問題式教學模式在高師生物化學實驗教學中的應用研究

劉 超，胥成浩，梁 梓，杜超豪，彭言劼

（樂山師范學院 生命科學學院，四川 樂山 614004）

0 引言

生物化學作為一門自然科學，有理論性、邏輯性、綜合性等特點[1]，與化學、物理和信息等相關生物技術手段迅猛發展密切相關。生物化學實驗是高等師范院校生物科學類相關專業的一門專業基礎核心必修課程。探究思維和操作技能培養是生物化學實驗最重要的教學目標之一。生物化學實驗技能包含生物化學實驗的基本原理和基本方法，應用生物化學技術原理和方法獨立開展生命科學探究和養成創新意識的能力。

多年來，高等師范院校生物化學實驗以灌輸式教學為主，學生被動接受[2]，存在實驗項目照搬實驗教材，實驗目的單一膚淺不能滿足學生的需求；實驗原理教學教師以參考教材為主進行重述，學生被動接受，學生的主動性無從體現；照搬教學參考書籍實驗步驟，學生無思考過程，得不到學生科學思維訓練；實驗項目通常選用驗證性實驗，學生的創新思維和質疑意識得不到培養；實驗結果不真實，篡改數據，缺乏真實性和科學性；實驗報告格式化，學生機械簡單地填寫，互相照抄報告等現象。總體呈現學生興趣不高，主動性差，科學意識不濃，思考和分析問題能力不足。我校從2010 年對本校生物科學專業生物化學實驗教學進行改革，引入了問題式教學模式(Problem-Based Learning,PBL)的探索與實踐，使學生在實驗原理和實驗方法的掌握和理解上有所突破，獨立思考和分析解決問題能力顯著提高，創新意識和創新能力明顯增強[3]。

1 教學改革方法

1.1 課程教學課時改革

根據我校生物科學專業為師范專業特點，優化培養方案，將生物化學課程設置為專業基礎核心必修課程。理論課時由48 節增加到64 課時，生物化學實驗由32 調整到48 課時。

1.2 實驗教學項目改革

驗證實驗基礎上，加大綜合性和設計性實驗項目，比例達到60%-75%。綜合性和設計性實驗項目以生物化學基礎實驗為原型的基礎上依托于教師科研項目和生產應用以及學生國家級大學生創新創業訓練項目結合進行設計。

1.3 問題式教學模式的引入和實施

1.3.1 問題來源和設計

生物化學實驗。引入問題方式是教師以實驗講義或參考書的實驗原理和實驗程序為依據，將實驗原理、實驗試劑和藥品、操作步驟、結果—分析等，以問題形式出現，引導學生思考。

a）實驗原理中問題設計。以綜合性“天然活性蛋白質的提取分離和純化——凝膠過濾法”實驗項目為例。設計以下問題組：（a）“天然活性”是什么內涵？（b）蛋白質的物理與化學性質有哪些？（c）蛋白質活性檢測方法有哪些？（d）為什么要進行天然蛋白質的提取和分離？（e）蛋白質提取和純化的方法有哪些？（f）凝膠過濾純化蛋白質的原理是什么？（g）一次凝膠過濾能純化天然蛋白質嗎？（h）凝膠過濾的凝膠化學組成和結構有什么特征？實驗課之前將這一系列問題分配給學生，在實驗預習中進行思考，這樣對實驗原理就十分清楚了。

b）實驗條件優化問題設計。主要解決實驗過程中所選用的實驗條件是依據什么原理來選擇和優化的問題。以綜合性“天然活性蛋白質的提取分離和純化——離子交換法”實驗為例實驗設計以下問題組：（a）為什么要選用低溫或冷凍條件，實驗過程中還要輕攪？（b）提取過程中緩沖溶液的選擇和pH 值的控制依據是什么？（c）實驗過程中離心的轉速和時間的選擇依據是什么？為什么要選擇冷凍離心？（d）離子交換樹脂的選擇依據是什么？離子交換樹脂處理的原理是什么？（e）硫酸銨沉淀的原理和目的是什么？蛋白質沉淀析出后用半透膜透析的目的是什么？透析過程中有哪些注意事項？這一系列問題的提出，讓學生理解實驗過程中每項實驗條件是如何設計和提出的，可以培養學生獨立進行探究實驗設計的能力。

c）實驗結果分析問題。每一個進行精心設計的實驗項目最終要有一個準確的實驗預期結果，但是受多種因素的影響，實驗結果往往和預期有一定差異，為此進行問題式教學改革，提出以下問題組：（a）理論上實驗預期結果是如何的？學生是否能判斷自己的實驗結果正確與否？實驗結果與預期不一致如何尋找存在的問題，如何改進實驗？（b）如“天然活性蛋白質的提取分離和純化”實驗中，如果分離過程中蛋白質失活了，原因在哪里？如何避免？（c）如“植物體還原糖含量的測定”實驗中，提出為什么要制作標準曲線？如果樣品測定的吸光度值超過標準曲線的范圍如何處理？（d）實驗數據的處理和圖形繪制方法有哪些？這一系列問題提出，讓學生學會對結果的分析，數據的處理，查找實驗成敗的關鍵和改進的措施，培養學生分析問題和解決問題的綜合能力。

d）學生自己提出的問題。如在“維生素C含量的測定”實驗中，通過預習和思考，學生結合自身創新創業項目就提出“假如要換一種實驗材料，實驗程序如何設計？維生素C 含量測定還有哪些方式和原理可以進行？這些方法中哪種是最方便、最準確的？”等系列問題。

1.3.2 實驗課程的組織與實施

a）實驗項目確定。教師按照實驗改革的目的和要求準備好實驗講義或參考指導書，在開學之初將本學期所有要開設的實驗計劃公布給學生。在此基礎上要求學生結合自己參與教師科研或者創新創業訓練項目的實際情況和需要，至少提出2-3 個與教師的實驗計劃不完全相同的綜合性和設計性實驗項目。

b）帶著問題預習。在每次實驗課程之前要求學生寫實驗預習報告。

（a）問題的思考。預習報告的內容按照前面設計的問題要求學生一個一個的思考并通過查閱文獻寫出分析結果。

（b）藥品的思考。在預習過程中特別強調每一種實驗藥品在實驗中起什么作用，每一種藥品的濃度變化可能有什么影響，每種藥品的規格要求是什么。

（c）設備的思考。每一臺儀器設備在實驗中有什么作用，如何進行儀器設備的安裝調試和維護使用。

（d）實驗的流程。實驗過程和步驟要求學生以簡單明了的流程圖或圖表的形式進行總結歸納，深入理解具體的實驗操作方法和操作過程的設計原理。并制定詳細的小組分工協作計劃。

c）實驗用品準備。將全班分若干小組，每一個小組輪流參與到實驗教師的實驗前期準備過程，包括實驗設備的調試和安裝，實驗試劑的配制等等。

d）實驗過程指導。在每次實驗中，學生根據實驗預習和當值小組的準備，由小組成員給全班同學講述實驗原理、操作程序和注意事項，然后由任課教師點評后學生分小組獨立進行實驗。

e）教師答疑指導。如果學生在預習和實驗過程中存在共同性不明白和不理解的由任課教師進行集體分析解決。在實驗過程中學生存在的實際問題在小組分析的基礎上，由實驗指導教師進行指導性解答。

f）實驗報告撰寫。實驗結果要求學生必須真實記錄和分析，不允許修改或獨撰。實驗報告參照科研論文的格式并采用電子版進行撰寫。要求學生只能采用自己總結歸納和分析的內容，用科學的語言來撰寫報告。

g）實驗成績評定。按照預習報告的內容評定每次成績，并在實驗平時成績中占30%。實驗報告的評定注重真實性和分析，淡化實驗結果與預期的符合程度，只要學生對實驗存在的問題進行科學合理的分析，找到了結果誤差的原因和解決辦法，不失為一篇成績優良的實驗報告。

2 教學效果評估

2.1 問卷調查

每年設計問卷調查（見表1）。10 個問題和一個建議，發給學生采用無記名方式進行調查，然后進行總結分析優點和不足，收集學生建議和意見。所有結果和數據采用SPSS 12.0 進行統計學處理，設計的樣本平均數比較采用t 檢驗，P＜0.05 為統計學有效意義。

表1 “生物化學實驗”教學問卷調查表

2.2 課程技能考核

a）組織方式。通過生物化學實驗課程設計的技能考核方式，設計8-10 個技能考核題目，提前公布給學生，可以在實驗室自己進行再次練習。采用抽簽方式，每個學生在規定時間內完成技能操作和理論內容。

b）考核內容。考核內容在實驗講義中羅列該實驗的技能訓練內容，學生平時進行有針對性的實驗操作，規范實驗儀器設備的使用方法和維護方法。

c）成績分析。根據對改革前和改革后同樣的實驗技能考核方式，查看學生的技能熟練程度。是否能獨立解決問題，獨立完成操作，提高注意事項中常見問題的克服能力。然后進行成績的數據分析。

3 教學改革的成效

3.1 學生改變實驗課的態度和認識

感性領會實驗設計的科學性。學生不再盲目崇拜教材和教師，通過學習自己就可以設計出實驗方案，自己能夠利用實驗原理進行生產生活相關問題的解決。

增強了學生動手操作自信心。實驗中具體方法、條件、藥品、設備都是長期科學研究或實踐過程總結出來的，但不同的實驗條件是可以自己探索設計的。

提高探索自然科學的嚴謹性。學生不再篡改實驗結果和數據，更多的是在分析原因和查找問題，養成了嚴謹的科學態度，訓練了科學探索方法。

3.2 學生實驗綜合技能顯著提高

絕大多數學生能夠在實驗中提出相關問題，也能夠獨立思考問題，同時能夠對實驗過程、步驟，操作方法進行質疑并做出一些改進設想。近年來絕大部分學生已經能夠獨立設計自己的畢業論文項目和創新創業項目，并能夠很好地完成，論文質量明顯提高。

3.3 學生滿意度分析

3.3.1 對本生物化學實驗改革的總體評價

對實施教學改革的2013 級生物科學班，發放32 份問卷，收回有效問卷32 份，問卷結果統計如圖1 和表2。圖1 中可以看出有18 人即56.3%的同學很滿意，9 人滿意，滿意度總體達到84.4%。

圖1 學生對生物化學實驗課程的總體評價統計

對設計的10 個問題的統計情況（見表2）。從表中看出絕大多數學生對該改革非常贊同。說明有效的改革能夠激發學生的學習積極性，問題教學使學生明白了教學指導書上的原理。對實驗中方案的設計訓練，克服了以往學生僅僅通過實驗過程的簡單重復、機械的照搬現象，能促進對學生獨立設計實驗、獨立解決問題能力的培養。針對有部分學生不滿意或者認為一般的問卷，反映出本實驗改革還存在進一步完善的地方。

表2 問卷調查人數統計表

3.3.2 實驗考核成績的分析

2013 級生物科學共36 人，技能考核成績統計，優秀率（≥90）、良好率（≥80）、中等率（≥70）、及格率（≥60）和不及格率（＜60）分別為13.9%、72.2%、13.9%、0%和0%。而改革前的2011 級生物科學班分別為3.45%、6.90%、20.69%、44.83%和24.14%。經x2檢驗兩個班成績差別顯著，見表3。從表中可以明顯看出，實施問題式教學改革，學生的綜合素質顯著提升。

表3 2013 生物科學和2011 生物科學實驗考核成績比較

4 討論

問題式教學模式是針對傳統的“知識傳授性教學模式”提出的一種以學生為主體、提高學生提出問題和思考問題能力，調動學習主動性的教學理念[4-5]。傳統的教學模式是以傳授知識為主，一種被動的接納過程。生物化學實驗傳統教學，學生被動參與，沒有發揮主體性，學習興趣不高，主動性差。生物化學實驗是生命科學專業學生最重要的技能基礎訓練階段，實驗課程有很強的探索性和實踐性[6]，不僅是對理論課程的驗證，也是對學生動手能力的培養、科學素養的養成、創新意識和創新能力訓練的重要手段[7]。

報告采用科技論文格式進行要求，以電子版撰寫和提交，強調學生對實驗結果的討論和分析，學生根據已有的知識能夠提出新的問題，思想活躍起來，激發了學生的學習積極性[8]。并訓練了學生科技論文寫作技能

高等師范院校生物科學專業多數學生將在中等學校從事生物課程教學，通過實驗問題式教學的改革探索，不斷地提高了學生適應生物化學實驗教學的技能，從而提升了學生教師綜合素質，克服了僅僅依靠教學法解決教師專業技能不足的問題，助推中學合格生物教師的培養。