生物化學與分子生物學綜合實驗課程的建設與實踐*

尹燕霞 駱 靜 楊 冬 向本瓊

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

生物化學與分子生物學是生物學、生態學、化學、醫學、農學、藥學等學科的重要基礎學科。生物化學與分子生物學實驗是高校生物學類專業核心課程，是生物化學與分子生物學等理論教學的延伸與補充，也是掌握生物化學與分子生物學研究技術與方法的重要實踐環節，是訓練學生基本技能、提高動手實踐能力、培養科研思維和科學素養的必修實踐教學環節。進行相關實驗教學的教學改革在生物學類相關專業人才培養中起到非常重要的作用，也是更新教育觀念、積極推進創新教育、努力探索培養創新人才的模式和途徑之一［1］。

1 課程基礎與歷史沿革

生物化學實驗與分子生物學實驗是北京師范大學生命科學學院具有悠久歷史和成效顯著的生物學類專業基礎課程。分子生物學實驗課程曾獲國家理科基地名牌課程、國家級精品課和精品資源共享課，其配套教材《分子生物學實驗指導》先后入選國家“十一五”“十二五” 規劃教材及北京市高等學校精品教材，并出版了新型態教材《分子生物學實驗數字課程》。生物化學實驗課程曾獲校級精品課程，其配套教材《基礎生物化學實驗》入選國家“十一五”規劃教材。

為適應生物科學技術的迅猛發展，將這2 門課程進行整合與調整，建設了“生物化學與分子生物學綜合實驗”，對已有的教學內容進行提升和拓展，搭建新的課程體系，培養學生解決復雜科學問題的綜合能力與素質，滿足國家創新型人才建設及學科交叉融合的需求，為國家和社會發展培養更加杰出的拔尖人才，建設國家級一流本科課程，踐行學校“雙一流”建設的歷史使命。

2 課程體系與教學內容

建成的“生物化學與分子生物綜合實驗”是集技能訓練與創新能力培養于一體的綜合型實驗課程，注重培養學生綜合實驗能力及科研思維，強調讓學生運用系統、科研的思路解決復雜問題。課程以基因和蛋白為主線將目前最基本的分子實驗操作和蛋白研究技術融于系列實驗中，形成綜合與設計型大實驗，實驗技術涵蓋了基因克隆與表達、蛋白的分離純化、酶學研究及蛋白質的高級結構變化檢測和免疫分析技術，同時緊隨學科發展不斷更新與補充新技術。課程內容包括基礎訓練、目的基因克隆、篩選和表達、酶的分離純化及酶學特性研究、腹水抗體制備及其效價檢測、分子篩層析分離標準蛋白、植物總RNA 的提取及RT-PCR、綜合設計實驗，以及其他延伸學習內容等（圖1）。

在課程教學中，筆者運用研究型實驗思路、混合式翻轉課堂教學方法，以E.coli堿性磷酸酶工程菌的構建、表達、純化、酶學研究及其多克隆抗體制備與檢測為主線，讓學生在學習過程中系統地完成各個實驗環節。學生先提取基因組或質粒DNA，以此作為PCR 擴增的模板，從PCR 出發完成E.coli堿性磷酸酶基因的擴增、酶切連接、篩選，轉化表達菌株，進行表達并在菌體勻漿液中進行酶活力的初步測定，篩選得到有活性的表達菌株后進行堿性磷酸酶的擴增表達和分離純化，并利用其純化獲得的產物對該酶的生化特性、酶促動力學參數進行研究，同時利用純化得到的蛋白免疫小鼠，制備該酶的多克隆抗體。與傳統的實驗課程相比，綜合實驗使學生更好地掌握生物化學和分子生物學的實驗技能，鍛煉其在科學研究與實驗操作中解決復雜問題的能力，提升科研思維和實踐能力。

圖1 課程體系與教學內容

3 基于SPOC 的線上、線下混合式教學模式

為適應時代發展，貫徹執行教育部關于一流本科課程建設的實施意見，推進課程改革創新，實施科學課程評價，建設國家級線上、線下混合式一流課程，筆者實施構建了基于SPOC 的線上、線下混合式教學方法的改革探索，開展以學生為中心的個性化教學和翻轉式教學，提升學生的學習效率和教學質量。基于SPOC 的混合式教學模式，即采取以SPOC 視頻為主的線上教學活動與以翻轉課堂為主的線下教學活動相結合的教學模式［2］，包括課程資源建設、線上教學、線下教學、課程成績評定等部分。

3.1 SPOC 資源建設 為更好地實施翻轉課堂教學及方便學生學習，筆者在2018年已經完成了綜合實驗課程全部內容的授課和實驗操作視頻錄制，覆蓋實驗課程的所有核心知識點，并按翻轉課堂的要求對知識點進行分割、制作，將全部課程內容碎片化為近200 個視頻，每個視頻5～20 min，建設了分子生物學實驗MOOC 和生物化學實驗MOOC，并在中國大學MOOC 平臺（https://www.icourse163.org/）進行開課，面向社會開放。同時基于MOOC 的專屬在線課程SPOC（https://www.icourse163.org/spoc/learn/BNU－1205827829#/learn/content）在學校云平臺面向北京師范大學生物學專業本科生開放，基于建設的SPOC 進行混合式教學。SPOC 線上模塊包括課程公告、課程資源（教學課件、教學視頻、單元測驗與作業、考試等），課堂討論包括課堂交流區、教師答疑區、綜合討論區等。SPOC 線上資源按課程體系與教學內容劃分為17 個單元，包括所有線下實驗項目和延伸學習的實驗項目、測驗題、單元作業、討論題等，其中每個實驗項目又包括涉及實驗背景與實驗設計等理論知識的教師講授、以微距近景拍攝方式錄制的全程實驗操作和虛擬仿真實驗操作等3 個部分。線上內容與線下17 周教學實驗遙相呼應。

3.2 線上教學 學生注冊登陸后，根據教師發布的教學計劃和學習安排表，在下一次實驗課之前，進行線上SPOC 實驗內容的學習，自行選擇時間和地點上網登錄觀看視頻，進行虛擬仿真實驗操作、在討論區參與討論、對難以理解的內容進行提問、限時完成單元測試及作業，并閱讀相關文獻等。同時教師和學生之間通過SPOC 論壇展開教學交流，引導學生思考討論。

3.3 線下實驗教學

3.3.1 課程組織實施情況 線下教學方式以翻轉課堂為主，從2018年連續2年進行了綜合實驗混合式教學翻轉課堂的實踐。在教學中，充分利用啟發式和探究式教學方法，課前引導學生線上學習時發現問題和思考問題，課堂上采用討論、演講等形式進一步鞏固專業知識、實驗技能和操作規范。線下完成實體實驗，學生上手更快，提高了實驗的成功率及實驗教學的吸引力和有效度。同時通過增加實驗的探索性，設置專題研討和實驗設計等環節，引導學生積極思考，獨立設計實驗方案，激發其探索生命科學的興趣，體驗科學研究帶來的樂趣與成就感，增強創新實踐能力，培養科研思維及解決復雜問題的能力；解決了學科與技術發展所導致的知識增加與學時縮短之間的矛盾，滿足了學生主動求知與個性化發展的需求，提升了學生的學習效果和課程教學質量。

線下課堂以學生為中心，教師采用多種教學方法組織教學：①分成若干2～3 人小組協助完成實驗操作、撰寫科研論文式的實驗報告和課題申報式的實驗設計，且要求每份實驗報告和實驗設計均具有獨特性；②在關鍵環節中，設置多次全體學生參與的專題研討，針對整體實驗設計、研究理念、科研誠信等大方向，以及引物設計、實驗誤差分析等研究細節，在教師引導下進行深入討論；③其他形式：例如文獻研讀、口頭匯報等。

3.3.2 豐富的儀器培訓與虛擬仿真技術 該實驗課程涉及大量基礎實驗操作，會用到各種專業儀器設備，培養學生規范使用儀器是實驗教學順利進行的前提。鑒于此，一方面，筆者制作了系列儀器設備相關的虛擬仿真實驗，介紹操作過程；另一方面，在教學第1 周，進行實驗室安全教育和儀器設備培訓考核。由實驗教師現場示范操作。學生通過考核才能進行后續實驗。3.3.3 多樣化的實驗方法 為拓展學生知識面和科研視野，實驗課堂中引入了多種實驗方法，例如提取質粒時選用化學試劑法破碎細胞，分離純化蛋白時采用超聲波法破碎細胞，提取基因組DNA 時采用玻璃勻漿器研磨破碎細胞；提取質粒時，同時采用了經典的堿裂解法和科研中常用的試劑盒法2 種方法。此外，瓊脂糖凝膠電泳和PCR 技術等虛擬仿真實驗也成為課堂教學的有力補充［3－4］。

3.4 課程成績評定方式 為了體現基于SPOC的混合式翻轉課堂教學模式的教學效果，課程成績評定方式由線上和線下2 個部分構成。采用過程性評價，既考查實驗操作過程，又突出主動學習過程。一是考核學生的線上學習情況，包括在線學習時間、觀看視頻和文檔、討論區的討論發言（發帖數量和質量、回答他人問題等）、單元測驗、作業、期末測試、討論等來評價學生線上的學習效果，占實驗總成績的25%；二是考核學生線下實驗學習情況，包括實驗報告、實驗設計、實驗態度、實驗技能與習慣、動手操作能力、解決實際問題的能力，占實驗總成績的75%（表1）。

表1 混合式教學模式課程成績評價體系

4 教學評價與反思

目前，生物化學與分子生物學綜合實驗已運行3年，得到了學生的高度認可，學生普遍認為該課程教學體系和教學內容非常好，本課程激發了他們的學習興趣和探究欲望，培養了從事科學研究的實驗技能和科研思維，提升了解決復雜問題的綜合能力。線上、線下混合式教學對教師提出了更高的要求。教師應在教學實踐中積極探索SPOC教學規律，進一步深化教育教學改革。

生物化學與分子生物學綜合實驗課程結構與實際的科研過程較接近，利于學生應用于未來的科研實踐中。課程強調發揮學生的主動性和培養學生創新科研思維，利于培養科學研究或技術開發人才。課程的結構具有一定的彈性，即對學生有一定的“個性化”特色，不同的學生可根據其能力獲得有所差異的體驗，從而實現“因材施教”的效果。筆者將不斷改進教學內容及教學方法，打造國家級線上、線下混合式一流課程。