细胞生物学实验教学改革的探索与实践

齐凤慧　曾凡锁　詹亚光　滕春波　景天忠

摘  要：实验教学是本科人才培养的重要环节，也是学生创新能力培养的重要手段。细胞生物学理论课程的不断深化，要求实验课也需要不断改革以与理论课相适应。结合林业院校现状建立了细胞生物学实验线上线下混合式教学模式，激发了学生对细胞生物学实验的兴趣，变被动学习为主动学习，提高了实验教学质量。

关键词：互联网+;细胞生物学;教学改革;虚拟仿真

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）10-0135-04

Abstract： Experimental teaching is an important task for undergraduates， and is an important approach to train innovation capability for students. With the extensionof theory part of the course， the experimental part is required to improve to match the theory part. Based on the teaching states of forestry universities， this study established a mixed teaching pattern with online and offline courses， which has stimulated the study interests of students， made changes from passive study to active study， and improved the teaching quality in the end.

Keywords： Internet+; Cellular Biology; teaching method reform; virtual simulation

细胞生物学既是生命科学的基础学科，也是前沿学科;细胞的研究既是生命科学的出发点，又是生命科学的汇聚点[1]。随着科学技术的发展，细胞的结构与功能、细胞重大生命活动及分子机制的研究逐渐深入，强有力地影响着和改变着人类的生活，細胞生物学已成为生命科学的枢纽学科和前沿学科。纵观诺贝尔生理学或医学奖，大部分与细胞生物学密切相关，说明细胞生物学是当今生物学的研究热点[2]。细胞生物学实验技术也随着理论知识的深入发展而发展，在遗传学、发育生物学及分子生物学等学科领域不断深入，成为生命科学研究的重要利器[3]。

2015年首次将“互联网+”行动计划提升为国家战略，推动我国技术进步、效率提升和组织变革[4]。同时“互联网+”也在高等教育领域发挥着重要的影响和创新作用。细胞生物学实验是东北林业大学春季学期面向生物科学大类二年级学生开设的必修课，共32学时。该课程于2017年依托超星学习通平台建立了在线开放课程（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/100251076.html），开展了线上线下混合教学模式，通过具体实施和改进，丰富并提升了线上线下混合实验教学的经验。现将本课程的线上线下混合教学模式实施经验介绍如下。

一、基于“互联网+”的细胞生物学实验教学改革思路

依据我校的“厚基础、重实践、强能力、促个性、敢担当”的人才培养原则，结合新形势下人才培养的要求，针对细胞生物学实验课程，确立了注重知识的研究性、系统性学习，突破传统的教学内容的局限性，将互联网+和实验教学有机结合，构建培养学生的创新性思维和实践操作能力为目标的框架。

我们将实验分为实验技术、基础实验、综合实验、虚拟实验、应用实验。实验技术主要介绍细胞生物学相关的技术，包括细胞形态结构的观察方法，细胞组分的分析方法，细胞培养与细胞工程技术，细胞及生物大分子动态变化分析方法，用于细胞生物学研究的模式植物等。目前我校生物学专业属于大类招生，因此学生的基础参差不齐，将理论部分的实验技术放在实验课中介绍，有助于学生更好的理解和掌握。设置基础实验有助于一些基础薄弱的学生掌握细胞生物学实验的操作技术。基础实验主要包括细胞和细胞器的光学显微镜观察，细胞内DNA和RNA的原位显示，细胞内DNA的Feulgen反应。在综合实验中注重学生实验设计及结果分析的培养，综合实验主要包括细胞器（叶绿体、线粒体）的分离与观察，不同处理条件对细胞骨架形态的影响，细胞凝集反应与细胞质膜通透性效应的观察。在虚拟实验中，使学生掌握一些大型仪器的操作使用和动物细胞培养的方法，解决大型仪器学生只能看不能每个人操作的难题。虚拟实验主要包括激光共聚焦显微镜虚拟仿真实验，动物细胞传代培养与观察虚拟仿真实验，生物显微镜虚拟仿真实验。在应用实验中，需要学生运用前面所掌握的实验设计及结果分析方法，自主选择材料方法并设计实验，最后以论文的形式呈现，主要包括细胞凋亡的诱导及实验论文写作，微丝抑制处理对花粉管中线粒体的分布及运动的影响，不同的氮、糖饥饿条件对酵母细胞自噬的影响，其中后两个为研究型、自选实验，对有能力、有兴趣的完全开放。应用实验使学生既掌握了实验操作能力又学会科学写作方法。

在“互联网+”的教学实施中，我们将实体课堂定为第一课堂，线上辅导和考核作为第二课堂。实验技术和虚拟实验共8学时，为线上授课内容，基础实验、设计和综合实验及应用实验共24学时，为线下授课内容。通过视频课程讲解实验原理、方法、应用及相关的前沿技术，学生根据课程内容及文献介绍，每个组设计出自己组的实验方案并上传到在线课程中进行讨论。教师通过在线课程对学生的实验方案进行指导，学生对实验方案完善后在线下进行具体的实验操作。通过这种线上线下的交互实验，可以缩短课堂中实验设计的时间，学生在操作中少走不必要的弯路，还可以培养学生自主构建知识，增长实验技能，提高自我创新的能力。学生完成实验后需要在线上传实验报告和论文，教师会及时反馈实验报告的意见，对于优秀的内容或特别差的内容，教师也会不记名地发到讨论区，让学生讨论交流，老师对学生反应的问题会定时跟踪。

二、依托超星学习通构建自主学习的细胞生物学实验在线课程

超星网络学习平台是基于移动互联网的新一代教学生态系统。可以在教室端、移动端和管理端进行在线课程建设、学习、互动、教学效果分析等。在超星网络教学平台上教师先进行课程建设、班级管理，学生加入课程后可以随时随地在线学习、做作业、讨论、做笔记、考试和查询成绩，教师根据学生的学习情况可以进行成绩管理，在课堂上运用手机移动端App学习通发起签到、抢答、投票、讨论等教学互动[5]。学习通虽然能够将学生的学习全过程和考试结果记录下来，但学习资源、任务点的发布、讨论主题的选择以及学生在线答疑等等，这些都需要教师根据学生的学习情况进行精心设计和实施[6]。

我们借助超星平台，根据课程内容构建了细胞生物学实验所有知识点及相关的视频、课件、参考书、资料等。在课前及时发布课程通知、布置作业，考试，讨论等，通过管理信息功能，及时查看学生的章节测试结果，考试结果等，及时了解每一位同学的不足并单独和学生沟通，指导他如何拟补和完善知识的弱点，尽快跟上班级整体的学习节奏。学生通过在线预习实验内容，实验设计、讨论、虚拟仿真实验的操作以及报告总结的过程中，将获取大量与实验教学相关的信息，这些信息的传递过程不仅是学习的过程也是能力培养的过程。

三、基于“互联网+”精心安排细胞生物学实验教学活动

（一）提高学生实验设计及分析能力

一门课程教学目标的实现，往往取决于教学活动的安排。学生在线学习除了观看课程的视频、PPT等，还需要完成教师布置的任务，如实验设计、作业、主题讨论等。为了锻炼学生的自主学习能力、明确实验的意义以及学生对知识的学习和能力的发展等，我们对每一个实验先提出问题，有学生来设计完成。

如在细胞内DNA和RNA的原位显示实验中，这是一个基础的实验，但为了学生在后期的设计和综合实验中更好的掌握实验设计的方法，教师先提出多少浓度的甲基绿和派络宁能更好的显示细胞内DNA和RNA？学生为了完成这个问题就需要进行单因素的实验设计。学生对甲基绿和派洛宁的比例按照自己的想法设置3-5个梯度，比较不同的配比之间DNA和RNA原位显示的差异。

学生通过对单因素实验的设计的掌握，逐步过渡到多因素的实验设计。比如在细胞骨架的荧光检测实验中，教师依然先提出多少浓度的Triton X-100抽提非骨架蛋白效果最好，抽提的最佳时间是多长？每组同学会根据自己的想法设置3-5个浓度和3-5个时间，然后不同的浓度和不同的时间进行交叉组合。紧接着教师还会提出，在相同的浓度和时间条件下，不同的实验材料结果相同吗？每个组会选择3-5中实验材料，如韭菜、洋葱、百合花粉等常见的试材，进一步验证实验结果。通过这样的练习，不仅提高了学生设计实验和完成实验的能力，还提高了学生的学习兴趣和主动性，一步一步的引导学生如何在实验中思考并提出问题，提高学生的实验创新能力及分析能力。

（二）引入虚拟仿真实验开展虚实结合的教学模式

虚拟仿真技术具有沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性的4个基本特征[7]。随着虚拟仿真技术的开发及信息技术的发展，虚拟仿真实验被应用到各大高校实验教学中。

生物显微镜是细胞生物学实验必备的仪器之一，学生需要正确掌握生物显微镜的使用及摄影。在学生使用中往往由于学生操作不当导致油镜头的损坏，增加了仪器的维护费用和教学成本。虚拟仿真实验的引入，可以使学生不用直接触碰显微镜，就能提前熟练掌握显微镜的正确操作方法，避免了在实际使用中对显微镜造成的损坏。动物细胞传代培养虚拟仿真实验的引物，可以避免在实际操作中对无菌环境要求高、成本也高、容易被污染的缺点。激光共聚焦显微镜虚拟仿真实验的引入，可以解决生物学研究中需要新、贵、精的仪器设备问题。在激光共聚焦显微镜中，共设置了4个实验项目，包括激光共聚焦的单通道、多通道、Z轴扫描及三维重建， Ga2+动态变化的时间序列扫描操作过程，操作结束后关闭软件会有累计时间和分数的记录。这种大型仪器设备场所一般较少、空间较小、规范化操作要求高，相关操作需要经过较长的专业培训过程才能独立使用。虚拟仿真实验的构建，让本科生在线学习，可以实现其原本不可能（或很难）用到的仪器变为可能，解决了大型仪器在实验教学中“只能看不能做、做了只能摸一下”的问题，增强了大型教育设施的利用率和贡献率。这样既丰富了学生的阅历，又提高了学生的综合实验技能和创新能力。

（三）引入实验论文的写作提高学生科学写作能力

细胞生物学是一门综合性的新興基础理论学科，属于现代生命科学的前沿学科，因此，离不开科研论文的写作。而科研论文是对实验成果的总结，它记录着人们对真理探求的过程，体现科学研讨的水平和价值，也是记录科学研究者之间进行学术交流的文字载体。因此，我们从实验教学中不仅培养学生实验的操作能力，更要培养学生分析问题、解决问题以及科学写作的能力。学生在前面的每一个实验设计、实验实施、结果分析的练习中，逐渐提高自己从事科研的能力，在细胞凋亡的诱导和实验论文写作中不仅要对实验进行设计、实施、总结分析，还要完成一篇科研论文。教师首先会提出诱导细胞凋亡有哪些方法？不同的方法中需要哪些诱导剂、诱导剂的浓度、诱导时间是多少？诱导之后需要用什么检测剂检测凋亡的信号？植物和动物细胞凋亡是否一样？学生会根据教师提出的这些问题依次查找文献，并设计出自己的实验方案。这个实验方案要求学生上课的前2周提交上来，教师会根据学生的方案购买相应的实验材料、所需的试剂等。在上课时学生自己从配药开始，按照自己设计的方案进行具体的实施。实验结束后学生要按照论文的要求提交实验论文。论文写作的基本要求是：论文字数不少于2500字;包括题目、作者、班级、中英文摘要及关键词，正文部分前言、材料方法、结果分析、讨论，图表按照科技论文要求编排，参考文献不少于13篇;文字流畅，逻辑性强，应用科学语言进行写作，避免口语化描述;对于所涉及的科学概念与术语力求准确、严谨。最后每个小组派一名同学对小组实验进行PPT展示，由学生组成评委进行评价打分。

科研论文的写作也是一种创造性的脑力劳动。学生通过完成这样一个项目的训练，可以提高自己分析问题和解决问题的才能，可以促进科学素养的提高，同时科研论文的写作也是培育学生创新性思维的手段。

（四）引入自选实验项目激发学生科研潜力

在应用实验中，引入两个研究型、自选实验项目，分别是微丝抑制剂处理对花粉管中线粒体的分布及运动影响，不同氮、糖饥饿条件对酵母细胞自噬的影响，这两个实验项目也是对学生能力的一个拓展。通过前面的实验训练，学生能够掌握在面对一个实验项目时，如何提出问题、如何设计实验、如何实施等。因此，对于自选的实验项目，学生需要提前查阅文献，设计出实验方案并发布到在线课程的讨论区，教师和其他学生都可以对实验方案进行评估，评价方案的可行性。然后学生对实验方案进行完善，实验的准备、实施、结果分析及撰写实验论文。

自选实验项目的实施，学生可以通过阅读文献来增强自己的逻辑思维能力，提高实验设计实施、总结研究项目的能力。同时，学生能够主动思考并挑战一些新的想法，在实验实施过程中，每一个问题的出现和解决都会鼓舞学生的士气，给他们带来满满的成就感和对科学研究的热情。

（五）利用“互联网+”搭建师生交流平台

由于线下课时有限，学生和教师交流的机会和时间都很短暂，因此，依托超星学习通平台，学生可以将问题发表在讨论区，教师和其他同学进行讨论。学生可以自己发表新主题，也可对别人发表的主题进行回复，发表意见。为了鼓励学生积极的参加课程讨论，对讨论的学生也有一定的分值的奖励，这样就促使学生来参加讨论，就可把学生从刷微信“朋友圈”拉到刷学习通“讨论区”上来。学生开始不知道如何发帖，发什么样内容的帖子，所以教师要在课程开始阶段，发一些讨论话题，引导学生积极发帖讨论。对学生的帖子老师也会及时回复，因为每个学生都希望自己的内容得到老师的响应。老师对学生的话题进行及时回复，评价（置顶、评分、加精等），可以激励学生讨论的积极性。

比如在最初实验中用到的瑞氏染液，我们会在讨论区提出瑞氏染液由什么组成？染色时主要染细胞的什么部位？再比如常用的甲基绿，我们会在讨论区提出甲基绿电离出正电荷，不就是像氢离子吗？为什么显碱性而不是酸性？学生通过对这些问题的回复可以更加全面的了解实验原理、实验中的小知识点等。同时也调动了学生讨论的积极性，学会如何发一些与课程相关的帖子。借助学习通在线平台，学生可实时查看自己的成绩，做到公开、公平。

四、线上线下混合式教学体会

《细胞生物学》是大学本科生物科学类各个专业的基础课，同时也是医学、林学、农学等一些相关专业的基础课。“细胞生物学实验”既是理论课程教学的延伸，又是对学生科学思维和创新意识培养的平台与窗口[8]。由于细胞生物学是一门发展非常迅速的学科，因此，在教学中还需要引入细胞生物学中一些重大的研究成果，使学生明白这些研究成果的实验是如何完成的，用到哪些实验技术。这既可以不断更新知识，及时弥补教材知识的滞后性，同时也可以提高学生对科学问题探究的积极性[9]。

细胞生物学的尖端研究往往难度大、复杂程度高，系统性强，实验过程微观、抽象。然而传统的实验教学往往因硬件条件、课时数等因素，造成实验内容大多为割裂、独立的单个实验技能，很难引入完整的、系统的前沿研究内容和最新实验技术。要在有限的实验教学课时内增加教学内容、提高教学质量和效率，必须对传统生物学实验教学内容和方法进行改革。利用“互联网+”建立线上、线下混合式教学模式，可以对实验内容进行重要补充和扩展，保证细胞生物学实验的系统性、综合性，同时又促使学生开拓视野，获得更为系统全面的技能训练，建立完整的生命科学知识体系， 培养学生观察能力、独立思考能力、创新能力和实践能力。

参考文献：

[1]翟中和，王喜忠，丁明孝.细胞生物学（第4版）[M].高等教育出版社，2011.

[2]庄娟，王新风，沈婷，等.以科研创新为导向的细胞生物学课堂教学方法探索[J].教育现代化，2018（7）：214-215.

[3]李奇志.哺乳动物细胞的胞吞作用实验教学设计和探讨[J].中国细胞生物学学报，2015，5：709-714.

[4]国务院.国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见[EB/OL].2015-07-01.http：//www.gov.cn/gongbao/content/2015/content_2897187.htm.

[5]施鑫煜，方明.基于超星网络教学平台的混合式教学实践——以《数控加工工艺与编程》课程为例[J].轻工科技，2020，36（04）：160-161+186.

[6]吴建丽，周芳，侯巧芝，等.基于超星學习通的有机化学信息化教学课堂构建[J].基础医学教育，2020，22（03）：220-222.

[7]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34：214-219.

[8]郭骞欢，颜康，郭兴启，等.细胞生物学实验教学改革的探索与实践[J].实验室科学，2018，21（01）：139-141.

[9]荆艳萍，郭允倩，宋涵，等.以综合素质与创新能力为导向的细胞生物学实验教学探索[J].高校生物学教学研究（电子版），2020，10（1）：48-51.

基金项目：2019年黑龙江省教育厅“基于‘互联网+的林业院校细胞生物学实验教学改革的研究与实践”（编号：SJGY20190034）;2020年东北林业大学“‘互联网+高等教育新形态下搭建‘推拉式自主学习平台的探索与实践”（编号：DGY2020-14）

作者简介：齐凤慧（1976-），女，汉族，北京人，博士，高级工程师，研究方向：林木遗传改良与逆境分子生物学;曾凡锁（1980-），男，汉族，黑龙江明水人，博士，教授，研究方向：林木遗传改良与逆境分子生物学;詹亚光（1963-），女，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，研究方向：林木遗传改良与逆境分子生物学;滕春波（1970-），女，汉族，山东莱州人，博士，教授，研究方向：分子细胞生物学;景天忠（1974-），男，汉族，甘肃民勤人，博士，副教授，研究方向：生物防治及微生物组学。