《分子生物学》实验教学设计研究

孙 超，白江平，毕真真，石 菁

(甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州 730070)

《分子生物学》在生命科学中居于核心地位，其基本理论和研究方法已经渗透到遗传学、生理学、微生物学等各个学科之中，因此高等院校中凡专业培养目标中包含掌握现代生物技术，《分子生物学》都是其必备基础课之一。实验课教学是《分子生物学》课程教学中的重要组成部分，是基础理论转化为实践力量的主渠道。高效的《分子生物学》实验课教学，不仅能让学生对课程的应用和意义有具体而全面的理解，还能提高学生的实践操作技能，提出问题、分析问题、解决问题的能力以及创新性思维。“翻转课堂”尊重学生的主体性地位，其核心是先学后教和以教促学[1]。2018年9月，教育部印发《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，提出“要以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，积极推广小班化教学、混合式教学、翻转课堂”[2]。因此，结合自身教学改革实际情况，逐步探索出一套基于“翻转课堂”的《分子生物学》实验课混合式教学模式，对于提升课程教学效果，对于学生综合实验能力的培养和理论知识的内化至关重要。

1 《分子生物学》实验课教学现状

在《分子生物学》教学中，实验课教学是培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力的重要环节。通过实验，除了验证和巩固分子生物学基础知识、培养实践操作能力外，更重要的是培养学生分析实验现象、归纳综合以及设计创新实验的能力。然而，当前《分子生物学》实验课教学存在教学方法僵化单一、教学内容陈旧零散、教学评价结果至上等问题，不能更好地满足培养学生的动手操作和实验创新能力的需要。

1.1 教学模式僵化单一，学生学习消极被动

教学方法是教师在组织和引导学生进行学习活动的过程中，为达到教学目标而采取的策略方法等。在教学方法上，教师要激励学生自主、合作、探究，要引导学生积极发现问题、善于思考分析、敢于发表自己观点。注入式、教师专制的“一言堂”式教学方法无形地剥夺了学生学习的积极性和主动性，抑制了学生本应该活跃的创新思维，使学生失去了学习的主动性，惰于深入思考和探究。没有一种教学模式能适应所有的学生，为此，教学模式不能固定不变，教学方法也不能抱残守缺，否则，难以取得很好的教学效果。长期以来，教师在《分子生物学》实验课按照传统的实验目的、原理、实验操作等程序进行讲授教学，这种教学模式在给学生传授学科知识方面有其积极的一面，但是在实际教学中也发现学生的积极主动性不高，参与度不够等问题。学生只是被动地认为“实验课的主要目标是对理论课知识点的验证”，往往教师讲授完毕，学生就开始按部就班的操作，缺乏对于实验内容、实验设计方面的独立思考，难以培养出学生对于科学研究的兴趣。

1.2 课程内容组织零散，学生体验枯燥乏味

课程内容要考虑到各种课程要素，使之组织成课程结构，并使这些要素在动态运行中产生合力，以有效地实现课程目标。为此泰勒提出三条基本原则：连续性、顺序性和整合性[3]。课程组织过程中，首先要关注课程内容本身的逻辑顺序，即教学内容是否符合学科体系；同时也要关注学生学习课程内容时的心理过程(心理顺序)，即教学内容需为学生而设计，应符合学生的心理认知习惯，如若不然，学生理解有困难就容易产生厌学情绪，教师就会事倍功半。当前，《分子生物学》实验课大多都是教师仅凭教材去教学，而教材的内容大多陈旧过时，没有跟随时代的变化而变化，实验项目与实验项目之间孤立且没有关联，难以形成统一的教学体系。

1.3 评价结果至上，学生发展片面畸形

一般而言，教学评价的范围是较为宽泛的，它常常设计到对教学内容、教学方法、教学环境、教学管理、教师、学生等因素的全面的评价，其中最主要是对教师的教和学生的学做出评价。其评价结果意在为总结教学经验、改进教学提供反馈信息。对着课程标准，我们就会检查出差距。在实际教学中，《分子生物学》实验课教学对于学生的考核很少包括实验准备、实验设计等方面，多以实验报告为主，学生对实验设计整体把握的努力没有考核指标的衡量。这种缺乏过程性的考核评价体系使得学生机械式地按照实验操作流程去完成实验，无法客观反映学生对于理论知识的理解和实验技能的掌握程度，更容易滋生应付实验、修正结果、抄袭报告等现象。

2 分子生物学实验课的翻转课堂设计

翻转课堂与传统的讲授法不同，旨在借助现在普及的信息技术，让学生在课前完成基础知识的精学，课堂上通过师生合作进行知识应用与问题解决，是一种教学流程的“翻转”。同时，这种翻转也会带来师生角色、教育理念、课程内容、授课方式与教学评价等产生变革，进而带动学生的学习兴趣更强，学习参与感和主动性增加以及知识的应用效果提升[1]。它以建构主义理论、掌握学习理论为理论支撑，以问题为导向，利用信息技术帮助学生消化课前材料和进行线上讨论，满足不同学生的学习需求，能有效地摆脱传统的“课上传授知识+课下内化知识”的教学模式的束缚，是一种全新的、深层次的混合学习模式[4]。结合翻转课堂的教学优势，对《分子生物学》实验课的教学设计进行探索，主要步骤包括以下几个方面：

2.1 整合课程内容，搭建双线平台

《分子生物学》实验课教学是《分子生物学》课程教学中的重要内容，主要包括：实验一、植物DNA的提取和质量检测；实验二、目的基因的PCR扩增及产物纯化；实验三、质粒DNA的提取和琼脂糖凝胶电泳检测；实验四、重组质粒的构建和大肠杆菌感受态的转化；实验五、阳性重组子的筛选和鉴定；实验六、PCR产物测序结果的生信分析；实验七、植物总蛋白提取；实验八、Western blot检测蛋白表达量。结合实验课教学内容，首先充分挖掘和整合了线上与线下的实验课素材，搭建双线教学平台。对分子生物学实验教学中涉及的诸多知识点和操作要点视频进行了收集和整理，来源包括中国MOOC(慕课)平台中北京师范大学《分子生物学实验》、中山大学《生物化学与基础分子生物学实验》、厦门大学《遗传与分子生物学实验》等。还有国外优秀生物实验操作视频栏目如Biology with Animations、MrSimpleScience、Shomu's Biology等。其次，合并和删减重复内容，对网络资源如琼脂糖凝胶制备、SDS-PAGE凝胶制备、PCR扩增仪程序设计输入指南等进行记录、比较、合并、删减和整合。再次，对学生需要但网络资源中没有的，我们就利用实验室自有设备对未覆盖的重难点进行讲解并录制短视频微课予以补充。最后，将其中与实验课程内容紧密相关的部分剪辑整理成一套完整视频，视频中加入中英文双语字幕方便学生观看学习。

2.2 改变传统模式，活用翻转策略

讲授式的教学模式利于传授系统化的知识，但其僵化死板的课堂教学形式，不利于激发学生学习的积极主动性，学生处于被动接受状态，久而久之形成了填鸭式的教学。为了克服这一劣势，首先将原有的大量需要在课堂上讲授的板书或PPT内容替换为制作后的慕课和微课视频，并在课前发布到网络教学平台、QQ群或微信群等公共网络平台，同时在作业区或发帖讨论区布置观看慕课视频后需要解答或讨论的问题。其次，结合学生对观看视频的接受程度，形成常见问题回答表(frequently asked questions)并利用课程平台监测学生学习行为并计入过程性评价。最后，着重解答预习报告中的开放性问题和学生观看视频后自主提出的问题，并引导学生进行讨论。一些常见和学生可以自学理解的问题，自学即可。这些问题内容涵盖实验核心理论知识、实验操作需注意的细节、实验设计可改进部分。

2.3 采用多元评价，兼顾过程结果

实验教学深层目标是让学生能够掌握本学科核心实验技术、技能，学会将理论知识应用到科研活动中，培养学生科学思维和创新能力，并且通过严格的实验操作训练帮助学生形成良好的实验习惯[5]。改进后的《分子生物学》实验考核增加对学生是否掌握本学科实验技能、独立思考解决科学问题能力和总结分析科研实验能力等部分的考核比重。具体分为三部分：过程性考核成绩(50%)主要包含线上学习行为成绩(10%)、慕课自学成绩(10%)、课堂讨论成绩(10%)、实验操作成绩(20%)。其中，线上学习行为成绩主要考察后台统计的视频观看完整度、在线时长等指标；慕课自学成绩主要指学生线上报告。实验报告成绩(30%)主要包含实验原理理解(10%)、实验结果真实性(10%)、实验数据处理、分析和讨论(10%)。自主实验设计成绩(20%)主要指学生基于已掌握的理论知识和实验技能撰写综合性实验设计的成绩。实验设计内容包括实验目标、实验原理、实验方法、实验操作流程、预期结果等内容。教师在根据实验设计的可行性、完整性、科学性进行批改并及时将问题反馈学生，激发学生的学习兴趣，促使学生积极思考，增强学生对科学发现的敏锐性，培养学生的创新思维。

3 翻转课堂下的《分子生物学》实验课教学设计的成效

为了验证教学设计的成效，选取了对照组和实验组各30人(性别和年龄无统计学差异，P>0.05)对《分子生物学》实验课同一教学内容进行对比，翻转课堂改变了常规的以“教师为中心”的传统教学模式，激发了学生的主观能动性，利于学生自主探究和创新(表1和表2)。

表1 两组学生一般情况比较

表2 两组学生的教学评价比较

3.1 学生学习方式更加多元，学习主动性增强

翻转课堂对传统教学观念进行了颠覆，使课堂成为师生答疑解惑、讨论交流的场域，课外变成了学生自主学习的主阵地[6]。传统的教学模式中，教师在课堂上无法实施针对不同学生的个性化教学，没有时间组织学生讨论，不能为学生解惑答疑。而翻转课堂则能更大程度上实现了学生自主学习[7]。学生可以选择自己喜欢的方式去观看教学视频，他们可以对视频进行暂停、慢放和重播等操作。学生还可以独立地，随时、随地、随意地，一遍又一遍地访问课程内容，根据自身情况调整学习进度、学习计划、学习环境等，真正实现了“按自己的步骤学习”。调研结果显示，对照组和实验组在“课程兴趣”上有显著性差异，实验组学习兴趣更浓(P<0.05，表2)。在“翻转课堂”里，实验知识的初步讲授过程在课下完成。学生通过学习视频资料、在线课程等途径实现对实验知识的初步接受与建构过程，学生的学习兴趣更为浓厚。而在传统课堂上，学生在老师的指导下通过生生互助来达到对知识深层次的理解和能力的提升，学生缺乏学习积极性。

3.2 学生合作能力增强，课堂专注度提高

与传统课堂教学模式相比，翻转课堂提升了学习者之间的交流和沟通能力以及协作能力。调研结果显示，实验组学生的小组协作效果显著优于对照组；从学生的课堂测试成绩可以看出，实验组与对照组存在显著性差异(p<0.05，表2)。翻转课堂式的合作学习焕发了课堂的生机和活力，促进了师生、生生互动，能更好地调动学生学习的主动性和积极性。在翻转课堂教学中，鼓励学生发表自己的见解，学生之间、师生之间开展多维立体的对话、讨论抑或辩论。在“知识内在化”阶段，生生、师生合作，共同解决“知识接收”阶段遇到的困难，有效地实现了互动，培养了学生的团队合作精神。此外，还发现翻转课堂中学生的学习专注能力得到了提高，他们能积极关注其他的学生对自己或者自己小组的综合评价，也会积极去发现并提出别的小组在学习过程中存在的疑惑。

3.3 学生独立性提升，师生互动性增强

传统课堂教师重讲授，轻讨论；翻转课堂教师轻讲授，重讨论，给学生时间让他们在交流中学、在做中学[8]。教师作为学生的指导者、帮助者、促进者，重在观察、引导和帮助学生，和学生进行有意义的交流并参与其中。调研结果显示，实验组学生比对照组学生的学习热情更高，更愿意主动向教师请教和讨论(p<0.05，表2)。“翻转课堂式教学模式”中，每个学生在课外根据自己的实际情况，抉择适合自己的自习方式，充分尊重了学生主体性，并让学生在自主独立学习的过程中建构起属于自己的知识体系。在课堂教学中，教师不再搞“填鸭式”的满堂灌，无需长篇大论讲解知识，而是作为听众、观众和指导者的身份参与到学生的活动中，解决学生提出的问题。当老师的角色发生了转变，课堂转而成为学生的舞台，教学就能极大地激发学生的主观能动性，让他们彰显自我独特的风采。