高校“分子生物學”翻轉課堂教學模式的探索

李倩瑋，陳春茂

（中國石油大學〔北京〕 化學工程與環境學院，北京 102249）

一、“分子生物學”傳統教學模式改革必要性分析

為滿足國家社會經濟發展對應用型高層次人才的需求，高校要以培養研究生的科研能力和創新能力為目標，不斷更新和完善教學內容，改變傳統的灌輸式教學方法，改革考核方式，持續探索研究生課程教學改革的方向。作為環境污染治理的一種技術手段，生物技術具有高效性、反應條件溫和等優點，它對環境污染的治理和修復發揮了巨大作用，為重金屬廢水、石油廢水、油脂廢水、農藥廢水以及生活污水，提供了一條十分有效的途徑。隨著生物技術研究的進展和人們對環境問題認識的深入，人們已越來越意識到，現代生物技術的發展，為環境科學領域提供了評價、預測環境變化趨勢的方法。

我校環境工程專業主要針對石油石化行業在污染減排及清潔生產方面的迫切需求，重點開展“三廢”污染控制、處理、資源轉化等方面傳統技術升級以及新技術開發研究。盡管在油氣田采出水處理、煉化難降解廢水處理、惡臭污染控制、含油污泥資源化等方面形成一系列特色技術和優勢成果，但是在開展“石油-環境”污染作用機制及石油污染環境生態修復工作的研究過程中，涉及“分子生物學”技術方面的知識較為缺乏，而研究生課程中也并未專門開設此類課程，因此“環境工程中的分子生物學技術”課程的建設將為環境工程碩士研究生的培養體系注入新的血液。目前各高校環境工程研究生培養體系中并未開設專門的“分子生物學”技術類課程，環境工程中的分子生物學技術作為環境專業與生物學的交叉學科，對于培養研究生了解環境微生物種類、微生物與環境的相互作用具有重要作用，有助于研究生掌握環境生物分子學的研究技術。

二、雨課堂教學模式的研究與探索

在2012年全國教育信息化工作電電話會議中，時任國務委員劉延東提出了著名的“雙重革命”和“三個轉變”，即“信息技術的深度應用，迫切要求教與學的‘雙重革命’，加快以教為中心向多種學習方式轉變”。習近平總書記在《致首屆國際教育信息化大會的賀信》中提到“因應信息技術的發展，推動教育變革和創新，構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，建設‘人人皆學、處處能學、時時可學’的學習型社會，培養大批創新人才，是人類共同面臨的重大課題。”翻轉課堂作為一種新型課堂模式，通過現代信息科學技術，將傳統教學進行翻轉，將課堂中部分講授的環節提到以多種方式課前，將鍛煉學生融會貫通能力的環節安排在課上，重構教學理念，將以教師“教”為中心的模式轉變為以學生自“學”為中心，通過教學互動，提高學生自主學習的能力，實現優質教學。

雨課堂軟件是應用于PowerPoint軟件中的一個插件，使用者可以便捷地制作PPT和插入視頻，使用之前不需要先制作慕課，只要有意愿做混合式教學就可以使用。“環境工程中的分子生物學技術”一共有32學時，內容主要包括分子生物學導論和環境樣品核酸的提取；環境組學中的環境微生物基因組學、環境微生物蛋白質組學、環境微生物轉錄組學和環境微生物代謝組學；環境分子生物學技術包括PCR技術、分子標記技術、熒光原位雜交技術、基因差異表達研究技術、生物芯片技術；環境分子生物學技術的應用以及和部分現代分析儀器內容。為了讓學生更好地了解分子生物學知識，掌握基礎的分子生物學技術，我們根據課堂內容額外設置了兩個綜合性的課內實驗，包括“土壤樣品中總DNA的提取”和“產脲酶菌株的分離篩選及分子生物學鑒定”，其中第一個實驗用到的土壤學生可根據自己的意愿選擇自備或者由老師提供，充分考慮學生的主觀能動性，增加實驗樂趣，而事實上很多同學傾向于選擇自己備土，如來自宿舍花盆、校園樹林等，實現翻轉課堂中的寓教于樂；而第二個實驗中菌株的篩選是第一個實驗的后續，考查學生從菌株分離、篩選、鑒定的綜合實驗能力；兩個綜合性的實驗需要三大節課來完成，同時課下還需要根據實際情況完成部分實驗中間環節，比如菌株的轉接、培養基的配置等。不同的實驗材料以及操作手法會導致每個人的實驗結果不盡相同，因此課后還需要根據實際情況對結果進行分析討論，提出相應的實驗改進建議，在一定程度上避免了實驗報告的雷同。而反觀傳統的實驗教學，占用了較多的教學時間來進行授課，只能通過少量的實驗和課余實驗報告的形式讓學生進行實踐練習，從而導致實驗教學開展有限、實驗設計課堂指導不足、難以激發學生的興趣等問題。

在課上結合我校或國內外研究熱點和動態，通過雨課堂向學生介紹相關領域的最新研究成果，利用這種方式有效地拓寬學生的知識面。如在講授宏基因組學方面的知識時，將2013年發表在上的一篇文章進行分享，其中提到復雜的基因與環境互作被認為是形成肥胖的重要因素，腸道微生物群落的組成決定著人體從食物中獲取能量的效率，而飲食結構的變化會引起腸道微生物群落的改變，該研究采用宏基因組測序技術對受到飲食干預的38位肥胖者和11位超重者的腸道微生物基因豐度變化進行監測，研究發現飲食干預會提高腸道微生物基因豐度，改善一些與肥胖相關的臨床癥狀，腸道微生物的低基因豐度可能對飲食干預的有效性具有預測能力。通過這一案例的分享，學生在課堂上就“肥胖與基因組”這一研究課題展開熱烈討論。在講授采用互動式的講授方式是國外一流大學的普遍授課形式，課程教學是科研的前提和基礎條件，科研是提高教育質量和層次的關鍵。柏林大學的創辦者洪堡認為大學的主要認為是追求真理，科學研究是第一位的，并且提出了“教研同一”的原則。將課程與科研課題相結合，可拉近課堂與生產實際的距離，有效激發學生的興趣，提高教學的效果。此外，翻轉課堂的另一目的是培養學生自主學習、分析并獨立解決問題的能力，因此在完成幾個章節的授課后，會設置一個綜合性問題引導學生進行思考，如在完成多個“組學”的教學內容后，設置一個開放性的題目“某區域環境受到重金屬污染后，如何以組學的角度研究該區域發生的變化”供學生思考，該題目可以考查學生對基因組學、蛋白質組學、代謝組學等方面的知識的掌握情況。

雨課堂中的隨機點名、限時作答、發彈幕、發紅包等多種寓教于樂的教學形式，不僅能夠很好地調動學生的課堂積極性，同時有利于教師課上隨時了解學生對知識點的掌握程度，提高教學效果。相比于歐美國家的學生，我國學生性格大多比較害羞內斂，由于各方面的原因，導致學生有時即使聽不懂也不會主動發問，但是雨課堂中的彈幕、不懂等環節的設置，可以讓學生在有疑問時利用手機小程序隨時點選，學生的反饋信息會及時匯總到教師端，教師可以在課上或課下對學生反饋進行即時或課后總結，及時調整課堂教學進度，真正實現“以學生為中心”。課程考核包括平時成績和最終答辯成績，平時成績占40%，答辯成績占60%。課程結束后的答辯環節，要求學生根據學科的領域自行設計科研項目，并以匯報答辯的方式進行考核，要求學生結合課程知識和自己的研究生課題，采用自由選題的方式設計研究項目，并在課程結束后按照正式研究生論文的形式提交報告并準備20分鐘的答辯PPT，教師以選題意義、內容方法可行性、撰寫格式等作為書面材料的評價依據；以語言表達能力、時間掌握以及回答問題的情況作為答辯的成績評價依據。

三、雨課堂線上線下教學效果對比

通過兩年多的教學改革實踐，并對參與改革的60多名研究生進行回訪調查，90%以上的學生對這種互動式的教學方式較為贊成，多數同學則表示，作為環境工程專業研究生本身對于分子生物學方面的知識較為缺乏，而這種互動式教學方法及結合科研熱點的討論式教學過程，能夠快速而有效地獲取分子生物學相關知識，讓枯燥的課本知識變得鮮活起來。

疫情期間在線下教學條件無法實施的情況下，我們嘗試利用雨課堂模式全面覆蓋線上教學，雖然可以保證教學質量，但遭遇的困難也很多。雨課堂的優勢在于能夠在教室里與學生實現面對面的互動，而線上授課則將老師與學生分隔在屏幕兩端，教師無法看到網絡另一端學生的上課反饋；另外大規模的網課也導致我們的授課經常由于網絡卡頓而中斷，為了保證授課質量，在教學方式上，除了雨課堂，我們又利用騰訊會議的中的視頻模式替代線下面對面授課，以提高課堂參與度；在教學內容上，對于部分內容采用提前預習相關知識點，而課上利用科學視頻/動畫的方式對學習內容進行講授，以“熒光定量PCR技術”的學習為例，我們課前將該技術的概念、操作及應用范圍等以預習課件的形式發給學生并設置相應的題目以考察其對知識的掌握程度，課上則引入嗶哩嗶哩網站上《細胞戰場Battelfield Cell》及知乎網站上的《關于新冠病毒的一切》科普視頻，讓學生更加清晰地了解病毒侵染細胞的過程，以及新冠病毒的傳染機制和檢測方法，將真實案例融入課堂學習中。疫情影響盡管只能進行線上教學，但80%的同學認為線上教學的靈活性更強，可以隨時隨地完成學習任務，同時該課程的教學方式也使他們能夠更有效利用時間，學習、理解最新最前沿的分子生物學知識，從而使特殊期間實現“停課不停學”的要求成為可能。

四、存在的問題

本課程通過對比雨課堂教學模式在線下和線上教學效果發現，雨課堂智慧教學模式能夠將課前—課中—課后三個環節串聯，提高學生課堂參與度，實現學生為主導的教學模式，無論是線上教學還是線下教學，對于培養學生自主學習能力、分析問題和解決問題能力等方面有著重要意義。但是，相對于線下教學，在線授課模式面臨著更大的挑戰，如線上教學由于網絡的原因，教師很難通過視頻確定學生是否跟得上教學進度；上網課的同時不能很好地記筆記，課后不能及時回顧導致看過就忘；由于短時間內在線教學平臺用戶量激增，超過其最大承載用戶量，導致平臺卡頓、無法登陸等問題，很多教學設計的問答環節不能有效實施，只能臨時更換其他平臺，降低教學效率等。此外，在教學實踐中也發現，不同的同學在課上的表現差異較大，課上進行重難點知識講解及答疑時，有些同學表示在課前預習中以及課前推送的課件中已經掌握該部分內容，可以忽略不講，而有些同學則表示課前推送內容仍不懂，希望老師在課上詳細講解；在課中互動環節，總是有一小部分同學在其他同學自動分組開展討論時沉默寡言，甚至不會主動去加入小組。如何解決這些問題，更好地設計線上教學環節并準備多套線上教學方案，有效地把握課堂節奏，是今后線上教學改革的努力方向。

課堂教學質量與“學”和“教”的相互反饋機制息息相關，教學不只是簡單的“記憶”式知識輸出，而應該激發學生的好奇心和興趣，引導其積極探索，主動汲取知識；“教學相長”，教師也會在教的過程中自我成長。翻轉課堂的教學模式，能夠引導學生在理解基本知識的基礎上，通過互相討論、質疑、探究等形式鍛煉其分析問題、解決問題的能力，從而實現深度學習。同時，為有效地達成教學目標，真正實現“以學生為中心”，需要我們對教學內容、教學目標、每節課對應的教學手段和學生能夠接受的范圍進行深入的分析。教學改革的根本目的是提高人才培養質量，只有保持教育思想觀念的不斷變革和及時更新，才能促進高校教育的不斷進步和發展。線上教學是高校教育教學的未來方向，而特殊時期則推動了線上教學的發展，今后線上+線下混合式翻轉課堂教學模式必將迎來新的機遇和挑戰。