PBL 实验教学模式在高校生物类专业实验教学中的应用1

张宽朝

（安徽农业大学 生命科学学院， 安徽 合肥 230036）

实验教学是高等教育的重要组成部分，是学生获取知识、掌握知识、提高素质的重要途径.近年来，实验教学因其在培养学生创新精神和实践能力方面的特殊作用而引起了教育界的重视［1］.

为进一步发挥实验教学的育人优势，必须探索突破传统的实验教学习惯，构建以完成特定的综合性实验项目为主的新时代高校实验教学组织形式.以PBL新型实验教学模式探索培养和引发学生高级思维，激发学生的创新意识和潜能，提高学生“发现问题、创设问题、获取知识和方法、解决问题”的综合素质，实现创新精神、实践能力和社会责任感的培养以综合性实验项目为载体来进行有效传递，正越来越多地得到高校的认可和使用［2］.

生物学科是一门实验性的学科，实验教学在生物学专业人才培养中尤为重要.适应和满足学生“知识学习、技能训练、素质提升”的实验教学模式研究，对加强生物学专业人才培养有着积极的示范意义和推广价值.PBL 新型实验教学模式为高校生物学实验教学改革提供了一种全新的路径和参考范例.

1 PBL模式的内涵与理论基础

PBL，即Project-Based Learning 的简称，是一种基于项目学习的教学模式，也称为项目化学习、课题式学习或专题式学习.PBL 注重的是学科的核心概念和原理，旨在使学生参与真实问题的研究，要求学生在真实情境中借助多种资源参与问题解决研究和其他有意义的任务，实现学生的自主学习，并建构自己的知识和能力［3］.

PBL 模式融合了多种新的教育理念，主要包括建构主义学习理论、实用主义教育理论和多元智力理论［4］.PBL 模式，实质上就是一种基于建构主义学习理论、立足于现实生活的探究性学习模式，强调活动建构性，在合作中、在疑难问题地不断解决中，通过老师引导，完成对知识的意义建构.PBL 模式，与杜威的实用主义教育理论相一致，强调对学生动手能力的培养、强调现实、强调活动，是以真实的或模拟的工作任务为基点，让学生充分利用资源及自身的经验，采取“做中学”的方式，完成工作任务，获得知识与技能.PBL 模式注重学习与实际经验的融合，提倡教师创造性地运用各种教学策略到项目的规划和实施过程中，通过适当的培养和不断的积累学习经验，帮助学生开发多元智力，个性化提高学生的每一种智能，发挥智力潜能［5］.

2 PBL模式与实验教学改革

2.1 传统实验教学模式存在的问题

实验教学模式是有效实现实验教学目标的手段和方法.我国高校传统实验教学模式存在着诸多不足，限制了学生的实践能力培养和创新精神塑造，主要表现在：

实验项目内容狭窄单一、独立分散.实验内容设置相对简单，重复验证实验太多，综合设计实验过少，实验项目独立、分散，项目间缺乏逻辑相关性，缺少延续、连贯、综合和创新，启发式教学项目远远不能与理论性教材相结合，无法充分调动学生参与实验教学的积极性，不能吸引学生参与实验研究的兴趣，学生对实验操作感到厌倦［6］.

实验教学形式陈旧、过时.学生更多地依赖教师在实验课上的演示和讲解，“照本作业”“照书实验”，实验内容、实验操作千篇一律，学生是被动学习的，独立思考、独立尝试的机会缺乏，不利于复杂问题的理解和解决问题能力的培养.

实验内容与实际应用结合不足.实验内容与实际应用相结合不足，实验教学内容与时代、科研和产业实际相脱节，不能满足学生科研和生产实践的需要.

创新实验项目的开发受到一定的限制.由于经费短缺等原因，实验教学项目不能跟踪科学技术的最新发展，创新实验项目的开发和教学应用受到限制，落后的教学内容、过时老化的仪器设备仍在实验教学中大量使用.

学生合作学习能力的培养不足.传统模式下，实验室开放度低，教师主导色彩浓厚，学生的主体地位不受尊重，学生普遍缺乏实验教学的自觉性和自主性，团队协作性训练、表达能力和解决问题能力培养缺项.

2.2 PBL实验教学模式的主要特征

PBL实验教学模式的核心在于为学生提供真实情境下的实验项目，培养和发展学生解决实际问题的能力，较传统的“菜谱订单式”教学，具有鲜明的特征［4］.

实验情境具体而真实.按照人才培养要求和学科专业特点，PBL实验教学模式的教学项目取材于现实，与科研、生产实践密切相关，学生处置的是具体而真实的项目案例.

实验内容综合而开放.将整个实验教学内容整合作为一个项目来开展学习，教学内容间具有整体性和关联性.实验项目有效融合、涵盖了多学科的知识和实验技能，通过独立设计、综合实践、逻辑归纳等全方位的训练，学生方可完成项目，获知结果.实验内容的开放性则表现在教学项目不局限于书本，来源于真真切切的科研、生产实践，而且，项目完成环节可能遇见的问题在不断变化和发展，需要学生时刻修正自己的实践思路和实践过程.

实验教学形式多样化.PBL 实验教学模式融合了探究教学法、问题教学法等现代教学方法.教师提出实验项目，学生根据所学知识、实验室条件等积极主动地独立设计、分组完成项目，并对项目设计、实施等环节进行全面的评估和研讨.该过程体现了学生在教学中的主体地位，发挥了学生参与实验的积极性、主动性，发展了学生的创造力.

实验活动的自主性和协作性增强.PBL 实验教学模式淡化教师的主导作用，学生对自己的学习承担更多责任，这导致学生更高的参与度.项目从目标制定、计划安排、分部实施、结果分析、总结研讨，都有学生按照小组完成.通过完整实验项目的训练，开发和培养学生独立思考、团结协作的意识，培养学生的非智力因素，发挥学生的学习潜能.

学习成果的多面性.学生通过大胆假设、方案论证、实验求证、结果分析、评估总结等环节的逐一训练，信息素养、自学能力、分析问题能力、协作互助能力、交际沟通能力等得到了培养.方法性、技能性知识的学习，发展了学生的学习能力和实践，特别是有助于塑造和培养学生终身学习的意识和能力.

PBL 实验教学模式是以学生为中心，以解决问题为目标自主学习的教学模式.基于传统实验教学存在的问题，以PBL策略组织实验教学，构建和实践PBL实验教学模式，对于改革和推动我国高校实验教学改革，促进人才培养质量提升，有着积极的影响和价值.

3 高校生物类专业PBL实验教学模式的构建和实践

PBL 实验教学模式是一种新型的实验教学模式，是对传统实验教学进行革新的新理念，强调学生的中心和主体地位，注重小组合作学习.以安徽农业大学生物技术专业实验课程为例探索高校生物类专业PBL实验教学模式的构建和实践.

从Kilpatrick的“目标、计划、实施、检查”基本框架出发，将高校生物类专业PBL 实验教学模式分为创意预设、教学应用和应用评价3 个主要阶段，其中，根据教学的具体过程，又将教学应用细分为项目选定、方案拟定、实验实施3 个环节（图1），每个阶段（环节）都包含特定的步骤、可预测的结果以及项目参与者的协同组合［7-8］.

图1 高校生物类专业PBL实验教学模式

3.1 创意预设阶段

创意预设是高校生物类专业PBL实验教学模式的第一阶段，也是关键环节，直接关系着后续教学实践的成败.这一阶段工作的重点在于通过实验教师和实验教学其他相关人员的协作努力，厘清人才培养目标、明晰实验教学条件、构建合理项目体系，初步解决PBL实验教学模式的情境准入.

教师设计的实验项目应充分考量人才培养方案的界定、实验教学条件的满足，应包括但不限于一系列非良构的知识内容，并具备一定的复杂性和真实性.项目设计和情境规划需在一定的规则和范围内进行，权衡考虑项目主题的价值、项目知识的体系、项目任务实施的情境合理性等，实验教师与实验教学其他相关人员一起完成探索和构建项目目标.创意预设阶段可形成一个基于知识的、具有育人价值、可规划情境的项目教学的大致框架草案，指导后续实践.围绕“人才培养的目标是什么？”“为实现人才培养的目标需要传授哪些知识，训练哪些技能，塑造哪些素质？”“教学中如何引入PBL 作为学习和教学环境？”“学习目标是否与学生可持续发展的关键能力有关？”等进行.

生物类专业旨在培养具有良好的科学素质、较强的创新意识和实践能力的生物高级专门人才，创新性科学思维、能动性科学探究是生物学科重要核心素养［9］.为突出创新性、实践性人才培养的核心地位，积极开展生物类专业PBL 实验教学模式的研究，在教学指导委员会、专业负责人、实验教师、实验室管理人员等的参与和论证下，将现代生物技术融入生物技术专业实验课程教学内容，系统整合、统筹规划PBL实验教学项目，涵盖了生物学综合实验技术、生物工程综合实验技术、发酵工程综合实验技术、生物制药综合实验技术4大模块.以生物工程综合实验技术模块为例，提供了7 个实验项目供学生选择（表1），内容包括细胞工程、基因工程、发酵工程、生化工程、生物化学与分子生物学等相关的研究性实验，可操作性强，涉及到这些技术的主要内容和最新研究进展，涵盖了生物工程上游及中下游技术体系，关联了基础实验的理论和技术，综合性强.项目注重培养学生的注意力、思考力和想象力，促使学生积极思考、观察和研究，训练学生动手操作能力，在实践中树立创新意识，培养学生的独立解决问题能力和互助协作的团队意识，培养基本的科研素养.

表1 生物工程综合实验技术模块PBL实验教学项目设置

3.2 教学应用阶段

根据创意预设阶段对生物类专业PBL实验教学模式的路径设计和目标规划，在明确而规定的真实项目情境下，实验教师和实验教学其他人员相互协作，完成学生团队组建、项目实施等的全程技术指导，注重发挥学生团队成员间的协作性，以形成性和参与性评价、个别指导与项目管理的有机融合来对项目实施过程进行监管，构建教学应用的范例.该阶段可以分为3 个环节.

（1）项目选定

在项目选定环节，实验教师等指导学生根据兴趣爱好自主形成团队，通过合作意识的表达、期望的澄清、信任的建立等建立稳固的团队关系和角色分工，明确与实验教师和实验教学其他相关人员的合作关系和合作形式.学生团队根据团队成员意愿和团队组成状况，从创意预设的主题中选择实验项目.项目选定阶段教师引导学生团队成员确定和协商学生想要专注于哪些能力，允许团队评估项目所需的能力集，根据项目所传达的学习目标，促进学生获得可持续发展能力，使学生能够在真实的实验教学环境中得到成功.围绕“团队是如何组成的？团队建设是如何组织的？”“项目团队成员是否同样同意项目和研究目标的相关性？”等问题进行分析.

案例实施中，教师利用多媒体教学讲述“生物工程综合实验技术模块PBL 实验教学项目”的相关背景知识和技术发展，介绍实验项目的目标要求、基本环节和注意事项；分析相关科技文献的检索、分析和利用；实验室安全规范和防护措施；仪器设备的规范操作培训等.如对“酶的分离、纯化及酶动力学分析”项目，须引导学生明确常用于生物大分子分离、纯化、鉴定的提取、盐析、沉淀、透析、含量测定、活力测定等基本技术方法的实验原理与应用，要求学生紧扣酶学知识，理解酶促反应进程曲线的制作、米氏常数的测定、pH 及酸碱稳定性对酶活性影响等研究的一般技术路线等.

通过教师对项目的引导性介绍，学生根据特长、兴趣等自由选择、确定拟开展的实验项目，每3-4人组成一个实验项目小组，遴选组长，确定成员工作分配，为项目的方案拟定和实施开展做好准备.

（2）方案拟定

在该环节，通过实验教师的技术辅下，学生工作团队根据实验室相关条件，按照已经确定的项目目标，结合团队成员已经具有的知识储备，将项目作为一个可持续性问题做进一步的可行性分析，依据情境前瞻性地进行计划和统筹，并探讨结果预期.为了实现这些目标，需要结合不同的方法，并且需要分配所有研究模块及其综合的充足时间，要避免丰富的分析和糟糕的干预设计之间的不平衡.此外，确定每个研究模块的参与环境，充分反映项目相关人员的专业知识和兴趣特长.围绕“哪些研究方法被选择和组合？”“是否采用或开发了面向项目的方法框架？是否有足够的时间分配给每个模块？”“参与式环境是否反映项目目标以及参与者的专业知识和兴趣？”等开展分析和评估.

以“酶的分离、纯化及酶动力学分析”项目为例，在教师指导下，学生以团队为单位，利用数据库等网络资源广泛开展文献检索，进行文献分析，积累实验素材，以获取的信息来制订、优化实验方案，更新、修订实验设计，明确酶分离、纯化过程的一般流程和关键步骤，确定酶分离纯化效果计算和鉴定的一般方法，制订作图研究酶的米氏常数等动力学研究的一般思路等.

（3）实验实施

在实验教师的引导、监督和管理下，学生项目团队成员互相协作、自主探究，在实验室这一真实的环境情境下，完成实验预先制订的实验实施方案，分析、整理实验结果，提交实验报告或实验论文等阶段性成果.PBL实验教学模式允许和鼓励学生不断地回顾和修改学习目标、洞察力和预定假设，以及在与团队成员、实验教师和实验教学其他相关人员的互动中提供和接收反馈.这一阶段中包含对实施过程的检查与评估，包括对原有计划的修正与改进.对于学生来说，这个阶段为他们的专业发展提供充足的机会，并获得可持续性能力.在实验实施的不同阶段，每个团队成员对自己和每个团队成员的贡献进行明确的自我评估和组内互评.理想情况下，学生参与者的知识、态度或可持续行为都会发生变化.围绕“实验如何进行？是否根据拟定的方法框架进行的？”“解决方案选项是基于模块化结果开发的吗？最终的研究结果是什么？”“是否进行了过程评估？学生是否反思他们的实验操作以及实验结果？”“如何确保获得可持续性能力？学生是否为发展可持续能力提供了充分的支持？”等开展探讨.

以“酶的分离、纯化及酶动力学分析”项目为例，拟定实验方案后，在教师的个性指导下，在组长的协调带领下，进行自主地实验操作，并根据实验进程，优化、调整、补充实验方案，特别是根据“酶的蛋白质本质”，在分离纯化中酶易失活的特点，不断完善保证酶的活性正常保持的技术方法，通过调控物理、化学、生物等外界因素，形成高纯化倍数、高回收率的分离、纯化技术路线.

3.3 应用评价阶段

PBL 实验教学模式的突出特征在于应用的评价.应用评价要求实验教师、实验教学其他人员、学生团队成员、学生本人等共同完成，不仅仅局限于实验结果的评价，强调对实验过程的评价.评价内容涵盖项目选择、团队组建、方案设计、数据处理、结果上报等各环节，评价形式坚持定量与定性相结合、形成性与终结性评价相统筹、自评与他评相统一、个人与小组评价相协同，对学生知识和技能掌握程度、自主性学习能力、团队协作互助意识等综合、全面评估.项目评价还有一个教学反思的作用.在项目评价阶段，实验教师在PBL实验教学主题的厘定、教学情境的规范、教学过程的引导、学生主体作用的发挥等进行反思，为下一轮实验教学提供新的视角和经验.围绕“谁参与项目评价？”“学生对项目评价的参与度如何？”“项目评价的量规和评价指标如何制定？”“PBL 实验教学模式的教学效果与后续改进的可行性？”等探索.

从教师、学生和管理者三方对实验教学项目开展评估，从实验项目的构建、实施、管理、设计水平、经费保证等方面对实验项目开展绩效化管理和评价.通过实验项目各知识点的关联性及其与实验技术的融合、实验项目可能出现的问题和情况处理预案、实验项目的整体性和系统性、实验项目对所需药剂器材的消耗评价等的评价实现实验项目的动态调整、有效更新、淘汰退出［10］.如最初实验项目设置中的“植物多酚氧化酶分离检测”“不同生境下植物种类及其叶片形态差异分析”等即通过绩效评价与其他实验项目进行了内容的重新整合优化.

生物类专业PBL实验教学模式的构建与应用重点在于提升学生以创新精神和实践能力为核心的综合素质，因此，应用评价时突出形成性、参与性评价，注重对学生实验过程的评价，标准设定时侧重于对学生综合实验操作能力和创新素养的评价，评价内容上关注于学生实验实施的参与过程、学生实验操作技能、实验设计能力与协作研究能力、实验结果的分析综合处理能力等.

应用评价还应特别关注对学生可持续发展能力的评价，对学生的学术发展能力的评价，提升学生的知识学得、技能习得与创新运用能力.2014级生物技术专业共62 名同学，经过PBL 实验教学模式的训练，创新意识、创新实践能力和创业素养获得了显著提升.

（1）提高了学生科研实验的积极性和参与度

大学生创新创业训练计划参与度是大学生科研创新意识的表现方式.PBL 实验教学模式对学生学习动机有积极影响，能够提高学生投身科研实验的积极性和参与度.对学生主持或参加大学生创新创业训练计划情况统计发现（图2），在第一课堂之外，2014级生物技术专业共有25人次主持或参加省级、校级大学生创新创业训练计划.

图2 学生主持或参加大学生创新创业训练计划情况

（2）提高了学生的实践创新意识和综合创新素养

PBL实验教学模式对学生内容知识和实验技能的发展有积极的影响，可以有效提高学生协作能力、批判性思维和解决问题的能力，对学生综合实践创新意识、创新素养的培养和提升有着极大地促进作用.

学术科技竞赛是体现大学生的实践能力、创新创业能力的重要形式.学生学术科技竞赛获奖情况统计发现（图3），2014 级生物技术专业62 名同学累计获得国家级、省级、校级各类学术科技竞赛奖励33人次，占学生数的一半以上，其中，7人次获得国家级学术科技竞赛奖励.另有2名学生参与自主创办注册公司.

图3 学生学术科技竞赛获奖情况

硕士研究生录取情况是学生知识储备、实验技能、心理素养等综合素质的展示.学生硕士研究生录取情况统计分析发现（图4），2014 级生物技术专业共有24人考取硕士研究生，占专业学生总数的38.7%，远高于学校的平均考研率.进一步分析发现，有9人被录取到中国科学技术大学、东南大学、江南大学等重点高校，占考取硕士研究生总数的37.5%.

图4 学生硕士研究生录取情况

4 总结与讨论

实验教学改革是高校全面提升大学生科学素养的必由之路.通过研究与案例实践发现，以项目为核心的PBL 实验教学模式作为新的契机，激发了学生对实验教学的兴趣、增强了学生的学术探索能力、提高了学生科研实验的积极性和参与度、培养了学生的实践创新意识和综合创新素养.

与传统实验教学模式相比，PBL 实验教学模式是创建独立思考者、自主学习者、主动实践者的关键策略，满足了学生自主实验、协作实验的需要，适用于各种实践性和操作性较强的知识和技能的教与学，但也对传统的固有实验教学带来了新的冲击［11-12］.

实践中发现，PBL 实验教学模式对实验教师素质提出了的新要求.PBL实验教学模式下，学生对实验过程的自我控制和自我组织是教学运行的内在要素［13］.理想状态下，项目的完整实施都应该由学生自己进行，以开发学生的独立思考、独立工作能力.在教与学的师生双向互动中，教师角色由传统的知识传授者转变为教学活动的组织者、引导者、咨询者、评价者，教师应对新的教学模式的能力和素质将直接关系着教学的成败.面对实验内容、实验方式全开放的教学组织形式，教师对教学的驾驭能力和宏观掌控能力面临着新的挑战.

案例实施表明，PBL 实验教学模式对实验室运行管理也提出了新的要求.PBL 实验教学模式突出学生在实验教学中的主体地位和主导作用，充分促进学生独立实验、自由实验，使学生在反复的实验训练中得到能力的锻炼和提升.实验室的时间、空间、设备全方位开放成为PBL实验教学的基本要求.唯有如此，学生才可以根据实验方案在有效的时间内、在独立活动的空间内，使用共享的仪器设备来完成实验内容，实现学生的个性化发展.面对时间、空间、设备的开放格局，实验室的安全、人本、共享管理面临着新的难题，有待跟进研究.