慕課環境下虛實結合的分子生物學實驗教學改革探索

馮慶玲，葉招權，林繼輝

（閩南科技學院 福建 南安 362300）

隨著信息技術的日新月異，教育開始由線下走向線上，改變了傳統教學模式，中國“互聯網+”教育在政策推動、用戶需求、技術革新、自身優勢等內外因素的綜合作用下迅速崛起。慕課在線教育近幾年極大促進了現代化教育體制改革[1]。慕課強調以學生為中心，改變了傳統的被動教學模式[2]，使學生成為學習的主體。同時，虛擬仿真的實驗教學也迅速發展，即采用仿真虛構的實驗場景、實驗條件、材料在計算機中進行實驗操作及結果分析[3-4]。這種實驗教學可補充一些由于儀器造價高昂、操作時間長、危險性大而在實體實驗室無法開展的實驗項目。近年來，教育部也開展了系列建設工作，如華中師范大學建立包括分子生物學、生物形態學等在內的多個虛擬仿真模塊[5-6]，配合實體實驗室教學更能激發學習興趣、提高效率[7]。分子生物學是一門人類從分子水平上真正揭示生物奧秘、探索生命本質的學科[8]，實驗教學在該課程占有重要地位[9]，通過實驗教學有助于提高學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的綜合素質及創造力[10]。

閩南科技學院生物工程專業（以下簡稱“本專業”）作為省級一流本科專業，一直把分子生物學理論及實驗教學作為核心專業課建設。學科建設的要求是要符合地方經濟發展及人才需求，要求學生在實驗操作中掌握基本操作技術，以應用于實際生產，同時培養一批具備創新能力及應用技能的復合型人才[11-12]。但在近幾年分子生物學實驗教學中發現一些問題，無法全面完成培養方案，急需調整。

1 分子生物學實驗教學現狀

1.1 學生實驗操作參與感低

一些實驗項目通過一臺儀器可完成整個班級樣品的檢測工作，如電泳儀，PCR儀等，學生待教師講解完原理及儀器使用方法后便把樣品放入儀器等待結果，并無動手操作過程。另外，分子生物學實驗與其他學科實驗不同，每個項目都有非常明顯的實驗現象或結果，部分實驗項目的結果要等下次實驗時才能確定成功與否，且整個實驗操作過程簡單，等待時間長，這些因素導致學生對實驗課失去興趣、無參與感，教師無法實現教學目標。

1.2 學生對實驗原理理解不透徹

分子生物學實驗的實驗原理復雜，涉及知識點多，比如，堿裂解法提取質粒的實驗項目，既包括提取的知識點，又包括質粒載體的相關知識，教師授課一般先講解實驗原理與操作步驟再讓學生操作[13]，為節約時間只能快速簡單講解，學生對實驗原理理解不透徹，操作時只是根據步驟簡單處理，缺乏獨立思考的過程。另外，那些“試劑貴重、儀器造價高”的實驗項目通常會被省略掉，如達載體構建后期的篩選、檢測工作以及實時熒光RT-PCR等，不能按基因操作流程完整進行，無最終的實驗結果，使學生不能完整理解體外構建載體及基因表達的全過程及相關知識點。

1.3 考核方式不全面

在以往的分子生物學實驗教學中，先后采取了多種考核方式，如閉卷考試，期末成績由卷面成績和平日成績組成，這種考核的缺點是學生把實驗課當理論課來學習，無法考查實驗操作技能；或采用操作考試的方式，因時間限制只能考一些簡單如平板的制作、移液槍的使用、凝膠的制備等項目，這些操作步驟簡單，考試結果區分不明顯，學生對分子實驗缺乏理解。后期選擇采用提交綜合論文的形式考核，通過讓每個學生參與設計綜合實驗以考查其對實驗原理和方法的掌握情況，但同樣無法考查動手操作能力。

綜上，實驗原理理解不透徹，儀器使用方法不明確，操作步驟不規范又沒有時間練習，以及某些成本高的實驗項目因條件限制不能開展，不能保證整個實驗的完整性等都是亟待解決的問題，需在實驗教學的過程中探索適合本校學生及辦學條件的教學方式并積極變革。

2 慕課環境下“虛實”結合實驗教學模式開展

2.1 慕課先導學習模式建立

目前，教師普遍認可“互聯網+”平臺進行生物學實驗[14]，根據分子生物學實驗課程大綱，依托慕課平臺的優質資源構建完整的實驗教學體系，通過錄制實驗室教學中的操作、PPT 講解等視頻上傳到慕課平臺，逐步在慕課平臺建立包括原理講解、操作過程、知識點測試、問題討論等完整流程的實驗項目。每次實體實驗室操作或虛擬實驗操作之前要求學生登錄慕課平臺完成相關實驗項目的視頻學習及測試，這樣可保證學生實操之前有足夠時間理解實驗原理及步驟，再進行實驗操作時，學生就不會處于簡單的模仿狀態。

2.2 “虛實”結合開展實驗操作

首先，對一些鍛煉操作能力的項目安排實驗室教學，如堿裂解法提取質粒，大腸桿菌感受態的制備，植物基因組DNA 的提取等實驗項目，這些實驗操作步驟連貫性強，每步實驗都能觀察到明顯的結果，通過實操能鍛煉學生的動手能力及觀察能力。另外，通過前期線上視頻學習及問題分析情況，學生能在實驗過程中主動觀察及思考。教師也可現場指導學生操作，錄制一些操作標準、結果準確的操作案例，以提高學生的實驗熱情，鼓勵學生不斷完善實驗操作技能。

其次，利用虛擬仿真實驗平臺開展綜合實驗項目，將分子生物學知識點與操作技術融合起來，培養學生的綜合實踐能力。通過虛擬仿真實驗平臺可以設置一個表達載體構建的完整實驗體系，包括質粒DNA 提取，酶切，鑒定、連接、轉化、篩選等所有綜合實驗項目，從而保證學生逐步形成對分子生物學實驗從理論知識到操作技能系統、全面、深刻的認識。

2.3 過程性綜合評價實施

結合每個實驗項目的知識點，在慕課平臺完成知識點測試，將測試成績以及實體實驗室操作或虛擬仿真項目操作成績、實驗報告成績三者結合起來，按照一定比例構成學生的綜合成績，保證理論知識及實驗操作技能都能參與考評，考評結果更有區分度。這種方式可將實驗開始前的預習過程、實驗操作過程到實驗結果分析過程都納入考核中，從而對學生學習進行過程性考核而非“一考定成績”。

3 教學成果

3.1 實驗理論理解更透徹

在前期的實驗教學過程中發現問題并在近兩年教學中逐步解決問題，即在上課的過程中錄制相關實驗的原理講解、操作過程視頻，篩選并積累一些線上相關資料，對于所有實驗項目均依附于慕課平臺，建立了一門較為完整的分子生物學實驗課線上課程體系，并且包括重要知識點測試，常見問題討論分析，師生互動答疑等。在實驗室進行實驗項目之前先讓學生參與平臺課程學習，對實驗內容有整體的理解，保證操作過程更準確，同時有足夠的時間理解消化理論知識。針對上學期的慕課學習成果進行評價，學生普遍反映對各個實驗原理把握更準備，操作步驟也理解得更透徹，能把理論知識與實驗操作聯系起來。在理論測試方面，均能達到滿意的成績。

3.2 綜合實驗體系更完善

由于分子生物學是現代科學技術中發展最迅速，應用最廣泛的學科，一些新型設備、操作技術層出不窮，而實驗室條件限制使學生不能及時接觸到這些儀器設備，所以選取具代表性的新技術設計綜合實驗，并以虛擬仿真實驗的方式讓每位學生都能進行操作練習，如（His）6 標記蛋白質的原核表達和純化實驗，該實驗是利用大腸桿菌表達載體pET 和大腸桿菌表達菌株BL-21，將克隆在pET 載體中的目的基因大量表達，整個實驗涉及載體構建、基因表達、蛋白質純化等基本實驗操作，通過和公司合作的方式建立虛擬仿真操作平臺，使每個學生都可以通過操作平臺進行充分的練習操作，并且由于每個操作步驟都是可視化練習，實驗結果清晰可見，操作步驟得分即時呈現，總體操作時間較短，學生的實驗熱情非常高。另外，在虛擬仿真實驗室操作之前要求學生學習慕課平臺的相關理論知識點，使得學生綜合知識的運用能力及創新能力都得到了培養。

3.3 考核成績更具過程性

虛實結合的實驗教學配合采取多元性加過程性的考核方式，即每個學生的分子生物學實驗成績由實體實驗室操作情況、慕課平臺學習及測試情況、虛擬仿真實驗操作得分組成。在實體操作過程中，把學生的上課積極性、操作規范性、結果準確性等都作為考查目標。另外，慕課后臺會記錄學生的視頻學習、理論測試、線上討論等情況，并且虛擬仿真系統可以直觀顯示學生的具體步驟操作得分，把這些成績按照一定比例作為學生的期末成績。這種考核方式實現了把學生作為教學過程中的主體，使其由被動式的“應試性”學習變為主動式的“研究型”和“創新性”學習，實現了全面考核學生的知識、能力和綜合素質的目標。同時加深了學生對知識的理解、掌握和應用，有助于將理論知識和實踐技能綜合應用于實際問題的解決。

4 結語

經過兩個學期的探索與建設，本專業目前已基本實現基礎實驗項目采用實體實驗室教學，利用虛擬仿真系統搭建完成了一個綜合實驗項目，使學生的課堂所學形成完整的體系，培養了學生綜合分析及解決問題的能力。另外，綜合性實驗項目的設置與開展，離不開學生對整個分子生物知識體系的掌握和對基礎實驗項目的熟悉，這要求學生認真完成慕課平臺的微課學習、實驗室實際操作的前置條件并具有一定成效，這需要教師及時引導鼓勵學生，從而發揮學生的主觀能動性。