《分子生物學》實驗教學設計研究

孫 超，白江平，畢真真，石 菁

(甘肅農業大學 農學院，甘肅 蘭州 730070)

《分子生物學》在生命科學中居于核心地位，其基本理論和研究方法已經滲透到遺傳學、生理學、微生物學等各個學科之中，因此高等院校中凡專業培養目標中包含掌握現代生物技術，《分子生物學》都是其必備基礎課之一。實驗課教學是《分子生物學》課程教學中的重要組成部分，是基礎理論轉化為實踐力量的主渠道。高效的《分子生物學》實驗課教學，不僅能讓學生對課程的應用和意義有具體而全面的理解，還能提高學生的實踐操作技能，提出問題、分析問題、解決問題的能力以及創新性思維。“翻轉課堂”尊重學生的主體性地位，其核心是先學后教和以教促學[1]。2018年9月，教育部印發《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》，提出“要以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，積極推廣小班化教學、混合式教學、翻轉課堂”[2]。因此，結合自身教學改革實際情況，逐步探索出一套基于“翻轉課堂”的《分子生物學》實驗課混合式教學模式，對于提升課程教學效果，對于學生綜合實驗能力的培養和理論知識的內化至關重要。

1 《分子生物學》實驗課教學現狀

在《分子生物學》教學中，實驗課教學是培養學生提出問題、分析問題、解決問題的能力的重要環節。通過實驗，除了驗證和鞏固分子生物學基礎知識、培養實踐操作能力外，更重要的是培養學生分析實驗現象、歸納綜合以及設計創新實驗的能力。然而，當前《分子生物學》實驗課教學存在教學方法僵化單一、教學內容陳舊零散、教學評價結果至上等問題，不能更好地滿足培養學生的動手操作和實驗創新能力的需要。

1.1 教學模式僵化單一，學生學習消極被動

教學方法是教師在組織和引導學生進行學習活動的過程中，為達到教學目標而采取的策略方法等。在教學方法上，教師要激勵學生自主、合作、探究，要引導學生積極發現問題、善于思考分析、敢于發表自己觀點。注入式、教師專制的“一言堂”式教學方法無形地剝奪了學生學習的積極性和主動性，抑制了學生本應該活躍的創新思維，使學生失去了學習的主動性，惰于深入思考和探究。沒有一種教學模式能適應所有的學生，為此，教學模式不能固定不變，教學方法也不能抱殘守缺，否則，難以取得很好的教學效果。長期以來，教師在《分子生物學》實驗課按照傳統的實驗目的、原理、實驗操作等程序進行講授教學，這種教學模式在給學生傳授學科知識方面有其積極的一面，但是在實際教學中也發現學生的積極主動性不高，參與度不夠等問題。學生只是被動地認為“實驗課的主要目標是對理論課知識點的驗證”，往往教師講授完畢，學生就開始按部就班的操作，缺乏對于實驗內容、實驗設計方面的獨立思考，難以培養出學生對于科學研究的興趣。

1.2 課程內容組織零散，學生體驗枯燥乏味

課程內容要考慮到各種課程要素，使之組織成課程結構，并使這些要素在動態運行中產生合力，以有效地實現課程目標。為此泰勒提出三條基本原則：連續性、順序性和整合性[3]。課程組織過程中，首先要關注課程內容本身的邏輯順序，即教學內容是否符合學科體系；同時也要關注學生學習課程內容時的心理過程(心理順序)，即教學內容需為學生而設計，應符合學生的心理認知習慣，如若不然，學生理解有困難就容易產生厭學情緒，教師就會事倍功半。當前，《分子生物學》實驗課大多都是教師僅憑教材去教學，而教材的內容大多陳舊過時，沒有跟隨時代的變化而變化，實驗項目與實驗項目之間孤立且沒有關聯，難以形成統一的教學體系。

1.3 評價結果至上，學生發展片面畸形

一般而言，教學評價的范圍是較為寬泛的，它常常設計到對教學內容、教學方法、教學環境、教學管理、教師、學生等因素的全面的評價，其中最主要是對教師的教和學生的學做出評價。其評價結果意在為總結教學經驗、改進教學提供反饋信息。對著課程標準，我們就會檢查出差距。在實際教學中，《分子生物學》實驗課教學對于學生的考核很少包括實驗準備、實驗設計等方面，多以實驗報告為主，學生對實驗設計整體把握的努力沒有考核指標的衡量。這種缺乏過程性的考核評價體系使得學生機械式地按照實驗操作流程去完成實驗，無法客觀反映學生對于理論知識的理解和實驗技能的掌握程度，更容易滋生應付實驗、修正結果、抄襲報告等現象。

2 分子生物學實驗課的翻轉課堂設計

翻轉課堂與傳統的講授法不同，旨在借助現在普及的信息技術，讓學生在課前完成基礎知識的精學，課堂上通過師生合作進行知識應用與問題解決，是一種教學流程的“翻轉”。同時，這種翻轉也會帶來師生角色、教育理念、課程內容、授課方式與教學評價等產生變革，進而帶動學生的學習興趣更強，學習參與感和主動性增加以及知識的應用效果提升[1]。它以建構主義理論、掌握學習理論為理論支撐，以問題為導向，利用信息技術幫助學生消化課前材料和進行線上討論，滿足不同學生的學習需求，能有效地擺脫傳統的“課上傳授知識+課下內化知識”的教學模式的束縛，是一種全新的、深層次的混合學習模式[4]。結合翻轉課堂的教學優勢，對《分子生物學》實驗課的教學設計進行探索，主要步驟包括以下幾個方面：

2.1 整合課程內容，搭建雙線平臺

《分子生物學》實驗課教學是《分子生物學》課程教學中的重要內容，主要包括：實驗一、植物DNA的提取和質量檢測；實驗二、目的基因的PCR擴增及產物純化；實驗三、質粒DNA的提取和瓊脂糖凝膠電泳檢測；實驗四、重組質粒的構建和大腸桿菌感受態的轉化；實驗五、陽性重組子的篩選和鑒定；實驗六、PCR產物測序結果的生信分析；實驗七、植物總蛋白提取；實驗八、Western blot檢測蛋白表達量。結合實驗課教學內容，首先充分挖掘和整合了線上與線下的實驗課素材，搭建雙線教學平臺。對分子生物學實驗教學中涉及的諸多知識點和操作要點視頻進行了收集和整理，來源包括中國MOOC(慕課)平臺中北京師范大學《分子生物學實驗》、中山大學《生物化學與基礎分子生物學實驗》、廈門大學《遺傳與分子生物學實驗》等。還有國外優秀生物實驗操作視頻欄目如Biology with Animations、MrSimpleScience、Shomu's Biology等。其次，合并和刪減重復內容，對網絡資源如瓊脂糖凝膠制備、SDS-PAGE凝膠制備、PCR擴增儀程序設計輸入指南等進行記錄、比較、合并、刪減和整合。再次，對學生需要但網絡資源中沒有的，我們就利用實驗室自有設備對未覆蓋的重難點進行講解并錄制短視頻微課予以補充。最后，將其中與實驗課程內容緊密相關的部分剪輯整理成一套完整視頻，視頻中加入中英文雙語字幕方便學生觀看學習。

2.2 改變傳統模式，活用翻轉策略

講授式的教學模式利于傳授系統化的知識，但其僵化死板的課堂教學形式，不利于激發學生學習的積極主動性，學生處于被動接受狀態，久而久之形成了填鴨式的教學。為了克服這一劣勢，首先將原有的大量需要在課堂上講授的板書或PPT內容替換為制作后的慕課和微課視頻，并在課前發布到網絡教學平臺、QQ群或微信群等公共網絡平臺，同時在作業區或發帖討論區布置觀看慕課視頻后需要解答或討論的問題。其次，結合學生對觀看視頻的接受程度，形成常見問題回答表(frequently asked questions)并利用課程平臺監測學生學習行為并計入過程性評價。最后，著重解答預習報告中的開放性問題和學生觀看視頻后自主提出的問題，并引導學生進行討論。一些常見和學生可以自學理解的問題，自學即可。這些問題內容涵蓋實驗核心理論知識、實驗操作需注意的細節、實驗設計可改進部分。

2.3 采用多元評價，兼顧過程結果

實驗教學深層目標是讓學生能夠掌握本學科核心實驗技術、技能，學會將理論知識應用到科研活動中，培養學生科學思維和創新能力，并且通過嚴格的實驗操作訓練幫助學生形成良好的實驗習慣[5]。改進后的《分子生物學》實驗考核增加對學生是否掌握本學科實驗技能、獨立思考解決科學問題能力和總結分析科研實驗能力等部分的考核比重。具體分為三部分：過程性考核成績(50%)主要包含線上學習行為成績(10%)、慕課自學成績(10%)、課堂討論成績(10%)、實驗操作成績(20%)。其中，線上學習行為成績主要考察后臺統計的視頻觀看完整度、在線時長等指標；慕課自學成績主要指學生線上報告。實驗報告成績(30%)主要包含實驗原理理解(10%)、實驗結果真實性(10%)、實驗數據處理、分析和討論(10%)。自主實驗設計成績(20%)主要指學生基于已掌握的理論知識和實驗技能撰寫綜合性實驗設計的成績。實驗設計內容包括實驗目標、實驗原理、實驗方法、實驗操作流程、預期結果等內容。教師在根據實驗設計的可行性、完整性、科學性進行批改并及時將問題反饋學生，激發學生的學習興趣，促使學生積極思考，增強學生對科學發現的敏銳性，培養學生的創新思維。

3 翻轉課堂下的《分子生物學》實驗課教學設計的成效

為了驗證教學設計的成效，選取了對照組和實驗組各30人(性別和年齡無統計學差異，P>0.05)對《分子生物學》實驗課同一教學內容進行對比，翻轉課堂改變了常規的以“教師為中心”的傳統教學模式，激發了學生的主觀能動性，利于學生自主探究和創新(表1和表2)。

表1 兩組學生一般情況比較

表2 兩組學生的教學評價比較

3.1 學生學習方式更加多元，學習主動性增強

翻轉課堂對傳統教學觀念進行了顛覆，使課堂成為師生答疑解惑、討論交流的場域，課外變成了學生自主學習的主陣地[6]。傳統的教學模式中，教師在課堂上無法實施針對不同學生的個性化教學，沒有時間組織學生討論，不能為學生解惑答疑。而翻轉課堂則能更大程度上實現了學生自主學習[7]。學生可以選擇自己喜歡的方式去觀看教學視頻，他們可以對視頻進行暫停、慢放和重播等操作。學生還可以獨立地，隨時、隨地、隨意地，一遍又一遍地訪問課程內容，根據自身情況調整學習進度、學習計劃、學習環境等，真正實現了“按自己的步驟學習”。調研結果顯示，對照組和實驗組在“課程興趣”上有顯著性差異，實驗組學習興趣更濃(P<0.05，表2)。在“翻轉課堂”里，實驗知識的初步講授過程在課下完成。學生通過學習視頻資料、在線課程等途徑實現對實驗知識的初步接受與建構過程，學生的學習興趣更為濃厚。而在傳統課堂上，學生在老師的指導下通過生生互助來達到對知識深層次的理解和能力的提升，學生缺乏學習積極性。

3.2 學生合作能力增強，課堂專注度提高

與傳統課堂教學模式相比，翻轉課堂提升了學習者之間的交流和溝通能力以及協作能力。調研結果顯示，實驗組學生的小組協作效果顯著優于對照組；從學生的課堂測試成績可以看出，實驗組與對照組存在顯著性差異(p<0.05，表2)。翻轉課堂式的合作學習煥發了課堂的生機和活力，促進了師生、生生互動，能更好地調動學生學習的主動性和積極性。在翻轉課堂教學中，鼓勵學生發表自己的見解，學生之間、師生之間開展多維立體的對話、討論抑或辯論。在“知識內在化”階段，生生、師生合作，共同解決“知識接收”階段遇到的困難，有效地實現了互動，培養了學生的團隊合作精神。此外，還發現翻轉課堂中學生的學習專注能力得到了提高，他們能積極關注其他的學生對自己或者自己小組的綜合評價，也會積極去發現并提出別的小組在學習過程中存在的疑惑。

3.3 學生獨立性提升，師生互動性增強

傳統課堂教師重講授，輕討論；翻轉課堂教師輕講授，重討論，給學生時間讓他們在交流中學、在做中學[8]。教師作為學生的指導者、幫助者、促進者，重在觀察、引導和幫助學生，和學生進行有意義的交流并參與其中。調研結果顯示，實驗組學生比對照組學生的學習熱情更高，更愿意主動向教師請教和討論(p<0.05，表2)。“翻轉課堂式教學模式”中，每個學生在課外根據自己的實際情況，抉擇適合自己的自習方式，充分尊重了學生主體性，并讓學生在自主獨立學習的過程中建構起屬于自己的知識體系。在課堂教學中，教師不再搞“填鴨式”的滿堂灌，無需長篇大論講解知識，而是作為聽眾、觀眾和指導者的身份參與到學生的活動中，解決學生提出的問題。當老師的角色發生了轉變，課堂轉而成為學生的舞臺，教學就能極大地激發學生的主觀能動性，讓他們彰顯自我獨特的風采。