新質生產力視角下理工類高校“普通生物學”課程的教學模式改革與實踐探索

一、理工類院校“普通生物學”課程概述

在以工科為主、理科支撐的理工類院校里，專業需緊跟國家和社會需求，不斷革新學科，突出特色發展。無論是綜合性理工大學，還是特色型理工院校，理工學科占比都較大。其教學以自然科學和工程教育為主，人才培養注重理論與實踐結合，強調綜合素質與創新能力[1。隨著生命科學快速發展，單一學科難以解決復雜的生命科學問題，也無法為創新型人才培養提供有力支撐。多學科交叉融合的“普通生物學”課程，是一門綜合性強、覆蓋面廣的基礎課，涵蓋植物學、動物學、生態學等多個領域。華南理工大學的“普通生物學”是生物技術、生物工程等生物學相關專業的必修（或選修）基礎課。該課程知識面廣，具通論性質。但各章節知識點松散，每章都近乎能獨立成為一門課程。作為生物學專業學生較早接觸的課程，又受教學時數和深度限制，對教學內容和方式進行精心安排與探索很有必要[2]。

二、理工類院校“普通生物學”課程教學存在的問題

教學內容與課時矛盾：“普通生物學”綜合性、基礎性強，涵蓋植物學、動物學等多領域內容，致使教學內容繁多。然而，課時量相對較少，難以全面覆蓋重要知識點，給學生理解和掌握課程內容帶來困難。

重難點與新穎性難協調：教學中，教師需平衡重難點突出與課程新穎趣味。過于強調重難點，課程易枯燥；過于追求新穎性，則可能忽視基礎知識講解。部分內容高中已學，學生易有“似曾學過”之感，學習興趣不足，不重視課程，影響后續專業課程學習，背離課程設置初衷[3]。

理論與實踐脫節：該課程不僅要傳授理論，還應培養實驗技能。但理工類院校兼具多學科理論知識與實踐經驗的教師數量有限，對實踐教學重視不足，忽視學生主觀能動性，學生能力難以得到有效鍛煉。而且，學生在實踐中常發現理論知識難以直接應用，易產生困惑與挫敗感[4]。

教材問題突出：部分教材系統性欠佳，學生難以形成完整知識體系。語言文字艱澀，增加學習難度。課程內容前沿性更新慢，學生對生物學前沿知識了解匱乏，無法適應學科發展、產業升級及自身能力培養需求。

教學方法單一：作為低年級專業基礎課，多數學生剛從高中步入大學，學習方法被動。傳統“老師講、學生聽”的教學方式缺乏互動與啟發，不利于培養學生獨立思考和科研能力。課程覆蓋面廣且基礎，易授課無側重，導致學生興趣缺、課堂活力差，學習效果不佳。

考核標準不完善：傳統以期末考試為主的考核模式單一，弊端明顯。對于知識點眾多的“普通生物學”課程，學生易死記硬背應對考試，不利于專業技能培養。大一新生對高校一次性考試定成績的方式不適應，易出現多科不及格，打擊學習積極性。過程性考核雖能提高參與度，但方式單一，難以全面反映學習情況。

三、理工類院校特色“普通生物學”課程教學模式探索

（一）翻轉課堂的立體化實踐：從被動接受到主動建構

翻轉課堂在“普通生物學”教學中的應用，打破了傳統講授式課堂的時空局限。2007年起源于美國的翻轉課堂模式，在理工類院校的生物教學中呈現出獨特優勢——某理工大學的教學實踐顯示，采用“課前知識建構一課中思維碰撞一課后能力遷移”的三階模型后，學生的課堂互動頻次提升3倍，實驗設計的創新性評分提高 27% 。

課前階段的資源設計需契合理工類學生的認知特點。教師將“普通生物學”中的細胞分裂、遺傳規律等抽象概念，轉化為帶交互式動畫的微課（如用3D建模展示減數分裂過程），并配套設計“概念自測題”（如“染色體數目減半發生在減數分裂的哪個時期？”）。某院校開發的“生物微課云平臺”顯示，學生課前視頻完成率達 89% ，其中 62% 的學生會主動回放關鍵知識點動畫。這種前置學習為課堂深度探究奠定基礎，如在“DNA雙螺旋結構”章節，學生通過課前微課已掌握堿基配對規律，課堂上便可直接開展“沃森一克里克模型缺陷辯論會”，探討早期模型中糖磷酸骨架位置的爭議。

課中階段的活動設計凸顯理工類課程的實踐性教師轉型為“思維引導者”，設置梯度化任務：在“酶的特性”章節，先通過“溫度對唾液淀粉酶活性的影響”實驗數據，引導學生提出假設；再以小組為單位，用3D打印機制作不同溫度下酶的空間結構模型；最后通過“酶缺陷疾病案例庫”分析，將基礎理論與臨床應用結合。某理工院校的課堂觀察表明，這種“實驗操作一模型建構一案例分析”的三輪互動，使學生的知識遷移能力測評得分提升 41% 。

課后階段的評價體系注重過程性反饋。除傳統的實驗報告外，引入“生物思維成長檔案”，要求學生用思維導圖梳理章節知識脈絡，并記錄“知識困惑一解決路徑”的思考過程。在“基因編輯技術”章節后，學生需完成“CRISPR-Cas9技術倫理辯論稿”，這種開放式作業使批判性思維指標得分較傳統考試提升29% 。某理工大學采用的“同伴互評 + 教師反饋”機制顯示， 87% 的學生認為同伴的模型分析報告為自己提供了新的思考角度。

（二）諾獎成果的教學化轉化：從科學前沿到課堂場景

將諾貝爾生理學或醫學獎、化學獎成果融入“普通生物學”教學，能有效架起基礎理論與科學前沿的橋梁。近八年諾貝爾獎與“普通生物學”課程知識點（見表1）。某理工院校的教學實驗顯示，當諾獎案例占比達課程內容的 15% 時，學生的課堂專注度提升 38% ，課后自主查閱相關文獻的比例從 12% 增至 43% 。

案例篩選需遵循“知識點契合度一技術代表性一倫理討論價值”三維標準。如講解“細胞自噬”時，引入2016年大隅良典的酵母自噬研究，通過對比正常細胞與自噬缺陷細胞的電鏡照片，幫助學生理解溶酶體的作用機制；在“免疫系統”章節，結合2018年腫瘤免疫療法成果，設計“PD-1抑制劑作用通路繪制”任務，使抽象的免疫檢查點概念可視化。某院校開發的“諾獎一課程對照表顯示，每個諾獎案例平均能關聯2.3個核心知識點。

教學實施采用“故事鏈一技術解析一倫理思辨”的遞進式設計。以2022年古基因組學研究為例：先通過“尼安德特人與現代人基因交流”的故事，引發學生對進化關系的興趣；再拆解PCR技術在古DNA測序中的應用，對比現代DNA提取與化石DNA修復的技術差異；最后組織“古基因組數據能否改寫人類進化史”的辯論。這種設計使學生在掌握PCR技術原理的同時，理解科學發現對認知邊界的拓展。

（三）實踐課程的立體化設計：從知識應用到能力進階

實踐課程是連接生物學理論與現實場景的橋梁，尤其在理工類院校的“普通生物學”教學中，通過跨學科融合、實驗探究、自然實踐與場景模擬，可有效培養學生的工程思維與創新能力。以下是結合理工類院校特色的實踐教學創新路徑：

表1近八年諾貝爾獎與“普通生物學”課程知識點

1.跨學科實踐：構建“生物 + ”的立體化應用場景

跨學科實踐打破傳統生物學實驗的單一學科局限，強化與理工學科的深度融合。以“化石采集與進化建模項目為例，學生需完成三階段任務：

地質勘探階段：運用GIS地理信息系統分析區域地層數據，結合《普通地質學》知識識別中生代沉積巖層分布區，如某理工大學學生通過遙感影像解譯，在秦嶺北麓鎖定1.2億年前的陸相沉積層，成功采集到恐龍足跡化石。

成分分析階段：使用X射線熒光光譜儀（XRF）測定化石的硅鋁比，結合《分析化學》知識判斷礦物成分，發現某植物化石的硅化程度達 78% ，為推測古氣候提供依據。

數據建模階段：利用Python編程語言處理化石數據庫，通過系統發育分析軟件MEGA構建分子進化樹，某小組發現本地化石群的進化分支比傳統認知提前300萬年，相關成果入選校級優秀實踐報告。

在生物材料跨學科研究中，學生需綜合運用材料力學試驗機（測試蠶絲蛋白膜的抗拉強度）、掃描電子顯微鏡（觀察殼聚糖微球表面形貌）和Matlab仿真軟件（模擬人工血管的血流動力學）。某理工院校的實踐顯示，參與該項目的學生在“生物醫學工程導論“課程中，跨學科問題解決能力得分較未參與學生高 29% 。

2.實驗探究：打造“問題導向”的科研訓練閉環

實驗探究活動聚焦真實科研場景，采用“假設驅動一技術驗證一迭代優化”的科研思維訓練模式。在“CRISPR-Cas9基因編輯”實驗中，學生需完成：

靶點設計：通過在線工具CHOPCHOP篩選擬南芥抗病基因靶點，使用VectorNTI軟件構建sgRNA表達載體。

顯微注射：借助顯微操作儀將Cas9蛋白復合體注入植物原生質體，培養48小時后提取基因組DNA。

突變檢測：運用Surveyor核酸酶法檢測基因突變效率，某小組發現優化后的電轉參數可使突變率從35% 提升至 52% ，相關操作流程被納入校級實驗指南。

為強化技術遷移能力，實驗課增設“失敗案例分析”環節：在綠色熒光蛋白表達實驗中，引導學生從“引物二聚體形成”“感受態細胞活性”“誘導劑濃度”等12個維度排查故障，某學生通過調整IPTG誘導時間，使熒光蛋白表達量提升 170% ，該案例被制作成互動課件供后續班級學習。

3.自然實踐：建立“觀察一記錄一建模”的生態認知體系

自然觀察與調查活動注重培養學生的田野調查能力，構建“宏觀生態一微觀機制”的認知橋梁。在“城市生態系統調研”中，學生需完成：

樣地規劃：使用ArcGIS劃分 50m×50m 的樣方，記錄喬木胸徑、灌木蓋度、草本高度等18項指標，某小組發現校園綠地的物種豐富度與人為干擾強度呈負相關（Pearson相關系數 r=-0.68 ）。

標本制作：掌握植物標本的壓制干燥（溫度55^cC 、壓力 80kg ）和動物標本的浸制保存（ 75% 乙醇+0.05% 甲醛），建立包含300余份標本的數字化數據庫，實現二維碼掃碼查看物種信息。

模型構建：運用Logistic增長模型擬合校園流浪貓種群動態，預測最佳絕育放歸時間，相關建議被學校后勤部門采納，使流浪貓數量兩年內從87只控制在42只的生態平衡值。

長期生態監測項目要求學生持續跟蹤特定區域，如某理工大學組織的“秦嶺森林碳匯監測”，學生每季度測定樹木胸徑、凋落物量、土壤有機碳含量，數據連續記錄5年，形成《溫帶落葉林碳循環年度報告》，部分數據被納入陜西省生態環境數據庫。

4.模擬實踐：創設“角色沉浸”的應用情景

模擬實踐通過角色扮演將生物學知識轉化為解決實際問題的能力，典型案例“流域污染治理模擬”包含四階段任務：

水質檢測組：使用多參數水質儀測定COD、氨氮、溶解氧等指標，發現某模擬河段的總磷超標2.3倍，推測為上游農田面源污染。

企業組：設計污水處理方案，對比A/O工藝與人工濕地的除磷效率，提出“生態溝渠 + 生物濾池”的組合工藝，使總磷去除率達 89% 。

監管組：依據《中華人民共和國水污染防治法》制定排放標準，設計“排污許可證分級管理制度”，對超標企業實施階梯式罰款。

公眾組：通過問卷調研模擬居民訴求，提出“水質信息公開平臺”建設方案，最終各組形成《流域治理可行性報告》，由行業專家進行模擬評審。

在“合成生物學倫理辯論”中，學生分別扮演科學家、企業高管、政策制定者、環保組織代表，圍繞“基因編輯作物的環境釋放”展開博弈。某小組提出的“區塊鏈瀕源監管”方案，將生物學技術與管理學知識結合，獲全國大學生生命科學競賽實踐創新獎。

某理工大學的跟蹤數據顯示，系統化實踐課程使學生的能力發生顯著變化：實驗設計的創新性評分提升 34% ，跨學科項目的協作效率提高2.1倍，野外調查中的問題解決速度加快 40% 。更重要的是，實踐課程激發了低年級學生的科研興趣，參與過“諾獎成果重現實驗”的學生，進入實驗室開展科創項目的比例達 65% ，較傳統教學模式提升3倍。

面對生物制造產業對新質生產力人才的需求，理工類院校的“普通生物學”實踐教學需進一步強化“工程思維”與“產業導向”：如在實驗課中引入生物反應器操作、工業菌種篩選等工程化內容，在跨學科實踐中對接合成生物學、生物信息學等前沿領域。當顯微鏡下的細胞結構與生物制造的產業藍圖相互映射，當野外采集的標本數據與生態治理的政策制定形成共振，生物學教育便真正成為培養“懂理論、會操作、能創新”的復合型人才的基石。

參考文獻

[1]郭磊.理工院校本科教學質量現狀、問題與對策研究[D].武漢：武漢理工大學，2017.

[2]趙燦燦．“普通生物學”線上線下混合式教學模式的探索與實踐Ⅲ].教學教育論壇，2022（27），101-104.

[3]吳桂容，何彩梅．“普通生物學”教學中注重本科生科研創新能力的培養[].高教論壇，2013（02）：57.

[4]張春媚，秦盛.淺談“普通生物學”教學改革·科學咨詢（教育科研），2022（10）：134-136.

[5]生悅，宋亞坤，林飚，等.基于“互聯網 + 教育”的普通生物學實驗教學改革與實踐[].高校生物學教學研究（電子版），2022，12（06）：53-59.

本文得到以下項目支持：2022年華南理工大學教研教改項目“互動拓展式教學方法在普通生物學教學中的設計及應用”（x2sw/C9223127）。

（作者系華南理工大學生物科學與工程學院副教授）