基于“互聯網+”的分子生物學實驗教學體系改革

曾穎玥，牟 藤，朱春玉，劉詩迪，劉宏生

（1.遼寧大學生命科學院；2.遼寧大學藥學院，遼寧沈陽 110036）

0 引言

生物學研究已全面進入微觀時代，分子生物學的蓬勃發展對世界生物學研究有重要的促進作用。分子生物學是生物學專業核心課程，其專業知識、技術原理、實驗方法滲透至生物學科各領域［1］。分子生物學實驗課程可幫助學生在實踐過程中理解分子生物學經典原理與實驗手段，構建完整的生物學實驗技能體系，提高獨立思考能力與動手能力，為其今后升學或從事相關工作奠定堅實的基礎［2］。

1 教學現狀

1.1 教學現存問題

（1）學生缺乏課程沉浸。傳統實驗課程授課模式為教師利用PPT、黑板板書等進行實驗原理與步驟講授，學生按部就班進行實驗，最后根據實驗結果撰寫實驗報告。在整個教學環節中，學生缺乏課前預習，單方面接受教師給予的信息，無法對原理和步驟進行有效思考。在實驗報告撰寫時僅機械展示實驗結果，沒有對其進行深入分析。

分子生物學實驗相對于其它生物學科專業實驗課，更加微觀、抽象。不僅加入的試劑量非常少，也無法像其它課程一樣可直觀觀察實驗結果，需要用電泳、染色等技術手段展現，讓學生有一種“看不見、摸不著”的感覺，難以激發學生對實驗目的、實驗步驟設置的詳細原理、具體步驟操作要點的積極思考，他們更關心實驗完成速度及實驗報告分數。學生缺乏實驗課程“沉浸感”，極不利于其后續學業深造或指導工作實踐。

（2）缺乏創新培養模式。在傳統教學實驗課程上學生大多是機械式學習，完成既定步驟后把黑板板書抄在實驗報告上，按照指令使用實驗結果圖片、得出分析，該模式難以培養學生創新能力、動手能力，無法實現融會貫通，學以致用。

（3）缺乏新型教學素材。分子生物學實驗課程技術難度大，要點繁多，教師利用課堂講解、板書、PPT 等教學手段無法清晰闡述深奧抽象的實驗原理，也無法讓學生們真正理解實驗操作要點［3］，學生們在知識點記憶、運用與創新方面難以達成教學目標。分子生物學實驗課程課件大部分內容是通過文字描述步驟，學生無法直觀理解該如何作實驗。如果教師進行一部分現場演示，在學生人數較多時，大部分學生無法近距離清楚觀察老師的示范教學。因此亟待一種新型教學素材，使學生可更直觀地看到實驗示范教學步驟。

1.2 教學改革相關研究

基于“互聯網+”進行高校課程改革是研究熱點，教師普遍認可借助“互聯網+”平臺進行生物學課程的必要性與應用價值。目前“互聯網+”軟件、平臺上，包括“雨課堂”、“慕課”、“虛擬仿真技術”等備受關注。

1.2.1 “雨課堂”與分子生物學實驗教學

“雨課堂”是近年來應用范圍較廣的“互聯網+”教學平臺。該平臺可連接即時通訊軟件“微信”及文檔處理軟件“Powerpoint”，可以在電子設備上直接進行授課、講解、考試、簽到等多項課堂相關內容［4］。

賀銘等［5］利用“雨課堂”在分子生物學實驗中對聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）實驗進行了綜合應用，包括課前預習、課后答疑等，結果顯示醫學生對“雨課堂”軟件的使用體驗為滿意及以上的學生占比高于80%。但該研究只是利用了一個小型分子生物學實驗進行雨課堂功能示范，并沒有將“雨課堂”軟件完整地融合進分子生物學實驗課程中。

1.2.2 “慕課”與分子生物學實驗教學

慕課，即大規模在線開放課程（Massive Open Online Course，MOOC）。我國最大的慕課平臺是“中國大學MOOC”，匯集了我國著名高校大量免費優秀課程資源，可供大眾免費使用。隨著慕課平臺的興起和普及，其逐漸成為教學改革研究熱點之一［6］。

劉麗莉等［7］使用基于“線上MOOC+異步SPOC 課堂”融合“線下實驗”的混合教學模式，對分子生物學實驗課程教學進行了研究，利用慕課平臺的資源，在線上對學生進行理論知識講解和線上實驗、習題測試，之后在線下完成實驗和結果分析。評價則使用線上考勤與線下實踐動手相結合的模式；王小龍等［8］錄制69 個課程視頻，在“智慧樹”MOOC 平臺上開設齊齊哈爾醫學院生物化學與分子生物學在線課程，組織學生使用MOOC 課程預習，進行章節自測及討論區討論。結果顯示，實驗班級期末成績顯著優于對照班級（p＜0.001），課程滿意度高達95%。

目前，線上MOOC 和線下實驗教學相結合的混合教學模式是研究熱點，但存在學生線下學習監督力度不夠以及MOOC 課程時間、內容和自身課程計劃匹配度不高等問題。

1.2.3 虛擬仿真技術與分子生物學實驗教學

目前，隨著多媒體設備和互聯網的蓬勃發展，虛擬仿真教學逐漸成為重要的實驗教學輔助方式，利用“互聯網+”和虛擬仿真軟件，盡可能逼真地模擬實驗過程，并利用人機互動模式讓學生在虛擬平臺上進行實驗和學習［9］。

姚慶收等［10］認為在分子生物學實驗中可加入虛擬仿真技術促進師生互動，提升教學質量，以便選擇高難度實驗，節約實驗經費及提高實驗教學安全性；劉靈等［11］認為虛擬仿真實驗項目建設對分子生物學實驗教學有諸多益處，如可推廣現實中難以開展的大型實驗，節約成本；學生可反復練習，鞏固所學知識，并且實現遠程學習，還可培養學生思考能力和創新能力，激發學生探索精神。

然而以上兩個虛擬仿真相關研究均處于設想階段，暫未進入實際操作階段，對于在實際操作階段可能出現的問題、對學生的幫助程度等均有待進一步探索。

綜上所述，本文融合多維“互聯網+”的內容、素材、思政、平臺及評價，創新性地構建基于“互聯網+”的沉浸融合式教學體系，并在分子生物學實驗課程上進行應用。

2 教學體系構建

本文提出基于“互聯網+”的“沉浸融合式”新型教學體系，使用融合化的教學內容與“互聯網+”素材，結合思政要素，利用“互聯網+”教學平臺完成課堂講授，并且最后給出多樣化評價，如圖1 所示。該教學體系可讓學生沉浸在課堂中，融合多類型學習素材，充分利用“互聯網+”，更有效地實現教學目標。

Fig.1 Immersion and integration teaching system based on“Internet plus ”圖1 基于“互聯網+”的沉浸融合式教學體系

2.1 多重“互聯網+”內容融合

（1）融合理論課程內容。實驗課程的目的是理解理論課程內容、掌握實驗操作原理。理論知識不僅可讓學生形成完整的專業知識體系，同時有助于學生掌握實驗操作；實驗實踐不僅可鍛煉學生創新能力、動手能力，同時也有助于學生理解課程內容。兩者相輔相成，共同完成學生專業課程知識理解［12］。在基于“互聯網+”的沉浸融合式教學體系中，與理論課程的融合顯得尤為重要。授課教師可與分子生物學理論課程授課教師進行深度溝通，在理論課程授課教師完成相應內容講解后，再配合進行實驗。如在講授脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）的復制與DNA 聚合酶時，教師可提前利用視頻等“預告”實驗課，展示PCR 對DNA 的體外擴增過程，輔助學生對理論知識的理解和記憶，同時使理論知識直觀投射于實際運用，培養學生在操作中觀察、思考的能力。

（2）融合綜合性實驗。傳統教學中分子生物學實驗被劃分為短小的獨立實驗，但很多實驗結果可成為后續實驗材料，因此可構成完整的實驗體系。本文把分子生物學實驗教學構建為一個完整大型實驗，在第一次教學時講解整個分子生物學實驗系統性與綜合性，并利用“互聯網+”素材進行深度剖析和應用講解。同時，學生每次使用前次實驗DIY 成果，不僅給課程增添了競爭感和趣味性，同時也使學生對分子生物學實驗進行了綜合應用。

（3）融合創新性實驗。實驗教學的重要目的之一是培養學生創新能力。在分子生物學實驗中，可融合教師課題中的內容進行綜合性實驗［13］。本文實驗材料來源于教師主持的省級課題。在片段設計、引物設計、酶切位點設計時教師可針對課題科研內容進行講解。在課程授課時設計專門一節內容（目的蛋白的誘導、表達與檢測），將學生分成4 人小組，根據老師給出的信息，查找資料，進行實驗優化設計，自行設置加入的誘導物IPTG 濃度、誘導溫度、誘導時間等3 個參數完成實驗，并進行結果比較分析。教學設計充分調動了學生積極性，不僅有助于學生主動掌握實驗原理與實驗步驟，培養了信息獲取能力，更增加課程趣味性、研究性與創新性。

2.2 多元“互聯網+”素材融合

（1）融合“互聯網+”來源素材。教師可選用的素材多樣，可依據學生喜好，充分挖掘多樣化、有趣的教學素材，如可從視頻網站下載PCR 原理3D 動畫原理講解、趣味性分子構建整體原理等，學生更容易接受。

（2）融合“互聯網+”自制素材。在缺乏相應素材時，教師可針對性地自制素材。筆者針對本校分子生物學實驗的內容，制作了一套完整的9 個實驗操作視頻，如圖2 所示。在實驗中進行器材試劑、實驗操作展示，同時按照課程內容利用“互聯網+”平臺進行傳播，比如QQ 群、微信群、雨課堂等，學生可快速了解實驗操作步驟、實驗操作要點，有助于在課堂講授時加深理解，獲得理想的實驗結果。

（3）融合“互聯網+”直播素材。目前，許多線下學術論壇、教學論壇改為線上或者直播形式，促進了線上學術交流常規化。比如“知識分子”網站便與全球分子生物學發源地“冷泉港”實驗室合作，進行了交流直播。教師可將這些高質量資源并分享給學生，以便開展在線下自學。

Fig.2 A screenshot of the teacher’s self-made experiment operation video圖2 教師自制實驗操作視頻

2.3 多樣“互聯網+”思政融合

為在潛移默化中對學生進行正確人生觀、價值觀與世界觀的培養，進行科學精神、創新思維、動手能力與“新時代中國夢”的社會責任感培養，踐行社會主義核心價值觀，推動專業教育、實踐過程與思政育人的有機融合，將分子生物學實驗的教學效果發揮到極致，應深入挖掘分子生物學實驗課程中豐富的思政元素。

（1）融合榜樣人物思政內容。在分子生物學實驗技術的研發歷史中，有許多值得大家學習的榜樣人物。比如對學生進行分子構建實驗應用講解時，可以著重講述2017年國家最高科學進步獎獲得者侯云德院士的故事，侯院士一生求學為國，艱苦奮斗，利用分子生物學實驗基礎手段——分子構建，制作出了中國第一支基因工程藥物人干擾素α-1b，開創了我國生物藥品新篇章［14］。中國中央電視臺拍攝了不少關于侯云德院士個人事跡的紀錄片，可以在課后作為補充材料給學生們觀看。

（2）融合創新思維思政內容。創新能力是在科學研究時不可或缺的能力，也是實驗課程教學目標之一。在分子生物學實驗課程中，可以融合講解創新思維的思政內容。比如在講解PCR 技術時，可以講述30 年前科學家需要手動進行PCR 實驗的困難，以及科學家們對實驗技術持之以恒的改進，才有了現在先進簡便的自動化PCR 儀。

（3）融合價值觀思政內容。科學是容不得半點虛假的。在實驗過程中，出現與預定結果發生偏差是難以避免的，這時要引導學生尊重實驗事實，保持良好的科研誠信和科研道德，秉持誠信的人生態度對結果進行詳細分析。

（4）融合“中國夢”思政內容。在我國現代化建設的歷程上，有許多優秀的前輩在為我們創造美好的明天。今日之所學在今后都有可能成為我國復興道路上的一顆螺絲釘，為“中國夢”的實現貢獻自己的力量。

2.4 多層“互聯網+”平臺融合

（1）融合“雨課堂”平臺。有許多教育工作者把“雨課堂”作為線上授課工具。然而分子生物學實驗作為一門實驗實踐課程，很難全部利用線上平臺進行授課，但是在“沉浸融合式”教學體系當中，“雨課堂”可以輔助教師完成很多授課環節。比如在進行簽到和隨堂小測驗時，可以利用“雨課堂”進行簽到和答題，避免了傳統紙質簽到、答題的復雜步驟，并且隨時對出勤率和測驗成績進行了記錄。

（2）融合慕課平臺。慕課平臺是高校精品課程在線學習平臺。目前慕課平臺上只有一門分子生物學實驗課程，開課單位是北京師范大學［15］。這門課獲得眾多好評，實驗技術涉獵較廣，既包含基礎的無菌操作和經典分子構建實驗，還包括高階的Southern 雜交等，不僅為學生實驗操作提供示范流程，還可以通過虛擬仿真項目讓學生按照操作模擬的方式完成實驗過程。然而慕課系統也有一定局限性，比如開課周期過長（2 月初—8 月中旬），學生難以保證參與完整的教學。線上無法真正模擬實驗，對實驗分析效果較差。但慕課平臺經典課程可作為線下教學的補充內容，供學生課外學習。

（3）融合微信群平臺。各種專業線上教學平臺之外，QQ 群、微信群等傳統即時通訊班級群依然是“互聯網+”平臺中不可或缺的組成部分。教師可通過微信群在每次上課前發送操作視頻、原理動畫等“互聯網+”素材，獲得學生反饋，并在實驗結束后，利用微信群進行結果圖片講解，避免了幾十個學生圍著一臺測試儀器觀察結果的情況，保證每個學生都有機會了解實驗結果。當代大學生非常熟悉網絡環境，相對于線下正式授課，他們更習慣在社交媒體上向老師提問，教師也可針對性地進行答疑，并觀察統計學生自學情況與課程參與度。

2.5 多維“互聯網+”評價融合

在沉浸融合式教學體系下，對學生的評價不能僅由出勤、實驗報告、期末實驗操作等組成，而應構建綜合性更強的多維評價模式。

（1）課前預習效果評價。在沉浸融合式教學模式下，教師會利用各種“互聯網+”方式發送多樣化預習自學資料，比如文字資料、原理動畫、操作實驗等。為了確保學生在課下認真預習，保證課上授課質量，教師可利用多種方式進行課前預習效果評價，如利用“雨課堂”平臺，在上課之初進行1 個3～5 題的課前預習關鍵內容測驗。如在“重組質粒的大腸桿菌感受態熱激法轉化”章節中，可提問熱激法熱激溫度和時間分別是多少？這樣的課前預習效果評價不僅可以促進學生課前自學，保證課堂授課效果，同時幫助學生理解實驗原理，提高實驗完成度。

（2）綜合創新能力評價。由于實驗報告在實驗原理、實驗步驟有高度一致性，很難對學生有區別性評價。基于“互聯網+”的沉浸融合式教學體系下教學內容增添了綜合性和創新性內容與相應評價方式。比如在創新性實驗課程時，實驗報告需按照科研實驗設計及報告模式，增加參考文獻、設計思路等部分，對實驗設計思路、方案、結果進行綜合性展示，對結果進行深入分析。這部分展示可在學期末利用PPT 或騰訊會議等新型方式，為學生提供展示機會。

（3）課程參與表現評價。結合線上預習、答疑、測驗，與線下課程中的參與表現進行考核。如線上和老師討論的頻率與深度、向老師提出獨立思考的問題次數、實驗態度、團隊協作能力、實驗安全、實驗危險品及廢品處理方式等方面進行全方位考察。

3 實踐結果

3.1 要點掌握度

在2016 級分子生物學實驗教學班級1、2（實驗組1，2018-2019 年第一學期授課，N=49）與2017 級分子生物學實驗教學班級1、2（實驗組2，2018-2019 年第二學期授課，N=46），使用“沉浸融合式”教學體系授課；在2016 級分子生物學實驗教學班級3、4（對照組1，2018-2019 年第一學期授課，N=47）與2017 級分子生物學實驗教學班級3、4（對照組2，2018-2019 年第二學期授課，N=46），使用傳統經典授課體系授課。兩者僅在課前預習內容、上課授課模式、課后答疑方法等方面有不同，在教材選用、課程主線、教師與實驗師、學時、理論課知識、評價辦法等方面無明顯區分。

在課程結束后，教師對學生的要點掌握程度進行測試。要點掌握程度分為實驗理論要點和實驗操作要點兩部分，兩部分考核要點均為10 個，每個要點1 分，滿分10分。對這兩部分進行統計后發現，在實驗理論要點成績方面，對照組1 為7.23±0.28，實驗組1 為7.98±0.24，對比對照組有顯著性（p＜0.05）升高，升高比例為10.0%；對照組2為7.50±0.25，實驗組2 為7.98±0.22，比對照組升高6.4%但是不顯著。在實驗操作要點成績方面，對照組1 為8.30±0.20，實驗組1 為8.83±0.15，對比對照組有顯著性（p＜0.05）升高，升高比例為6.4%；對照組2 為8.09±0.20，實驗組2 為8.67±0.17，對比對照組也有顯著性（p＜0.05）升高，升高比例為7.2%（如圖3 所示）。該結果表明，基于“沉浸融合式”教學模式的分子生物學實驗教學使學生對理論要點及實驗操作要點的掌握更牢固，教學效果有所提升。

Fig.3 Mastery of experimental theoretical knowledge and operation（* means p＜0.01，ns means non-specific）圖3 要點掌握度（*表示p＜0.01，ns 表示差異不顯著）

3.2 學生好評度

在實驗組1 和實驗組2 的學生中匿名發放分子生物學教學效果的調查問卷（N=95），共回收有效問卷87 份，問卷有效回收率為91.6%。結果表明，整體上93.1% 的學生對基于“互聯網+”的沉浸融合式教學的教學模式滿意。在分項上，認為課前“互聯網+”學習素材有用的占比為89.7%，認為課后網絡答疑有用的占88.5%，認為創新實驗內容有用的占比為82.8%。94.3% 的學生認為課堂氣氛好，90.8% 認為授課教師教學狀態令人滿意。82.8% 認為課堂實驗原理收獲比較大，87.4% 認為在實驗操作方面收獲比較大，92.0% 的學生則認為授課方式能夠滿足分子生物學實驗需求。以上結果表明，學生對基于“互聯網+”的沉浸融合式新型教學模式滿意度較高，授課效果較好。

4 結語

通過本研究實踐結果可以看出，在基于“互聯網+”的沉浸融合式新型教學體系下，學生對分子生物學實驗相關基本理論、實驗操作等掌握得較好，教學質量有所提高，學生對課程滿意度也較高。這對于學生在今后學習工作中獨立設計實驗、獨立完成實驗、分析實驗結果都有著重要作用，培養了學生的科學思維、創新能力、動手操作，達到了教學相長的目的。

然而，在該模式下還有一些問題亟待解決。第一，實驗內容選擇的制約。分子生物學實驗經典實驗需要教授，如何能夠在有限的資金、課程時間內融合創新性實驗內容，需要授課教師的仔細規劃。第二，教師個人能力的制約。本體系使用了大量“互聯網+”平臺與元素，對任課教師特別是年級較大的任課教師的個人能力有一定要求，需要教師具有堅實的專業基礎、較高的綜合素養以及緊跟時代的敏銳性。任課教師需要一定時間和精力對教學經驗進行積累，選擇合適的教學素內容、素材和平臺。第三，學生主觀能動性的制約。雖然教師精心準備了自學素材與課堂素材，但學生線上缺乏約束，很難保證學生的自學效果與課堂教學效果。如何能夠讓學生發揮更多的學習主觀能動性，也是一個重要議題。