指导探究式实验生物化学教学体系的构建与实践

董 文，毛玉峰，于乐军

（中国海洋大学海洋生命学院国家海洋生命科学实验教学示范中心，山东青岛 266003）

0 引言

生物化学是研究生命现象化学本质的科学，研究生物体的化学组成、分子结构与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用，是生命科学的共同语言。现代的生物化学理论和技术也有着广泛的实用价值，是生命科学领域的前沿学科，对生物相关专业学生的知识体系及其职业发展具有举足轻重的作用［1］。但目前的教学体系尤其是实践教学中存在一些普遍性的问题亟须解决，这些问题与培养综合创新性人才的目标不符，难以适应学生的职业发展和满足社会对优秀创新人才的要求。

1 生物化学教学现状

1.1 理论教学未能切实支撑科研实践

生物化学教学目前普遍存在注重理论而轻视实践的现象。在理论教学过程中，学生学习生物化学核心的理论知识并了解到前沿动态，建构了基本的生物化学理论知识体系，但是生物化学作为实验性学科，学习理论知识的目标是指导并应用于科研实践，尤其对于综合性重点大学的学生更是如此。虽然在理论教学中强调创新精神和批判思维，同时也能学习到一些实验技术原理，但具体实践及问题的解决则是另一回事。例如，聚合酶链式反应技术（Polymerase Chain

Reaction，PCR）是当前生物学基本的实验技术，虽然学生抱怨至少6 门专业课中学习过PCR相关内容，但实际上除了原理外，学生几乎一无所知，在从业之初，依然需要从引物设计到PCR 体系选择等各个方面重新手把手去教。在目前的教学体系中，理论教学的教学内容、教学模式以及教学时数不足等决定了它没有也难以切实支撑实践教学；教师的学术积累和优秀科研成果没能积极转化为教学资源，通过反复实践和长期积累的科研经验在学生培养过程中没有发挥应有的作用。

1.2 实践教学缺乏真实的问题情境

实践教学是巩固理论知识和加深对理论知识理解的有效途径和重要手段。学生在生物学科相关科目学习中的普遍感受是学习内容枯燥，学习的主要方法就是背诵相关知识点，这就导致学生学习兴趣不高。出现这种现象的根本原因在于实践教学缺乏真实的问题情境，学生不能深入理解这些知识在自己的职业生涯中可以用来解决什么样的实际问题，不能准确把握相关理论知识的内涵，未能有效支撑理论教学而实现有意义的深度学习［2］。“纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行”，生物化学是在“摸不着看不到”的分子水平探讨生命现象本质的学科，实验对理论教学的支持作用显得尤为重要。受到教学方式、教学时间等限制，致使实践教学不能创建真实的问题情境，只能以相应基本实验操作与技能培训作为基本目标设置实验教学内容，这些程式化、碎片化的教学内容难以实现对核心生物化学知识体系进行系统的实践，没有起到对理论教学该有的支持作用。

1.3 与现代科研体系脱节

实践教学是培养具有创新意识高素质科研人才的重要手段，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高科研能力的重要平台［3］。但是目前生物化学教学尤其是实验教学与现代科研体系脱节，未能有效支撑学生的科研职业发展需要［4］。首先，实验教学内容老旧，仍以验证性实验为主，严重滞后于现代科研体系。比如对核酸的研究仅停留在简单化学提取和定性反应上，提取的核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）没有进行生物活性研究的价值；定糖法及定磷法对核酸定量很少会被应用于科研实践；又如血糖测定（Folin-Wu法）已经无临床及实践价值。其次，教学方式单一，没有探索性和挑战性，学生兴趣不高，没有从教学中获得从事科学研究应具有的科研思维和科学素养［5］。教学过程“批量化，流水线”，目前主流的生物化学实验课程一般是学生在特定的时间、特定地点，以教师设定好的实验程序，利用教师配制好的实验试剂、准备好的实验仪器，遵循教师提供的操作规程，按部就班完成规定的实验过程。在这些实验中，学生虽然可以学习基本的实验操作技能和规程，但是很显然，这样的生物化学实验教学体系无法为学生提供足够的机会来提高实验设计能力和批判性思维，学生没有接受到系统的、个性化的科研思维训练，也没有学习到从事科学研究应有的基本实践技能，与科研工作体系脱节。近年来很多高校已经注意到并开始着手解决相关问题，例如开展了综合创新实验，但是仍没有摆脱传统生物化学实验的教学模式，受到组织形式、场地、经费、师资人手、学生的知识储备、教学时间制约、管理松散粗犷等限制，实际上很难达到预期效果而徒有虚名。

生物化学实验教学中存在的问题，与培养高素质的创新人才培养目标以及社会需求不符［6］，难以支撑学生的职业发展需要［4］，迫切需要改变现行生物化学实验教学的教学内容与教学模式，探索新的更贴近现代生命科学研究需求的生物化学实验教学体系，实现理论教学、实验教学与科研实践深度融合。

2 基于在线项目的指导探究式实验生物化学教学体系架构

2.1 基本策略

甄选涵盖生物化学核心知识的综合性研究项目，通过解决特定科学问题来创建真实问题情境，借力网络教学平台和移动信息技术，在教师的指导下，采取团队协作的探究模式，学生通过自我学习和自我实践，促进深度学习和有意义学习，系统深入掌握生物化学知识和现代生化与分子生物学核心实验技能，提高综合科学素养。

2.2 面向真实问题情境的研究项目

项目甄选的基本原则是项目的内容涵盖生物化学核心知识，项目的实施过程接近学生将来要从事的生物化学与分子生物学相关的科学研究工作。项目选择强调挑战性，充分激发学生的探索欲望。但也要尊重认知规律，重视生物化学理论教学的内容体系和学生已有经验，不好高骛远。如果难度过大，超出学生已有知识体系的支撑，学生将无所适从，无从下手［7］。充分考虑到学生的能力，兴趣，知识背景等各种差异对探究活动的影响，将项目设定为3 个层次，满足不同探究群体：①指定项目：选择目标蛋白质，譬如科研、医药或企业中广泛应用的淀粉酶、脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）限制性内切酶、DNA 聚合酶以及胰蛋白酶等酶类，或者干扰素、甜蛋白、胰岛素等具有开发价值的活性蛋白质，在生物信息学分析的基础上，通过基因克隆、载体设计与构建、受体细胞转化、发酵与蛋白质诱导表达、细胞破碎、蛋白质分离纯化、蛋白质表征等环节，最终完成蛋白质的生物活性分析；②限定题目：以具有重要理论或者应用价值的蛋白质为目标，研究程序原则上应包括基因克隆与载体构建、蛋白质分离纯化与定量定性分析、蛋白质表征、蛋白质表达与功能分析、蛋白质活性以及生物信息学分析等基本环节；③自主选题：鼓励自主选择创新突出、目标明确、难度适中、条件成熟的课题，鼓励与本科生创新创业训练计划（SRDP）、国际遗传工程机器大赛（iGEM）研究项目以及科研课题结合，尤其支持学生将符合主题的本科导师或其他教师科研课题的部分作为探究项目。

2.3 以学生为中心的自主合作探究

在教师的引导下，学生通过自主合作探究方式完成研究项目，实现线上自主学习和线下自我实践的完美结合。通过教学实践，建立了以学生为中心的自主合作探究教学规范，充分发挥学生在学习过程中的主体地位，调动学生的学习主动性，利用项目构建的真实情境，让学生通过探究过程来生成科学知识和技能，实现深度学习和有意义学习，深入掌握生物化学和分子生物学知识，有效实现科学素养提升［8-9］。学生首先通过研读和与教师交流等过程，充分理解教学规范和要求；3～6 人自由组合组建学习小组；根据兴趣，选取指定题目、限定题目或自主选题确立探究项目；充分利用实验指导以及教学平台教学资源，在教师的指导下，互相协作，广泛查阅文献资料、分析讨论，选题并提交初步的立项书，阐明立项依据及意义、项目实施需要的基本实验条件等；主讲教师及助教审核立项书；立项书审核通过后，划分实验模块，确定具体实验方法和步骤，推进过程中随时与任课教师沟通交流，以模块化的方式提交详细的研究方案报告；优秀项目通过SRDP、iGEM以及开放实验的方式予以线下自主实践，以不同实验模块为单位提交研究进展报告；通过教师对学生各个环节进行评价、组内同学互评以及自我评价等方式，对学生探究活动予以适时反馈。

2.4 网络与移动通信提供技术支持

网络与移动通信技术发展及其与教育的深度融合，对教育模式的创新带来革命性影响。便捷的网络与移动通信技术为探究学习的有效开展提供了强大的技术和环境条件［10］。交互性、数字化、网络化的探究学习环境，突破了传统课堂中探究活动开展的时间和空间的限制，提供丰富的认知工具，使课堂环境下难以实施的探究活动得以实施，为探究情境的创设、资源的存储与获取、数据处理和加工、交流分享以及评价和反馈等探究学习的各个环节实现全过程的支持。

依托我校引进的Blakboard 网络教学软件开发了开放式探究学习平台。教师在平台上发布课程要求及规范，上传模块化的实验程序指导、每一模块典型原始例证文献以及检索方法指导等教学资源，作为开放平台，学生随时可以查阅和学习，指导学生探究过程；搭建课程论坛、Wiki（多人协作写作系统）等交流板块，方便师生交流互动。例如在项目的立项及线上和线下实践过程中，遇到的任何问题都可以在课程论坛专题区发帖提问，教师和学生可以即时回帖讨论，也可以通过相应板块分享进展、心得等。又如，立项书、模块化的研究方案等草案在Wiki发布，组内每个成员都可以修改完善，同时方便指导教师者直接修改或给出修改建议；充分利用网络平台及移动客户端提供的技术支撑，不但非常方便地实现了实验指导和拓展资料获取、师生交流互动、资源共享，也通过创建相应模块，方便地实现了立项报告、研究方案与研究进展报告等线上提交、评价与反思等功能。由于网络平台为探究学习的各个环节实现全过程的支持，使学生和学习结果之间有了更直接的联系，为探究活动的评价与反思提供了强大的“硬件平台”［11］。

2.5 注重教师的指导作用

探究活动强调学生的自主性，但这种自主性与注重教师的启发和指导是不矛盾的，适时的指导恰恰是学生良好自主性的基础。学生从传统学习习惯的被动接受转变到自主探究的过程中，同时又受到知识水平的限制，项目立项与实施过程非常需要教师适时地提供必要的支持、评价和反馈。首先，教师利用自己的科研经验并参考其他来源资料，整理编写模块化的主流生物化学与分子生物学实验技术指导，提供关键研究技术实验程序及注意事项，搜集典型的实验研究文献例证，提供文献的查找方法指引，将教师的科研经验和学术积累积极转化为教学资源，为探究项目立项与实施过程提供技术支持；其次，通过网络课程论坛，Wiki以及移动通信软件等对学生项目立项与实施过程中遇到的问题进行即时交流指导。研究方案采取模块化的方式，不但便于线下实践，也使教师能够及时发现不同环节或模块的问题并适时反馈。

在基于项目的探究学习过程中，教师的角色定位需要适时转变，充分发挥高校教师在科研思维和科研实战经验上的优势与价值，在学生良好的自主性为前提下，由知识的传授者转变为教学过程的组织者、监控者、鼓励者、启发者和引导者。这实际上对教师就有了更高的要求［12］，对学生相关项目要能够有足够深入的了解和把握，充分认识学习情境，尤其对于自主选题的项目，如果是教师自己科研中涉及不够深入的领域，就要求教师及时查阅相关资料，保证对学生的有效指导，做到游刃有余的引导学生在相应情境中开展探究学习活动。

采用项目式探究教学，需要教师随时跟进学生的探究过程，极大地增加了教师的工作量。为了解决这个问题，将研究生教学实践培养环节和本教学体系结合，设置研究生助教岗位，可以起到很好的补充作用。

2.6 采用多元化评价体系

包括生物化学在内的生物学科相关科目，传统教学的目标通常是理解与掌握科学知识，评价的主要内容大多是回忆陈述性与程序性知识，一般采用形成性或终结性评价方法，往往是“一考定终身”，不能适当地评价高级思维技能与发现问题以及解决问题的能力，很显然这些方法难以对基于项目的探究学习进行准确有效的评价。采用探究学习的方式，往往花费更多的时间，通常情况下学习目标也与传统的考试目标不一致，从而影响学生在这些对考生非常重要的考试中的表现［10，13］，不改变评价方法，不能最大限度实现其反馈效果，难以调动学生的学习积极性，出现应付差事的现象。这就要求探究学习的评价方式和标准做出适时调整，不但重视探究结果，更应该重视学生的探究能力、知识建构、科学态度等探究过程表现，兼顾学科内容目标和探究素养目标［10］。在基于项目的探究性实验生物化学教学评价中坚持评价主体和评价方式的多元化，持续对整个探究学习过程跟踪、评价和实时反馈。采取课程讨论、报告、现场汇报等多种形式，对整个学习过程开展嵌入式评价，教师通过课程论坛、Wiki、开题与立项报告、模块化的实验研究方案、实验数据记录报告、实验论文的评阅等形式对学习的各个环节给予实时评价反馈，同时学生通过自评和互评等方式对探究学习开展情况进行自我评价和自主性反思。所有环节成绩都以一定加权比例计入课程成绩，充分发挥成绩的“指挥棒”作用，最大程度提高基于项目的探究学习效果。

3 教学效果

3.1 充分激发了学生的学习积极性

在传统的生物化学教学过程中，学生面对以文字符号等表征的去情境化知识，诸如抽象的理论、概念、摸不着看不到的物质名称等，不能深入理解这些知识在自己的职业生涯中可以用来解决什么实际问题，不能准确把握相关科学知识的内涵，学生忙于被动机械背诵相关知识点，应付各种考试，枯燥乏味，难以引发学生强烈的探索和求知欲望，逐渐对这些科目失去兴趣，给学生进行深度学习带来了障碍。因此，缺乏真实的问题情境是学生对包括生物化学在内的生物学相关科目兴趣索然的根本症结所在。在这些项目的立项与实施过程中，学生以科学家的视角和思维方式，解决将来的职业中将要遇到的具有理论或者应用价值的实际问题，能直观有效地阐明科学知识在实际科学研究与职业生涯中的意义与价值，能够充分调动学生的好奇心、兴趣和创造力，引发学生的探究热情，积极主动地全身心投入探究学习活动中［14］。

3.2 促进教师的科研经验和科研积累转化为教学资源

高等学校的根本任务是培养人才［15］，如何将科研成果转化为教学资源是教学改革所面临的现实而重要的课题［16］。传统教学过程中任课教师需要应对课纲、课本，课堂和课时限制了教师的科研资源有效转化为教学资源。基于项目的探究式实验生物化学教学体系的建立和实施有效地促进了教师的科研经验和科研成果转化为教学资源。

在教学体系建设过程中，教师根据自己的科研经验并整合各种资源，整理编写模块化的核心生物化学与分子生物学实验技术指导，强调关键环节、注意事项等，上传到教学平台，随时供学生查阅学习，指导学生探究过程。例如在载体选择与引物设计模块，上传载体及其用途、载体的基本结构原件、载体的类型、常见载体的物理图谱分析、载体的选择依据、引物设计的基本原则和注意事项、碱基保护、常见引物设计软件及其使用方法简介等文件，供学生在载体选择和引物设计时参考，这是受教学时间等限制的传统生物化学理论及实验教学难以提供给学生的。本平台甚至成了学生宝贵的开放资源库，在其他培养环节和课程中会作为资源回头访问。学生在项目的立项与实施过程中遇到问题，除了可以通过互联网等方式寻求解决外，也可以通过课程论坛，Wiki以及移动通信软件等与教师进行讨论，获取老师即时的技术等方面支持，教师也可以从专业的角度发现学生探究过程中的问题并及时予以指导反馈。

在项目选择上鼓励将本科导师或其他教师符合主题要求的科研课题的部分作为探究项目，间接将其他老师的科研资源转化为生物化学教学资源。这类项目本身就是教师科研课题的一部分，创新性突出，同时为线下实践提供便利条件。通过探究学习过程，学生对项目也有更深入的理解，深化研究方案，有效实现了科研资源与教学过程的相互促进，达到了相得益彰的效果。

3.3 实现了深度学习和有意义学习

整个教学过程是以学生为中心的，利用情境、协作、对话等学习环境要素，充分发挥学生的积极性和主动性，最终完成对知识的意义建构，通过“同化”与“顺应”的方式，促进自身认知结构发展，实现探究式的有意义学习［11，17］。项目的设置是基于工作的，模拟学生将来要从事的科学研究等真实活动的学习环境，学生就能够不断对知识的适用条件思考和修正，对科学知识的发现过程、应用条件及限制因素等有更加直观和深刻的认识，从整体上把握问题解决方案所赖以存在的情境要素，提高学习的有效性，帮助学生在科学实践中实现知识向真实情境顺利迁移和灵活应用［18］。

选择的探究项目涵盖生物化学核心知识体系（见表1），有别于对书本知识的硬性背诵，以这些项目创设问题情境的探究学习，帮助学生准确理解核心生物化学知识的内涵，进行深度学习，有助于完成从理论到实践的蜕变［19］。举例来说，学生在选择相应的真核表达载体时，首先要了解载体的基本结构。筛选标记是载体上的重要原件，例如很常见的Ura3，学生通过查阅资料，了解到Ura3 是编码酵母乳清苷5-磷酸脱羧酶的基因，通过进一步学习理论课上学习过的核酸代谢过程，知道这个酶催化嘧啶核苷酸合成过程中乳清苷酸转化为尿嘧啶核苷酸，该基因敲除菌株不能合成嘧啶核苷酸，只有成功转入含有Ura3 基因的载体后才能在相应的筛选培养基上增殖而实现阳性筛选。5-氟乳清酸是作为一种阴性筛选药物，在酵母细胞能表达Ura3 时（未被成功敲除或转入外源Ura3 基因），Ura3基因编码的酶可以使5-氟乳清酸转变成对细胞有毒性的抗代谢药物5-氟尿嘧啶，作为尿嘧啶的类似物，抑制胸苷酸合酶而抑制胸腺嘧啶核苷酸的生物合成，使酵母细胞在含5-氟乳清酸的培养基上不能生长。通过这样的探究学习过程，学生能进一步系统深入地掌握核酸代谢途径，深刻理解学习核酸代谢过程及抗代谢药物作用机制对于自己将来科学研究的价值和意义。

表1 探究项目建议模块对生物化学教学及科研实践的支持

3.4 提高了学生的科研思维和科学素养

通过制订探究学习的规则和相应的评价体系，引导学生组建探究学习共同体，使协作作为探究活动情境的重要组成部分。通过实质性的合作交流，互相质疑、共同反思，探究问题和探究目标得以明确，行动路径更加清晰，通过不断调整和修正使个人经验合理化，内化有关知识，助力科学知识的社会建构。共同体成员通过协作的方式完成基于项目的探究活动这一共同的学习任务，分享各种学习资源，形成了相互影响、相互促进的关系，培养学生的合作精神［20］。在项目的实施过程中，学生通过项目的立项、研究方案设计以及线下实验研究等环节，体验了科学家真实的科研活动，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，提高学生的创新精神。学生通过深度参与分析、综合和评价等高阶思维任务，提高了学生的批判性思维［21］。

3.5 线下实践成果卓著

基于在线项目的指导探究式实验生物化学教学体系能够充分发挥学生的潜能，实现个性化培养。对于学有余力学生的优秀项目，创造条件，诸如通过SRDP立项，开放实验室等方式，力争完成线下实验，很多项目取得优秀成果。例如“RNA 半衰期延长工具”获得SRDP支持，核心内容是通过在RNA 两端引入发卡结构来调节RNA的半衰期，结果发现这种方式调节了目标基因的表达效率，该项目作为我校iGEM 团队的两项目之一参加国际遗传机器设计大赛获亚洲赛区最佳数学建模奖和亚洲赛区金奖。“RNA 半衰期延长工具”研究结果是另一个项目“顺反子协奏曲”的基础。“顺反子协奏曲”的核心内容是在多顺反子中引入茎环结构，使多个目的基因在大肠杆菌中能够按照设定比例定量表达，这一项目在波士顿夺得国际遗传工程机器大赛全球金奖。

4 结语

基于在线项目的指导探究式实验生物化学教学体系借助网络与移动通信的技术使能，以涵盖生物化学核心知识体系的研究项目创建与学生将来科学研究类似的真实问题情境，充分发挥教师的指导作用，将教师的科研经验和学术积累积极转化为教学资源，采用多元化和嵌入式评价体系，采用基于团队的探究模式，通过自我学习和自我实践的探究过程，充分激发学生的学习兴趣和学习动机，促进了知识的有效建构，促进了深度学习和有意义学习，实现理论教学、实验教学与现代科研体系的深度融合，发展学生的科学思维能力，提高了学生的科研素养。虽然部分优秀项目通过SRDP、iGEM以及开放实验等进入实体实验室开展研究工作，取得不错的效果，但受限于一些硬件条件，目前未能覆盖全部立项项目。在此教学体系的工作模式下，进一步丰富分层次、模块化、综合化、创新性突出的项目储备，推广研究生教学实践相结合的辅助指导体系，完善国家海洋生命科学实验教学示范中心开放实验室建设，引进衔接顺畅的物联网管理和安防系统，达到物联网化、模块化、全天候，使线上立项项目全部直接对接线下实验环节，彻底替代传统生物化学实验，建立面向科研前沿的创新型科研人才培养体系。