PBL教學模式在生物化學實驗教學中的設計與實踐

朱波 王源秀 劉慧君 劉俊紅 施媚 李恩

摘? 要：為響應一流本科專業建設，提高生物化學實驗課教學質量，提高學生的獨立學習能力、實踐能力和科研能力，針對學院4個專業2020級378名在校生進行PBL教學模式的設計和實踐。將信息技術和PBL教學法有機融合，在實驗教學過程中，整合教學內容、設置情境問題，對課前、課中、課后3個環節進行教學體系構建并實施，結果顯示，該教學模式可明顯提高教學效果，提高學生的獨立自學能力、合作實踐能力，有利于培養學生的獨立科研能力，為一流本科專業建設服務。

關鍵詞：PBL教學法;生物化學實驗;課程設計;人才培養;教學效果

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）01-0123-05

Abstract： In order to respond to the construction of first-class undergraduate majors， improve the teaching quality of Biochemistry Experiment course， and improve the students' independent learning ability， practical ability and scientific research ability， the PBL teaching mode was designed and practiced for 378 students of grade 2020 in four majors of the college. In the process of experimental teaching， by organically integrating the information technology and PBL teaching methods， situational problems were set， and the teaching system was constructed and implemented for the three links： pre class， in class and after class. The results showed that this teaching mode could significantly improve the teaching effect， improve the students' independent self-study ability and cooperative practice ability， help to cultivate the students' independent scientific research ability， and serve the construction of first-class undergraduate majors.

Keywords： PBL teaching method; Biochemistry Experiment; curriculum design; talent training; teaching results

信息技術的迅猛發展，人們可以隨時隨地利用智能終端訪問互聯網，獲取知識和信息，這改變了傳統的學習觀念和學習方式。傳統的高校教學手段和教學方式已然不適應時代的需求，阻礙了教學質量的提高。如何推動信息技術與教育的深度融合，提高學生的積極性以及教學過程的參與度，提高教學效果，這是當前高等教育面對的重要問題[1]。

實驗教學改革應該根據學校、教師、學生和課程的具體現狀進行合理設計和實施。目前，安徽師范大學生物科學和生物技術兩個專業入選國家一流本科專業建設點。學院教學目標也從單純的知識型人才培養向突出實踐能力和創新素質的高水平人才培養轉移。生物化學實驗教學響應學院教學改革的號召，根據學院生化實驗具體現狀，將PBL（Problem-based learning，PBL）教學模式與教學平臺、微信等互聯網信息技術有機結合，以提升實驗教學效果。以問題為基礎的PBL教學模式是美國的神經病學教授Barrows于1969年首創，在課堂上通過設置問題，不斷激發學生自主思考、探究與合作來學習科學知識，可提升學生的思考能力和解決實際問題的能力;但單純將該方法用于實驗教學，會減少學生實踐操作的時間[2-5]。我們在生物化學實驗教學中設計了基于教學平臺的PBL教學模式，并進行了實踐，取得了良好的教學效果，提高了學生運用基礎理論解決實際問題的能力，可為后續其他專業課程的學習打下堅實的基礎。

一? 實驗內容和教學對象

根據學院的具體教學現狀，學院制定了2020版培養方案;因生物化學是專業基礎課程，培養方案將其安排在大二上學期，并給予生化實驗課程34學時，1個學分。按照生化實驗教學大綱，我們選擇科學出版社的《生物化學實驗》（第五版）[6]為主要參考教材，結合學院生化實驗設施條件，編寫8個實驗進行課程教學設計。這8個實驗中6個屬于綜合類或設計類實驗，其內容涵蓋了生物化學授課內容的基本知識體系，并突出了重點內容與學生必須掌握的基本實驗技術。

本教學研究以2020級生物科學和生物技術兩個專業，4個方向378名本科二年級學生為對象。將奇數班作為實驗組（共10個班196名學生），偶數班作為對照組（共9個班182名學生）。對照組采用傳統教學方法，即教師講授實驗內容、演示實驗操作、學生跟做實驗過程、實驗結束撰寫實驗報告后上交。實驗組采用PBL教學模式。實驗過程2名學生為1小組，每位學生都有動手的機會。

二? 基于PBL教學模式的設計與實施

（一）? 設置實驗教學問題

情景問題設置注重層次性、漸進性、創新性;內容涉及實驗理解、技術方法、實驗機理應用或延伸;設置的問題符合板塊知識結構特征，題型多為選擇和簡答題，問題由淺入深，具有科學性，兼顧有效性和可行性。設置問題時注意留給學生提問、設計和評價的空間，有利于激發學生自主發現問題，培養學生設計規劃實驗的能力。問題形式多樣，可以是自問自答也可以是自問他答，同時會加以延展，促進學生對實驗的靈活應用，有利于培養學生創新能力。我們選取“人血清蛋白乙酸纖維薄膜電泳”實驗為例分析問題設置的邏輯關系（圖1）。

在“人血清蛋白乙酸纖維薄膜電泳”實驗教學設計中，我們引入了“Image J”圖像分析軟件進行教學實驗中的蛋白條帶百分含量結果分析[7]，提高學生的圖像處理能力。該實驗的問題設置按照實驗進程進行，分3個模塊：問題1—4為原理機制;問題5—7為情境操作;問題8—10為規范操作。其中問題10是對結果分析的自問自答，體現了對實驗掌握的時間漸進度，即先原理后操作再總結最后設計。對于學生掌握實驗概況、理解知識點間的聯系、熟悉實驗技術方法、規范操作、培養信息處理與思維模式都有一定幫助。

該實驗中我們提出的相關問題：①乙酸纖維素薄膜電泳屬于哪類電泳？②人血清蛋白的組成是什么？③染色液和漂洗液中主要起作用的是哪兩種試劑？④張三想檢測兔子血清蛋白的組成是否可以用乙酸纖維素薄膜電泳方法？該怎么設計？⑤張三在點樣時，將血清蛋白樣品點在薄膜的光面，他是否要換一張薄膜重做？有無其他補救措施，為什么？⑥張三發現漂洗后的薄膜中間位置沒有蛋白印跡，而在薄膜一端有模糊印跡，你覺得問題可能出在哪里？⑦“Image J”圖像分析軟件下載后，打開之后閃退，你覺得是什么原因，怎么處理？⑧本實驗圖像分析結果中峰面積含義是什么？⑨為確保實驗順利進行，實驗過程中應該注意哪些因素？⑩根據本小組的實驗結果，請你設計一個問題并嘗試回答。

所設問題相關的知識點和考查目的：問題①考察電泳技術的概念和分類;問題②強調人血清蛋白的組成，是判斷實驗結果根據;問題③用于理解染色液和漂洗液中重要組分的作用;問題④幫助學生充分理解電泳技術的應用;問題⑤突出實驗操作第一步的關鍵性;問題⑥通過對結果的分析熟悉電泳儀的正確使用;問題⑦關注軟件的操作要點;問題⑧了解軟件分析結果的處理與其意義;問題⑨培養實驗過程規范操作;問題⑩引導學生發現問題，并根據所學知識解決問題。

（二）? 課前準備

教學團隊根據制定的教學計劃和教學大綱，設計了PBL教學模式框架圖（圖2）。課前錄制每次實驗課內容的PPT 課件，包括實驗原理、儀器試劑、實驗步驟和數據分析等內容，制作成簡單的微視頻。到網絡上搜尋重要的儀器工作原理、操作步驟、注意事項，以及實驗過程或軟件使用方法，甚至包括慕課平臺上相似實驗的學習視頻。制作好的微課視頻和下載搜索到的相關視頻或網址，以及實驗講義和實驗教學問題都上傳至教學平臺的資源庫備用。將相關內容的視頻、網址或微視頻以及部分問題插入到PPT供學生預習;通過教學平臺或微信等把預習任務發布給學生，并設定截止時間。學生在收到預習任務和公告提醒后，可以直接下載相關資料或在線觀看和討論答題，完成預習任務。通過相關教學設備教師端可以直觀地掌握學生線上完成預習任務的情況，包括預習任務完成人數和每個同學預習情況，并通過討論區綜合回答學生反饋的問題，評定學生預習部分成績;學生通過線上PPT預習后，按照教師發布的預習任務撰寫好預習報告，主要是對實驗原理的掌握和實驗步驟的熟悉，以便流暢地完成實踐過程。由于預習任務關系到成績評定，無形中可督促學生在課前進行充分預習，為實踐過程做好充分準備。

（三）? 課中實施

由于教學計劃的改變，實驗課時減少，但是小班上課（16～22人為一班），易于操作，有限的時間內讓學生得到充分的實踐鍛煉。課前幾分鐘課代表收交預習報告，教師瀏覽批閱后發放給學生。課上利用教學平臺的簽到功能，讓學生掃碼簽到，大大節約課堂時間。其次，教師通過教學平臺收集學生預習時的反饋，有重點地 進行課堂講解;必要時發送預習測試題進行測試，檢測學生的預習效果;課上教師不再對實驗原理、儀器試劑、數據分析等進行詳細講解，重要的內容通過翻轉課堂形式，讓學生充分學習理解或動手操作;針對每次實驗課的重點和難點問題進行講解，必要的實驗操作進行演示。比如“人血清蛋白乙酸纖維薄膜電泳”實驗，需要演示和講解的重要內容是判斷薄膜光面和毛面、利用點樣器點樣，以及電泳時薄膜的放置等細節過程的操作;利用翻轉課堂，請一位同學講解“Image J”圖像分析軟件的使用，其他學生根據該同學的講解找出存在的問題，進行討論，從而加強學生對該軟件的掌握，同時教師進行必要的補充和講解，對于某些儀器設備的操作，也采用這種方式，這樣可以充分調動學生參與課堂的積極性。課堂授課結束后，教師會把課件及時上傳到教學平臺，有利于學生回顧復習，修改自己的預習報告。剩余時間是學生按照預習報告中實驗步驟進行實踐操作，教師巡視指導，回答學生實驗過程的疑問。這種方式增強了課上的師生互動，帶動了課堂氣氛，拉近了師生距離。教師可以根據記錄簽到、點名、預習測試，以及預習報告、翻轉課堂和實驗操作參與度等所有學生的課堂行為，對學生課堂表現進行成績評定，從而幫助教師量化了解學生的學習效果，更好地進行教學反思。

（四）? 課后反饋

實驗課結束后，在教學平臺討論區發布與實驗主題相關的思考題，讓學生進行討論，學生也可將自己遇到的實驗相關問題，如實驗操作、特殊現象、數據結果等，發布在討論區內，和其他同學或者老師進行交流。有時，根據實驗情況發布課后任務，比如上傳實驗中獲得的結果拍照圖片、軟件處理圖片或數據，繪制的實驗流程圖并拍照按時上傳。學生參與討論和完成任務的情況也會納入平時成績的考核當中。學生可以將撰寫的實驗報告拍照上傳至教學平臺，教師在線批閱，工作效率提高，并可即時反饋給學生。一次實驗課結束，教師可以參照課程分析報告，進行實驗教學反思，有利于及時改進實驗教學。

（五）? 課程考核

生物化學實驗課一般安排在開學后的第三周開始，也就是生化理論課先上兩周，讓學生了解了這門課程的基本特點后再開實驗課程。在上第1次實驗課之前，教師就已經開啟教學平臺教學，在教學平臺發布資料，向學生介紹本學期的課程執行計劃，包括實驗安排和教學模式，明確告訴學生這門實驗課的考核計劃，即線上測驗及討論和預習報告占最終總成績的20%;課堂表現和實驗過程動手參與度占40%;實驗報告成績占20%;期末考試占20%。期末考試不是之前傳統的筆試，而是實驗課結束后的一次實驗考核，其中實驗考核不是簡單地重復之前做的實驗，根據之前學過的實驗方法、儀器設備，出一個與實際生活相關的題目如“市售果蔬Vc的含量測定”，學生任選一種蔬菜或水果，查閱文獻，撰寫實驗方案（包括實驗原理、試劑儀器、實驗步驟、數據處理和結果討論），在規定的時間內到實驗室完成實驗，并寫好實驗報告，教師根據學生完成的情況進行評價，并給出成績，該成績占最終總成績的20%。

三? 效果評價和模式探討

我們在生化實驗教學中設計和實施了PBL教學模式，發現這種教學模式可以使生化實驗教學內容更加豐富;教學過程更加活潑生動，并能在一定程度上實現一對一精準教學;課堂教學效果可有效延伸，使學生可以自主學習、長效學習[8-10]。

（一）? 課前預習完成度高，預習效果好

使用教學平臺推送問題、預習內容和任務，限時完成并打分或評價，這樣形成無形的驅動力，學生必須認真進行課前預習，提高了課前預習完成度和預習效果。2021年秋季學期生物化學實驗課累計推送預習視頻10個，19個教學班共計378人，預習視頻完成率達97.36%;預習測試習題26道，平均測試成績85.13分。良好的實驗預習，可以使課堂上的實踐過程更加順暢。實驗預習報告相當于科研的研究計劃，課前預習有利于培養學生的科研能力。

（二）? 課堂氣氛活躍，教學效率提高

利用教學平臺進行課前預習和掃碼簽到，極大節約了上課時間，教師對重難點的講解以及必要實驗步驟演示工作，就可以靈活處理，以問題的形式讓學生討論后總結講解，或以翻轉課堂的形式請學生講解后，學生討論評價，教師解釋說明;這個過程中，利用教學平臺的彈幕功能或搶答功能，活躍課堂氣氛，增強學生參與感，集中注意力，提高教學效率。為了留出足夠的時間讓學生進行實踐，實驗講解時間要控制在30～40 min，這需要教師關注學生的課前預習反饋，認真梳理總結，精準講解重難點。

（三）? 課后批改周期縮短，反饋及時

實驗過程或結束后，學生拍照上傳實驗結果和實驗報告，教師在線批改迅速、及時，縮短了批改評價周期;學生也可及時查詢到批改評價意見或報告得分，知道自己在實驗中存在的不足，并可在以后的實驗學習中及時改進，有利于學生實踐能力的提高。

（四）? 教與學過程都留痕，考核有依據

教學平臺實現了課前預習、實時課堂、課后測試全程教學活動的數據采集，讓教與學層次更加清晰。通過數據分析，教師能夠獲取學生學習情況的量化指標，對學生進行成績評定有據可循;同時教師通過反饋信息可及時調整教學過程，實現一對一的精準互動，學生個性化地完成實驗教學項目;教師也可以引導學生使課堂學習成果有效延伸，增強學生自主學習和長效學習能力。

（五）? 效果明顯，有待改進

為了檢驗采用PBL教學模式的教學效果，我們集中對學生進行有關所學實驗內容的突擊測試，實驗組平均成績為69.8分，對照組平均成績63.4分，學生成績有顯著提高。同時我們對學生實驗過程中分析問題的能力進行了問卷調查，調查顯示，實驗組的學生分析問題能力明顯優于對照組;例如有一問是“你小組測得的數據是否在有效數據范圍內？請分析原因”，95%的實驗組學生能從5～6個實驗方面去分析相關原因，而90%的對照組的學生只能從3～4方面去分析原因，部分學生竟然無所適從，不知道如何回答，這說明利用這種教學模式明顯提升了教學效果。但該教學模式仍然存在一些有待改進的地方：教師的PPT有待完善，提供的PBL問題應更有針對性，與現代科技發展高度契合，下載的慕課視頻或操作視頻應該更清晰、更符合本實驗室的實際情況，需要增加生化實驗課的精力和經費的投入，針對本校實驗室的儀器設備，制作更精美的短視頻，進一步提高學生的學習效果，教師應花更多的精力去做好一個學習引導者，不能僅限做一個知識的傳授者，等等。

（六）? 學生科研興趣提高，培養了科研能力

生物化學是安徽師范大學國家一流本科專業的基礎核心課程，其實驗教學對學生學習這門課程具有重要的輔助作用。將PBL教學模式引入生化實驗教學，特別是在問題設計和講解兩個環節，會穿插一些與實驗相關的生化領域里的國內外最新研究成果，特別是本校相關研究人員的最新成果，將其作為問題或講解時的重點項目。因為實驗課時有限，我們在課堂上只是簡略講解，但會注重引導學生在課前和課后查閱文獻資料以詳細了解相關內容。因是實踐課程，學生可以很快地現場感受到與最新研究成果相關的理論、方法、儀器和操作，學生對科研有現場體驗，使科研工作不再神秘，可激發學生對科研的興趣，培養學生科研能力;我們在引導學生時，發現學生對本校老師的科研成果更加感興趣。我們會借機引導學生學好基礎科研知識，為將來參入相關研究打好基礎，同時引導學生積極參加與生化領域相關的大學生創新創業項目或生命科學競賽，在我們的引導下，參入這些領域的科研工作的學生越來越多，例如參入第五屆安徽省大學生生命科學競賽（2022，科學探究類）的研究團隊有59個，最終獲得一、二、三等獎共27個。在27個獲獎項目中，研究內容涉及生化知識領域的有24個，占88.89%。

四? 結束語

在國家一流本科專業建設背景下，實驗教學將面臨新的挑戰與機遇。生物化學實驗是生物科學和生物技術兩個專業學生提高專業能力的基礎核心實驗課程，對培養學生綜合能力起到舉足輕重的作用。我們通過引入PBL實驗教學模式，有利于拓寬學生科學視野、 激發學生創新意識、 培養學生自己動手、 分析解決問題的能力;在我們的教學實踐中，PBL教學模式可貫穿于課前、課中和課后整個實驗教學過程。課前準備工作是整個過程的基礎，教師要投入精力準備并上傳問題和資料，隨時監督學生的預習情況，提高學生的自主學習、獨立思考能力。課中實踐是整個過程的重點，可以通過師生、生生之間更多的交流和互動，提高學生的合作能力、實踐能力。課后反饋及延伸是整個過程的重要部分，教師的指導與評價，可讓學生鞏固所學理論與實踐，培養學生的獨立科研能力。該教學模式可實現精準教學，提高教學效果，為國家一流本科專業建設服務。

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基金項目：安徽省高等學校省級質量工程《生物化學》精品線下開放課程（2019kfkc022）;安徽師范大學本科教學質量工程項目“《園藝植物病理學》的課程思政的教學探索與實踐線下課程”（校教字[2020]44號）

第一作者簡介：朱波（1978-），女，漢族，吉林松原人，博士，副教授。研究方向為生物化學教學及植物基因功能。

*通信作者：李恩（1971-），男，漢族，安徽含山人，博士，副教授。研究方向為生物化學與分子生物學教學及科研。