生物化学与分子生物学综合实验课程的建设与实践*

尹燕霞 骆 静 杨 冬 向本琼

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

生物化学与分子生物学是生物学、生态学、化学、医学、农学、药学等学科的重要基础学科。生物化学与分子生物学实验是高校生物学类专业核心课程，是生物化学与分子生物学等理论教学的延伸与补充，也是掌握生物化学与分子生物学研究技术与方法的重要实践环节，是训练学生基本技能、提高动手实践能力、培养科研思维和科学素养的必修实践教学环节。进行相关实验教学的教学改革在生物学类相关专业人才培养中起到非常重要的作用，也是更新教育观念、积极推进创新教育、努力探索培养创新人才的模式和途径之一［1］。

1 课程基础与历史沿革

生物化学实验与分子生物学实验是北京师范大学生命科学学院具有悠久历史和成效显著的生物学类专业基础课程。分子生物学实验课程曾获国家理科基地名牌课程、国家级精品课和精品资源共享课，其配套教材《分子生物学实验指导》先后入选国家“十一五”“十二五” 规划教材及北京市高等学校精品教材，并出版了新型态教材《分子生物学实验数字课程》。生物化学实验课程曾获校级精品课程，其配套教材《基础生物化学实验》入选国家“十一五”规划教材。

为适应生物科学技术的迅猛发展，将这2 门课程进行整合与调整，建设了“生物化学与分子生物学综合实验”，对已有的教学内容进行提升和拓展，搭建新的课程体系，培养学生解决复杂科学问题的综合能力与素质，满足国家创新型人才建设及学科交叉融合的需求，为国家和社会发展培养更加杰出的拔尖人才，建设国家级一流本科课程，践行学校“双一流”建设的历史使命。

2 课程体系与教学内容

建成的“生物化学与分子生物综合实验”是集技能训练与创新能力培养于一体的综合型实验课程，注重培养学生综合实验能力及科研思维，强调让学生运用系统、科研的思路解决复杂问题。课程以基因和蛋白为主线将目前最基本的分子实验操作和蛋白研究技术融于系列实验中，形成综合与设计型大实验，实验技术涵盖了基因克隆与表达、蛋白的分离纯化、酶学研究及蛋白质的高级结构变化检测和免疫分析技术，同时紧随学科发展不断更新与补充新技术。课程内容包括基础训练、目的基因克隆、筛选和表达、酶的分离纯化及酶学特性研究、腹水抗体制备及其效价检测、分子筛层析分离标准蛋白、植物总RNA 的提取及RT-PCR、综合设计实验，以及其他延伸学习内容等（图1）。

在课程教学中，笔者运用研究型实验思路、混合式翻转课堂教学方法，以E.coli碱性磷酸酶工程菌的构建、表达、纯化、酶学研究及其多克隆抗体制备与检测为主线，让学生在学习过程中系统地完成各个实验环节。学生先提取基因组或质粒DNA，以此作为PCR 扩增的模板，从PCR 出发完成E.coli碱性磷酸酶基因的扩增、酶切连接、筛选，转化表达菌株，进行表达并在菌体匀浆液中进行酶活力的初步测定，筛选得到有活性的表达菌株后进行碱性磷酸酶的扩增表达和分离纯化，并利用其纯化获得的产物对该酶的生化特性、酶促动力学参数进行研究，同时利用纯化得到的蛋白免疫小鼠，制备该酶的多克隆抗体。与传统的实验课程相比，综合实验使学生更好地掌握生物化学和分子生物学的实验技能，锻炼其在科学研究与实验操作中解决复杂问题的能力，提升科研思维和实践能力。

图1 课程体系与教学内容

3 基于SPOC 的线上、线下混合式教学模式

为适应时代发展，贯彻执行教育部关于一流本科课程建设的实施意见，推进课程改革创新，实施科学课程评价，建设国家级线上、线下混合式一流课程，笔者实施构建了基于SPOC 的线上、线下混合式教学方法的改革探索，开展以学生为中心的个性化教学和翻转式教学，提升学生的学习效率和教学质量。基于SPOC 的混合式教学模式，即采取以SPOC 视频为主的线上教学活动与以翻转课堂为主的线下教学活动相结合的教学模式［2］，包括课程资源建设、线上教学、线下教学、课程成绩评定等部分。

3.1 SPOC 资源建设 为更好地实施翻转课堂教学及方便学生学习，笔者在2018年已经完成了综合实验课程全部内容的授课和实验操作视频录制，覆盖实验课程的所有核心知识点，并按翻转课堂的要求对知识点进行分割、制作，将全部课程内容碎片化为近200 个视频，每个视频5～20 min，建设了分子生物学实验MOOC 和生物化学实验MOOC，并在中国大学MOOC 平台（https://www.icourse163.org/）进行开课，面向社会开放。同时基于MOOC 的专属在线课程SPOC（https://www.icourse163.org/spoc/learn/BNU－1205827829#/learn/content）在学校云平台面向北京师范大学生物学专业本科生开放，基于建设的SPOC 进行混合式教学。SPOC 线上模块包括课程公告、课程资源（教学课件、教学视频、单元测验与作业、考试等），课堂讨论包括课堂交流区、教师答疑区、综合讨论区等。SPOC 线上资源按课程体系与教学内容划分为17 个单元，包括所有线下实验项目和延伸学习的实验项目、测验题、单元作业、讨论题等，其中每个实验项目又包括涉及实验背景与实验设计等理论知识的教师讲授、以微距近景拍摄方式录制的全程实验操作和虚拟仿真实验操作等3 个部分。线上内容与线下17 周教学实验遥相呼应。

3.2 线上教学 学生注册登陆后，根据教师发布的教学计划和学习安排表，在下一次实验课之前，进行线上SPOC 实验内容的学习，自行选择时间和地点上网登录观看视频，进行虚拟仿真实验操作、在讨论区参与讨论、对难以理解的内容进行提问、限时完成单元测试及作业，并阅读相关文献等。同时教师和学生之间通过SPOC 论坛展开教学交流，引导学生思考讨论。

3.3 线下实验教学

3.3.1 课程组织实施情况 线下教学方式以翻转课堂为主，从2018年连续2年进行了综合实验混合式教学翻转课堂的实践。在教学中，充分利用启发式和探究式教学方法，课前引导学生线上学习时发现问题和思考问题，课堂上采用讨论、演讲等形式进一步巩固专业知识、实验技能和操作规范。线下完成实体实验，学生上手更快，提高了实验的成功率及实验教学的吸引力和有效度。同时通过增加实验的探索性，设置专题研讨和实验设计等环节，引导学生积极思考，独立设计实验方案，激发其探索生命科学的兴趣，体验科学研究带来的乐趣与成就感，增强创新实践能力，培养科研思维及解决复杂问题的能力；解决了学科与技术发展所导致的知识增加与学时缩短之间的矛盾，满足了学生主动求知与个性化发展的需求，提升了学生的学习效果和课程教学质量。

线下课堂以学生为中心，教师采用多种教学方法组织教学：①分成若干2～3 人小组协助完成实验操作、撰写科研论文式的实验报告和课题申报式的实验设计，且要求每份实验报告和实验设计均具有独特性；②在关键环节中，设置多次全体学生参与的专题研讨，针对整体实验设计、研究理念、科研诚信等大方向，以及引物设计、实验误差分析等研究细节，在教师引导下进行深入讨论；③其他形式：例如文献研读、口头汇报等。

3.3.2 丰富的仪器培训与虚拟仿真技术 该实验课程涉及大量基础实验操作，会用到各种专业仪器设备，培养学生规范使用仪器是实验教学顺利进行的前提。鉴于此，一方面，笔者制作了系列仪器设备相关的虚拟仿真实验，介绍操作过程；另一方面，在教学第1 周，进行实验室安全教育和仪器设备培训考核。由实验教师现场示范操作。学生通过考核才能进行后续实验。3.3.3 多样化的实验方法 为拓展学生知识面和科研视野，实验课堂中引入了多种实验方法，例如提取质粒时选用化学试剂法破碎细胞，分离纯化蛋白时采用超声波法破碎细胞，提取基因组DNA 时采用玻璃匀浆器研磨破碎细胞；提取质粒时，同时采用了经典的碱裂解法和科研中常用的试剂盒法2 种方法。此外，琼脂糖凝胶电泳和PCR 技术等虚拟仿真实验也成为课堂教学的有力补充［3－4］。

3.4 课程成绩评定方式 为了体现基于SPOC的混合式翻转课堂教学模式的教学效果，课程成绩评定方式由线上和线下2 个部分构成。采用过程性评价，既考查实验操作过程，又突出主动学习过程。一是考核学生的线上学习情况，包括在线学习时间、观看视频和文档、讨论区的讨论发言（发帖数量和质量、回答他人问题等）、单元测验、作业、期末测试、讨论等来评价学生线上的学习效果，占实验总成绩的25%；二是考核学生线下实验学习情况，包括实验报告、实验设计、实验态度、实验技能与习惯、动手操作能力、解决实际问题的能力，占实验总成绩的75%（表1）。

表1 混合式教学模式课程成绩评价体系

4 教学评价与反思

目前，生物化学与分子生物学综合实验已运行3年，得到了学生的高度认可，学生普遍认为该课程教学体系和教学内容非常好，本课程激发了他们的学习兴趣和探究欲望，培养了从事科学研究的实验技能和科研思维，提升了解决复杂问题的综合能力。线上、线下混合式教学对教师提出了更高的要求。教师应在教学实践中积极探索SPOC教学规律，进一步深化教育教学改革。

生物化学与分子生物学综合实验课程结构与实际的科研过程较接近，利于学生应用于未来的科研实践中。课程强调发挥学生的主动性和培养学生创新科研思维，利于培养科学研究或技术开发人才。课程的结构具有一定的弹性，即对学生有一定的“个性化”特色，不同的学生可根据其能力获得有所差异的体验，从而实现“因材施教”的效果。笔者将不断改进教学内容及教学方法，打造国家级线上、线下混合式一流课程。