PBL联合翻转课堂教学法在医学分子生物学实验教学中的探索和应用

晏贤春，曹秀丽，卜 歆，韩 骅，梁 亮

(1.空军军医大学 基础医学院 生物化学与分子生物学教研室，西安 710032；2.空军军医大学 基础医学院 医学遗传与发育生物学教研室，西安 710032)

实验教学是生物化学与分子生物学课程教学的重要组成部分，也是培养学生实践和创新能力的重要手段[1]。传统实验课教学倾向于简单地讲解实验原理和步骤，侧重于让学生掌握实验的技术方法，而忽视培养学生分析和解决问题的能力。孤立地开展每一个实验，学生在学习完分子生物学实验课程后仍然缺乏整合思维与能力，难以将所学实验方法有机地整合[2-3]。此外，传统实验课教学缺少教师与学生间的深入交流和针对性指导，学生对实验课程不够重视、缺乏兴趣，个别同学甚至随意书写实验报告，严重影响了对学生创新能力的培养。通过对我校2018级生物技术专业本科生问卷调查发现，80%的学生并不满足教师在实验课中仅对实验原理及步骤的简单讲解，更希望教师在课堂上能够结合自身的科研经历分享如何利用所学实验方法有效解决实际科学问题。

基于问题学习(problem based learning，PBL)的教学模式在国内外得到广泛应用，该方法以问题为导向引导学生以小组方式进行自主学习，有助于培养学生的整合思维能力、提高其综合研究能力[4]。结合翻转课堂(flipped classroom)教学法，让学生在课前自主学习教师提供的学习资料，在课堂上通过展示、讨论、评价等一系列教学活动，实现知识的内化，可有效地提高学生学习积极性和语言表达能力，有助于培养学生的批判精神[5]。已有研究表明：PBL结合翻转课堂混合式教学模式能够更好地激发学生从“要我学”变成“我要学”，进一步提高学生综合分析和解决问题的能力[6-8]。然而，该混合式教学模式是否能够较好地应用于医学分子生物学实验课教学仍不清楚。

本次面向我校2018级生物技术专业学生的分子生物学实验，结合教师自身研究经历，尝试通过解决“Dll4胞外区重组蛋白是否能够抑制内皮细胞血管形成能力”这一科学问题，将DNA提取、PCR、核酸电泳、连接和转化、质粒提取、蛋白质提取和Western Blot等常规分子生物学实验有机整合，并结合翻转课堂实施教学，以探讨该混合教学法在分子生物学实验教学中的应用和具体效果。

1 分子生物学实验课PBL结合翻转课堂教学模式的设置及实施

本次分子生物学实验课程通过让学生用常用的分子生物学实验方法去解决实际科学问题，让学生“学有所获”，提高其分析问题、解决问题的能力。

第一次实验课，教师首先向学生介绍自身从事研究的课题，从而引出本次课程待解决的科学问题。笔者长期从事血管形成相关分子机制研究，因此向学生介绍血管形成基本过程及其在疾病(如肿瘤)发生发展中的作用与意义、Dll4活化Notch信号抑制血管形成的作用机制、以活化Notch信号为基础治疗血管形成相关疾病的潜在应用价值等背景知识。随即引出科学问题：是否可通过体外获取Dll4胞外区重组蛋白用于活化Notch信号，从而达到治疗血管形成相关疾病的目的？从解决这一科学问题出发，一是需要构建Dll4胞外区原核表达载体并获取大量Dll4胞外区重组蛋白，可通过具体实验技术，即DNA提取、PCR、胶回收、连接、转化、质粒提取、测序、IPTG诱导表达、蛋白质提取、SDS-PAGE、考马斯亮蓝染色、Western Blot和蛋白质纯化等实现；二是需要证明获得的Dll4胞外区重组蛋白是否具有抑制内皮细胞的血管形成的能力，经由细胞培养、细胞管腔形成等实验实现。其中测序、蛋白纯化、细胞培养、细胞管腔形成实验为最后一节课由教师示教或者观看录像。其余常用分子生物学实验是学生必须掌握的实验，在中间的11次分子生物学实验课程由学生自主操作。完整的实验课教学内容与安排见表1。

表1 实验课教学内容与安排

中间的11次分子生物学实验课程均采用翻转课堂具体实施：(1)授课教师每次课前一周将课程相关资料(文献、课件和操作视频等)通过微信群共享给学生并进行在线讨论、答疑；此外，对学生进行分组(3人一组)，每组根据教学大纲进行拓展学习并制作PPT。(2)每次课由其中一组选派1名同学主讲课前准备的PPT以及回答同学提出的问题和质疑。授课教师在学生讲解结束后，对重、难点知识进行补充和强调。(3)学生进行实验操作。(4)实验结束后，授课教师引导学生进行讨论、交流实验心得，并对学生的团队协作、PPT制作、实验完成度以及回答问题等能力进行综合评分。

2 PBL结合翻转课堂实验教学的实施效果

通过分析学生查找资料和PPT制作的科学性、完整性，随堂观察学生的实验操作积极性，分析实验成功率、报告完成质量以及期末考试检测对实验技术本身的理解和应用能力，评价PBL结合翻转课堂教学法的效果。对学生进行问卷调查结果显示，90%的学生对该PBL结合翻转课堂教学法表示认可，满意度较高，认为该方法能帮助他们缩短自身实验操作的时间、提高实验的成功率；同时，80%的学生认为该方法有效地提高了学习效率，调动了学习主动性和积极性，拓展了分子生物学理论和实验的知识面，提升了分析和解决问题的能力，有助于未来进入实验室开展深入的科学研究。对期末考试中的论述题(题目：若想确诊一个感染流感病毒患者的感染类型，并针对该病毒类型进行重组蛋白疫苗的研制，请利用DNA重组技术，设计一个详细完整的蛋白表达过程)得分情况进行分析发现，超过80%的学生能够利用所学的知识设计出一套完整的DNA重组、蛋白质表达纯化及功能验证的实验方案，并在此基础上较为详细地说明每一个步骤用到的实验方法及原理。如针对病毒基因组特定区域的PCR引物设计方法、重组蛋白表达载体的选取等。此外，在回答问答题(题目：根据图片展示Western Blot实验结果，分析出现问题的可能原因)时，75%以上的学生可根据所学知识准确地分析出问题的原因，如显色反应中膜上出现杂点较多、印迹条带出现歪曲等情况，表明学生的分析和解决问题能力得到显著提升，有效地实现了知识的内化。

3 PBL结合翻转课堂教学法在实验教学中的优势与挑战

“构建Dll4胞外区重组蛋白抑制内皮细胞血管形成”是本课题组前期开展的研究课题之一[9]，该课题的研究涵盖了分子生物学实验教学中所有的实验方法。在实际教学中，我们以此课题为基础科学问题进行医学分子生物学实验课教学，总结出PBL结合翻转课堂教学法的优势与挑战。

3.1 以“Dll4胞外区重组蛋白抑制血管形成”为科学问题的PBL教学有助于学生形成整合思维方式

相比理论教学，实验课教学的根本目的是教会学生如何有效地应用所学实验方法解决基础及临床问题[1]。“Dll4胞外区重组蛋白抑制血管形成”课题涉及通过DNA重组技术获取大量重组蛋白并进行后续功能验证等多方面研究内容，可以将分子生物学常规实验有机地整合在一起。该课题的展开有助于培养学生在科学研究中需要的整合思维方式[10]，有助于其尽早地进入实验室开展科学研究工作，还可以培养学生将所学的基础知识进行临床疾病治疗转化应用的意识，提高其未来在生物技术领域的竞争能力。

3.2 PBL结合翻转课堂教学法更有助于学生对知识的理解和内化

随着分子生物学实验技术方法的革新，单纯课上的讲解难以让学生快速地理解和掌握大量拓展的知识，因此，PBL教学对学生和教师提出了更高的要求，更依赖他们的主观能动性。在实际教学中，我们将PBL教学与翻转课堂教学法相结合：一方面，在课前将实验要点、授课PPT、实验操作视频以及背景知识资料通过微信群分享给每一位同学并和学生进行线上交流、讨论，这使得学生能够更有针对性地拓展学习所需的知识；另一方面，对学生进行分组，并让他们按照小组的方式自行在课上进行讲解，然后由教师进行总结和纠错，这可以有效地增强学生的主观能动性以及对知识的理解和内化，同时还可以有效地提高学生的表达和团结协作能力。

3.3 PBL结合翻转课堂教学法需要教师更加充足的准备

相比传统的实验教学，PBL结合翻转课堂教学法对教师的知识储备和时间安排也提出了更高的要求。首先，PBL教学中涉及较多的研究背景知识与实验方法拓展理论的介绍。例如，在第一次课上，基于“Dll4胞外区重组蛋白抑制血管形成”的PBL教学中，教师如何将血管形成、Notch信号等基本理论知识“深入浅出”地向学生讲解清楚，如何将前沿进展融入背景介绍，需要教师更加精心地备课。其次，在后续的分子生物学实验翻转课堂上，学生是主体，需要在前期搜集整理资料并制作PPT，对实验内容及注意事项进行逐一讲解，由于大部分学生未曾进入实验室开展过实验，对实验细节难以把握，因此，需要任课教师在课前针对每组讲解的内容进行严格把关，适当组织学生进行预讲，这样才能达到良好的教学效果。

此外，相比传统实验教学，PBL教学法需要准备更多的解决科学问题的实验试剂和设备，需要在选题时考虑实验试剂及设备的可行性[11]。“Dll4胞外区重组蛋白抑制血管形成”这一科学问题的解决所需的试剂与前期传统实验教学使用的试剂基本一致，主要区别在于引物设计以及Western Blot实验中需要使用Dll4胞外区单克隆抗体进行检测。目前，有较多的测序公司以及抗体试剂公司提供这一服务，因此，实验试剂较为容易获得。

最后，基于“Dll4胞外区重组蛋白抑制血管形成”的PBL教学法中各个实验步骤间联系较为紧密，某一个步骤的失败可能会导致后续实验的失败或中断，这需要教师在课程实施前准备更加充足的实验材料以及进行完整的预实验，对每一个实验步骤设计好补救措施，避免因前序实验失败引起的后续实验无法进行的问题等[12]。

4 PBL结合翻转课堂教学法在医学分子生物学实验教学中应用的展望

随着分子生物学实验技术的快速发展，越来越多的快速反应试剂盒的出现在较大程度上降低了实验所需的时间以及对操作人员熟练程度的要求，因此，在分子生物学实验课教学中，教师应该更加注重对学生科研整合思维以及分析和解决问题能力的培养。应用PBL结合翻转课堂教学法，能够有效地将孤立的分子生物学实验方法有机地整合起来，培养学生自主学习、团结协作的能力，培养未来医学相关从业人员能够利用先进分子生物学知识和手段，更好地解决医学问题。