问题式教学模式在高师生物化学实验教学中的应用研究

刘 超，胥成浩，梁 梓，杜超豪，彭言劼

（乐山师范学院 生命科学学院，四川 乐山 614004）

0 引言

生物化学作为一门自然科学，有理论性、逻辑性、综合性等特点[1]，与化学、物理和信息等相关生物技术手段迅猛发展密切相关。生物化学实验是高等师范院校生物科学类相关专业的一门专业基础核心必修课程。探究思维和操作技能培养是生物化学实验最重要的教学目标之一。生物化学实验技能包含生物化学实验的基本原理和基本方法，应用生物化学技术原理和方法独立开展生命科学探究和养成创新意识的能力。

多年来，高等师范院校生物化学实验以灌输式教学为主，学生被动接受[2]，存在实验项目照搬实验教材，实验目的单一肤浅不能满足学生的需求；实验原理教学教师以参考教材为主进行重述，学生被动接受，学生的主动性无从体现；照搬教学参考书籍实验步骤，学生无思考过程，得不到学生科学思维训练；实验项目通常选用验证性实验，学生的创新思维和质疑意识得不到培养；实验结果不真实，篡改数据，缺乏真实性和科学性；实验报告格式化，学生机械简单地填写，互相照抄报告等现象。总体呈现学生兴趣不高，主动性差，科学意识不浓，思考和分析问题能力不足。我校从2010 年对本校生物科学专业生物化学实验教学进行改革，引入了问题式教学模式(Problem-Based Learning,PBL)的探索与实践，使学生在实验原理和实验方法的掌握和理解上有所突破，独立思考和分析解决问题能力显著提高，创新意识和创新能力明显增强[3]。

1 教学改革方法

1.1 课程教学课时改革

根据我校生物科学专业为师范专业特点，优化培养方案，将生物化学课程设置为专业基础核心必修课程。理论课时由48 节增加到64 课时，生物化学实验由32 调整到48 课时。

1.2 实验教学项目改革

验证实验基础上，加大综合性和设计性实验项目，比例达到60%-75%。综合性和设计性实验项目以生物化学基础实验为原型的基础上依托于教师科研项目和生产应用以及学生国家级大学生创新创业训练项目结合进行设计。

1.3 问题式教学模式的引入和实施

1.3.1 问题来源和设计

生物化学实验。引入问题方式是教师以实验讲义或参考书的实验原理和实验程序为依据，将实验原理、实验试剂和药品、操作步骤、结果—分析等，以问题形式出现，引导学生思考。

a）实验原理中问题设计。以综合性“天然活性蛋白质的提取分离和纯化——凝胶过滤法”实验项目为例。设计以下问题组：（a）“天然活性”是什么内涵？（b）蛋白质的物理与化学性质有哪些？（c）蛋白质活性检测方法有哪些？（d）为什么要进行天然蛋白质的提取和分离？（e）蛋白质提取和纯化的方法有哪些？（f）凝胶过滤纯化蛋白质的原理是什么？（g）一次凝胶过滤能纯化天然蛋白质吗？（h）凝胶过滤的凝胶化学组成和结构有什么特征？实验课之前将这一系列问题分配给学生，在实验预习中进行思考，这样对实验原理就十分清楚了。

b）实验条件优化问题设计。主要解决实验过程中所选用的实验条件是依据什么原理来选择和优化的问题。以综合性“天然活性蛋白质的提取分离和纯化——离子交换法”实验为例实验设计以下问题组：（a）为什么要选用低温或冷冻条件，实验过程中还要轻搅？（b）提取过程中缓冲溶液的选择和pH 值的控制依据是什么？（c）实验过程中离心的转速和时间的选择依据是什么？为什么要选择冷冻离心？（d）离子交换树脂的选择依据是什么？离子交换树脂处理的原理是什么？（e）硫酸铵沉淀的原理和目的是什么？蛋白质沉淀析出后用半透膜透析的目的是什么？透析过程中有哪些注意事项？这一系列问题的提出，让学生理解实验过程中每项实验条件是如何设计和提出的，可以培养学生独立进行探究实验设计的能力。

c）实验结果分析问题。每一个进行精心设计的实验项目最终要有一个准确的实验预期结果，但是受多种因素的影响，实验结果往往和预期有一定差异，为此进行问题式教学改革，提出以下问题组：（a）理论上实验预期结果是如何的？学生是否能判断自己的实验结果正确与否？实验结果与预期不一致如何寻找存在的问题，如何改进实验？（b）如“天然活性蛋白质的提取分离和纯化”实验中，如果分离过程中蛋白质失活了，原因在哪里？如何避免？（c）如“植物体还原糖含量的测定”实验中，提出为什么要制作标准曲线？如果样品测定的吸光度值超过标准曲线的范围如何处理？（d）实验数据的处理和图形绘制方法有哪些？这一系列问题提出，让学生学会对结果的分析，数据的处理，查找实验成败的关键和改进的措施，培养学生分析问题和解决问题的综合能力。

d）学生自己提出的问题。如在“维生素C含量的测定”实验中，通过预习和思考，学生结合自身创新创业项目就提出“假如要换一种实验材料，实验程序如何设计？维生素C 含量测定还有哪些方式和原理可以进行？这些方法中哪种是最方便、最准确的？”等系列问题。

1.3.2 实验课程的组织与实施

a）实验项目确定。教师按照实验改革的目的和要求准备好实验讲义或参考指导书，在开学之初将本学期所有要开设的实验计划公布给学生。在此基础上要求学生结合自己参与教师科研或者创新创业训练项目的实际情况和需要，至少提出2-3 个与教师的实验计划不完全相同的综合性和设计性实验项目。

b）带着问题预习。在每次实验课程之前要求学生写实验预习报告。

（a）问题的思考。预习报告的内容按照前面设计的问题要求学生一个一个的思考并通过查阅文献写出分析结果。

（b）药品的思考。在预习过程中特别强调每一种实验药品在实验中起什么作用，每一种药品的浓度变化可能有什么影响，每种药品的规格要求是什么。

（c）设备的思考。每一台仪器设备在实验中有什么作用，如何进行仪器设备的安装调试和维护使用。

（d）实验的流程。实验过程和步骤要求学生以简单明了的流程图或图表的形式进行总结归纳，深入理解具体的实验操作方法和操作过程的设计原理。并制定详细的小组分工协作计划。

c）实验用品准备。将全班分若干小组，每一个小组轮流参与到实验教师的实验前期准备过程，包括实验设备的调试和安装，实验试剂的配制等等。

d）实验过程指导。在每次实验中，学生根据实验预习和当值小组的准备，由小组成员给全班同学讲述实验原理、操作程序和注意事项，然后由任课教师点评后学生分小组独立进行实验。

e）教师答疑指导。如果学生在预习和实验过程中存在共同性不明白和不理解的由任课教师进行集体分析解决。在实验过程中学生存在的实际问题在小组分析的基础上，由实验指导教师进行指导性解答。

f）实验报告撰写。实验结果要求学生必须真实记录和分析，不允许修改或独撰。实验报告参照科研论文的格式并采用电子版进行撰写。要求学生只能采用自己总结归纳和分析的内容，用科学的语言来撰写报告。

g）实验成绩评定。按照预习报告的内容评定每次成绩，并在实验平时成绩中占30%。实验报告的评定注重真实性和分析，淡化实验结果与预期的符合程度，只要学生对实验存在的问题进行科学合理的分析，找到了结果误差的原因和解决办法，不失为一篇成绩优良的实验报告。

2 教学效果评估

2.1 问卷调查

每年设计问卷调查（见表1）。10 个问题和一个建议，发给学生采用无记名方式进行调查，然后进行总结分析优点和不足，收集学生建议和意见。所有结果和数据采用SPSS 12.0 进行统计学处理，设计的样本平均数比较采用t 检验，P＜0.05 为统计学有效意义。

表1 “生物化学实验”教学问卷调查表

2.2 课程技能考核

a）组织方式。通过生物化学实验课程设计的技能考核方式，设计8-10 个技能考核题目，提前公布给学生，可以在实验室自己进行再次练习。采用抽签方式，每个学生在规定时间内完成技能操作和理论内容。

b）考核内容。考核内容在实验讲义中罗列该实验的技能训练内容，学生平时进行有针对性的实验操作，规范实验仪器设备的使用方法和维护方法。

c）成绩分析。根据对改革前和改革后同样的实验技能考核方式，查看学生的技能熟练程度。是否能独立解决问题，独立完成操作，提高注意事项中常见问题的克服能力。然后进行成绩的数据分析。

3 教学改革的成效

3.1 学生改变实验课的态度和认识

感性领会实验设计的科学性。学生不再盲目崇拜教材和教师，通过学习自己就可以设计出实验方案，自己能够利用实验原理进行生产生活相关问题的解决。

增强了学生动手操作自信心。实验中具体方法、条件、药品、设备都是长期科学研究或实践过程总结出来的，但不同的实验条件是可以自己探索设计的。

提高探索自然科学的严谨性。学生不再篡改实验结果和数据，更多的是在分析原因和查找问题，养成了严谨的科学态度，训练了科学探索方法。

3.2 学生实验综合技能显著提高

绝大多数学生能够在实验中提出相关问题，也能够独立思考问题，同时能够对实验过程、步骤，操作方法进行质疑并做出一些改进设想。近年来绝大部分学生已经能够独立设计自己的毕业论文项目和创新创业项目，并能够很好地完成，论文质量明显提高。

3.3 学生满意度分析

3.3.1 对本生物化学实验改革的总体评价

对实施教学改革的2013 级生物科学班，发放32 份问卷，收回有效问卷32 份，问卷结果统计如图1 和表2。图1 中可以看出有18 人即56.3%的同学很满意，9 人满意，满意度总体达到84.4%。

图1 学生对生物化学实验课程的总体评价统计

对设计的10 个问题的统计情况（见表2）。从表中看出绝大多数学生对该改革非常赞同。说明有效的改革能够激发学生的学习积极性，问题教学使学生明白了教学指导书上的原理。对实验中方案的设计训练，克服了以往学生仅仅通过实验过程的简单重复、机械的照搬现象，能促进对学生独立设计实验、独立解决问题能力的培养。针对有部分学生不满意或者认为一般的问卷，反映出本实验改革还存在进一步完善的地方。

表2 问卷调查人数统计表

3.3.2 实验考核成绩的分析

2013 级生物科学共36 人，技能考核成绩统计，优秀率（≥90）、良好率（≥80）、中等率（≥70）、及格率（≥60）和不及格率（＜60）分别为13.9%、72.2%、13.9%、0%和0%。而改革前的2011 级生物科学班分别为3.45%、6.90%、20.69%、44.83%和24.14%。经x2检验两个班成绩差别显著，见表3。从表中可以明显看出，实施问题式教学改革，学生的综合素质显著提升。

表3 2013 生物科学和2011 生物科学实验考核成绩比较

4 讨论

问题式教学模式是针对传统的“知识传授性教学模式”提出的一种以学生为主体、提高学生提出问题和思考问题能力，调动学习主动性的教学理念[4-5]。传统的教学模式是以传授知识为主，一种被动的接纳过程。生物化学实验传统教学，学生被动参与，没有发挥主体性，学习兴趣不高，主动性差。生物化学实验是生命科学专业学生最重要的技能基础训练阶段，实验课程有很强的探索性和实践性[6]，不仅是对理论课程的验证，也是对学生动手能力的培养、科学素养的养成、创新意识和创新能力训练的重要手段[7]。

报告采用科技论文格式进行要求，以电子版撰写和提交，强调学生对实验结果的讨论和分析，学生根据已有的知识能够提出新的问题，思想活跃起来，激发了学生的学习积极性[8]。并训练了学生科技论文写作技能

高等师范院校生物科学专业多数学生将在中等学校从事生物课程教学，通过实验问题式教学的改革探索，不断地提高了学生适应生物化学实验教学的技能，从而提升了学生教师综合素质，克服了仅仅依靠教学法解决教师专业技能不足的问题，助推中学合格生物教师的培养。