物學、遺傳學、生物化學和分子生物學等學科的理論和技術為基礎，結合化工、機械和信息等工程技術對遺傳物質進行操縱，改變生物的性狀，使生物產生對人類有益的代謝產物的一門技術，主要包括基因工程、酶工程、蛋白質工程、發酵工程以及細胞工程，是一門應用性強的學科。本校生物工程專業要求學生通過大學四年培養后，具有扎實的生物學與工程學方面的理論基礎、具備從事生物工程產品生產、工藝設計、生產管理、新技術研究和新產品開發等方面工作，具有較強實踐能力和創新精神的應用型高級工程技術人才。依據生物工程學科的特點及其本科專業的培養目標，培養學生的專業技能和創新能力是各高等院校的核心競爭力和立足之本。實驗教學作為本科教學的重要組成部分，不僅是培養學生實踐技能的重要手段，也是培養學生分析問題、解決問題和創新能力的重要途徑。一直以來，生物工程專業實驗教學主要采用以教師為中心的傳統教學模式，一般由教師事先準備好實驗所需的試劑和材料，然后學生依據相應的實驗指導書進行實驗操作，且實驗內容設置大都屬于驗證性、演示性或綜合性實驗，這阻礙了學生分析問題、解決問題以及創新能力的培養。因此，對生物工程的專業實驗課教學內容、教學方法和手段等進行改革勢在必行。本文針對目前生物工程專業實驗課程教學的現狀，將PBL（problem-based learning）教學模式引入到生物工程實驗課程體系的教學實踐當中，以江蘇科技大學生物技術學院為例，探索了PBL教學模式在生物工程專業部分實驗課程（包括普通生物學、生物化學、生物反應工程和生物分離工程）教學實踐中的組織方式、效果評價和教學意義，并指出了亟待解決的問題。

一 PBL教學模式簡介

PBL教學是由神經病學教授Howard Barrows提出的教學方法，最初在加拿大麥克瑪斯特大學醫學院首先試行，取得了良好的教學效果。PBL教學提倡教師主導，學生積極參與，共同完成課程教學內容。在教學實踐中，教師根據教學內容，將學習內容設置到有意義的問題情境中，學生圍繞問題展開主動學習，通過查資料、討論、歸納、論證等學習過程解決問題，從而實現理解和掌握課程學習的內容。PBL教學的優點在于能夠最大限度激發學生的學習興趣和探索欲，提高學生自主學習能力、分析問題能力以及解決問題能力。與傳統教學相比，PBL教學具有問題基礎性、團隊協作性、時空開放性、知識探索性、師生互動性等特征。

按照PBL教學實踐，通常PBL教學環節大致可以包括：劃分學習小組；教師根據教學內容提出問題；學生歸納所需解決的問題；學生收集資料；教師與學生討論；提供反饋信息；解決問題；產生新的問題；重復上述教學過程，直到完全掌握教學內容，其教學流程如圖所示。

二 生物工程專業實驗課程體系中PBL教學的組織實施

（一）立足本課程內容，設立綜合性問題情景

針對教學內容設立綜合性問題情景是PBL教學的關鍵環節，直接決定著教學效果。因此，在設立問題情景時應遵循以下原則：

1 問題的層次性

問題設計一定要有層次，難易結合，要有一定的梯度性，使學生在解決問題過程中既能感受到成就感，也能感受到挑戰性，激發學生的學習積極性和探索欲。

2 問題的真實性

問題設計應遵循實事求是原則，不能虛擬，應與生活實際相關，培養學生利用專業知識分析和解決實際問題的能力。

3 問題答案的多樣性

問題的解決方法應具有多種形式，無固定的解決方法和過程，這既能提高學生思維的靈活性，又能培養學生的發散思維能力；同時，問題答案的多樣性也決定了學生在解決問題時會涉及到諸多知識內容，促使學生牢固掌握相關專業知識。

例如，在“分離純化一種蛋白酶”的設計性實驗中，教師對幾種常用蛋白酶進行簡單介紹，學生可根據自己的興趣選擇一種蛋白酶為目標物質并以此進行相應分組，然后教師針對每組分別進行實驗設計引導。以木瓜蛋白酶為例，提出系列問題：“木瓜蛋白酶有何用途？”，“木瓜蛋白酶有何特征？”，“蛋白酶粗提的方法有那些？”，“為什么要在分離過程中實時測定比活力？”，“蛋白酶純化有哪些方法？”。學生通過解決上述系列問題，可以順利制定出適宜木瓜蛋白酶的分離與純化方法，最后組織學生通過實驗對方案進行驗證和調整。這些問題中，內容涉及生物化學、生物分離工程、酶工程和生物統計學。學生需要掌握蛋白酶的基礎知識的同時，還能分辨出各分離純化技術存在的優缺點，同時掌握相關實驗設計及數據處理方法。在教師的引導下，制定出適宜的木瓜蛋白酶的分離純化方法。通過此問題式教學，提高了學生運用所學知識解決實際問題的能力。

（二）學生分組及收集資料

學生自愿分組，每組5至6人，然后依據教師給出的問題查閱相關資料，學生通過理解和掌握教材上的相關章節內容，并利用網絡信息資源查閱有關的文獻資料，尋找涉及到問題的相關信息，并將其提取出來，用于解決問題。通過這一階段訓練，提高了學生運用信息工具獲取信息、處理信息以及表達信息的能力。

（三）問題的推理與討論

問題的推理與討論是PBL教學法的重要環節，由教師引導學生圍繞問題將所收集的各種資料進行交流和討論，在交流討論中產生的新問題經進一步查找資料、交流與討論，歸納出解決問題的辦法，為下一步實驗驗證和調整作準備。

以上述“木瓜蛋白酶的分離與純化實驗”為例，通過討論問題“木瓜蛋白酶有何用途？”，可以使學生了解木瓜蛋白酶在食品、醫藥、飼料、日化、皮革及紡織等行業中具有重要作用的知識背景，可激發學生對木瓜蛋白酶的興趣，增強他們的學習動力；問題“木瓜蛋白酶有何特征？”的信息量非常大，如：木瓜蛋白酶的適宜pH決定了緩沖液的種類，木瓜蛋白酶的適宜溫度決定了提取過程中環境溫度，木瓜蛋白酶的分子量決定了純化時采用的分子篩類型；問題“蛋白酶粗提的方法有那些？”可以給出木瓜蛋白酶提取的基本流程；問題“為什么要在分離過程中實時測定比活力？”可以給出評價木瓜蛋白酶分離純化時所用方法的優劣；問題“蛋白酶純化有哪些方法？”可以給出適宜木瓜蛋白酶分離純化的方法。總之，通過上述問題的推理與討論，基本上可以制定出木瓜蛋白酶的分離與純化的實驗方案。

（四）實驗環節

根據各學習小組在教師引導下設計的實驗方案，利用實驗驗證設計方案的可行性。在實驗過程中存在的問題，各小組間可以相互幫助，共同解決問題。對不能解決的問題由教師引導解決。實驗結束后，小組成員將自己在實驗過程中遇到的問題以及討論結果匯總整理，并填寫實驗報告。教師應在實驗結束后對教學實施情況進行總結，若實驗結果存在偏差時，應引導學生分析其原因。并對采用不同分離純化手段分離同一種酶的不同組間進行分析、比較，加深學生對相關理論課程和實驗內容的理解。

（五）教學評價

與傳統教學不同，PBL教學強調學生自主學習能力、團隊協作能力、分析問題和解決問題能力。因此，PBL教學評價應有自身獨特的評價體系，以激發學生的學習熱情，發揮 PBL 學習的優勢。在生物工程實驗PBL教學的課程成績評價體系中，采用學生自評、小組互評、教師評價相結合的形式，其中權重比例分配為15%、25%和60%。根據劉銀萍等報道的學生成績評價體系，本課題組建立了我校生物工程專業實驗課程PBL教學的實驗成績評價體系，如下表所示。

三 生物工程實驗課程PBL教學的意義

生物工程是一門強調應用性的學科，要求培養的學生具有扎實的專業理論知識，同時具有很強的實驗動手能力和實際應用能力。因此，實施PBL教學對生物工程人才培養顯得尤為重要。實驗成績評價統計結果表明，生物工程實驗課程中采用PBL教學取得了良好的實踐效果。

（一） 有利于培養學生自主學習能力

學生可以自主選題并設計實驗方案，不僅增加了學生的學習興趣和學習熱情，而且通過圍繞問題收集資料，可以提高學生檢索文獻和歸納資料的能力，增強了學生學習的主動性。同時大大提高了學生分析問題能力、口頭表達能力和實驗設計的能力。

（二） 有利于培養學生團隊精神和協作能力

以學習小組為單位進行學習和討論，共同完成整個實驗。學生依據自己的分工，在收集資料的基礎上提出自己對解決問題的看法，然后小組成員間相互討論、質詢和辯證，最終小組內部在教師的引導下提出解決問題的方案。通過上述教學互動過程，潛移默化培養了學生的團隊精神和協作能力。

（三） 有利于培養學生分析和解決問題的能力

PBL教學將學習內容置于一個問題場景中，通過解決這些問題，培養了學生的發散思維和橫向思維能力，加強了學生靈活運用知識和理論聯系實際的能力，加深了學生對理論知識的理解和應用，培養了學生利用各類知識資源分析問題和解決問題的能力。

四 生物工程實驗課程PBL教學面臨的問題

第一，與傳統的教學模式相比，PBL教學需要教師和學生付出更多的時間。PBL教學通過提出問題、收集資料、討論與歸納、論證等學習過程來解決問題，整個教學時間的預設應具有彈性，而傳統的學時制授課過于僵化，無法滿足PBL教學需要。因此，需要實施靈活的學時教學，為生物工程實驗PBL教學順利進行提供時間保障。

第二，PBL教學對教師的綜合素質要求高，不僅要具有豐富的專業知識，同時也要有良好的指導技能。當前大部分高校中，一門生物工程專業實驗課程通常僅由1至2位教師指導，若實施PBL教學時，往往增加了教師的教學壓力，同時也降低了PBL教學效果。因此，建立實驗課程教學團隊很有必要，實驗內容由教學團隊成員依據教學大綱共同制定，共同授課，課程內容的分工可由教師依據自身優勢選定，通過教學團隊的協作能夠發揮各教師自身的優勢，互相補充、取長補短，以提高PBL教學效果。

將PBL教學模式應用于生物工程實驗教學，具有傳統教學模式不可比擬的優勢。學生經歷了情景問題的引入、資料的收集、討論與歸納、論證等學習過程，不僅提高了學生的學習興趣和團隊協作精神，而且增強了學生分析問題和解決問題的能力。總之，PBL教學能夠有效提高生物工程專業學生的綜合素質，為生物學科的應用型和創新性人才培養提供了新的思路和方法。

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