验证性实验教学改革的实践与探索

方心葵， 葛海燕， 陈鲁勇

(上海交通大学 农业与生物学院，上海 200240)

0 引 言

验证性实验是指对研究对象有了一定的了解，形成了某种假说，为了验证假说的正确性而进行的一种实验。在实验教学中，通过验证性实验加深学生对基础理论的理解，掌握实验的基本技能，实现认识的上的飞跃[1]，因此，验证性实验是高校教学中不可或缺的形式之一，在实验课程中仍然占有很大的比例[2]。验证性实验教学的模式一般是以老师为主体，将实验的背景、目的和方法一一介绍给学生，学生被动接受、完成实验。其弊端是很难调动学生的积极性和主动性，实验教学的效果不佳[3-4]。

自从本世纪初教育部实施“新世纪教改工程”以来, 国内各高校在教育教学的各个方面都进行了不同规模与层次的改革，也涌现出了许多实验教学模式，如综合性、创新型、自助式、研究型、开放式、设计性、探索性等实验教学模式。这些模式一般均需要学生自拟实验方案、查阅参考资料以及提出设计思路和实验步骤, 并在获得的现象或数据的基础上自己概括出实验结论的类科研实验，因此可统称为开放式实验教学模式[5-7]。其实质是将科学领域的探究引入课堂，使学生通过类似科学家的探究过程来理解科学概念和科学探究的本质，并培养科学探究能力[8]。

1 验证性实验教学中存在的问题

遗传学实验是医学、生物及农业院校的专业基础课程，其中的经典遗传学实验部分以验证性实验为主。遗传学实验中果蝇杂交实验是通过不同品系黑腹果蝇的杂交实验来验证伴性遗传规律、连锁与互换遗传规律及计算基因的重组率，是验证性实验中综合性很强的一个实验，也是果蝇系列实验中的重点与难点，实验的过程较长，实验原理理解更有一定的难度。

在以往传统模式的教学中，老师介绍实验的原理、目的、方法步骤，准备好实验材料，学生进行实验，获得实验结果，分析结果，形成实验报告。因为步骤复杂、实验时间长，学生缺乏参与的兴趣与主动性，实验往往由小组的个别同学操作，或有的小组参与少，只能老师“代劳”，有的同学即使来实验室，也不知道该做什么，为什么要这样做，实验学习的效果较差。这种情况在许多院校的遗传学实验课程中都存在，教师们也尝试将开放式、设计性实验的教学方式引入果蝇系列实验或其他类似的实验项目中[9-10]。

为了改变学生被动学习、参与度低的状况，教研组尝试将开放式实验教学模式引入本实验的教学：学生先查阅资料，形成实验方案，并将方案讨论后再实施操作，最后引导学生对实验结果进行汇总，形成实验报告并讨论实验的得失；在此过程中，对这种开放式教学的过程进行观察记录，并分析教学效果，希望能在提高学生在实验过程中的主动性与责任心的基础上提高实验教学水平。

2 研究方法及实施

研究方法从确定与实施教学方案和教学研究两个方面入手。教学方案指具体的教学安排(设计)，包括学生分组、学生实验方案的准备及讨论，实验的实施与结果记录，实验结果分析与讨论，完成实验报告等过程的安排和实施；而教学研究方案是指在实施教学活动的同时，如何进行数据的收集、教学效果的分析等教学学术研究的计划与实施。

2.1 教学方案及实施

(1) 实验前期准备。将相关的实验如“果蝇实验技术”提前上，使学生了解果蝇生活史、认识果蝇性状、性别。

(2) 学生分组，布置任务。学生分工合作进行实验方案的准备，如负责收集资料，形成方案的word文档、PPT的制作、实验观察与记录，最后形成实验报告等工作，需要小组同学分工合作。

(3) 实验前方案的讨论、互评。留出一次课的时间给实验小组做实验方案的报告，其他同学质疑、讨论，评价。

(4) 按实验方案进行实验并获得数据。实验开始，老师发放实验材料：亲本果蝇、培养瓶，用具与试剂，实验组同学需要根据果蝇的生活史独立进行杂交、观察、记录等操作，这些需要学生利用课外时间开放进行。

(5) 实验总结、讨论、互评。实验结束后，统计实验结果，以小组为单位形成实验报告(word文档)，简短PPT做汇报，同学质疑、讨论，打分。

(6) 实验综合成绩。按小组评分(小组中突出者加分)，计入总成绩。

2.2 教学研究方案及实施

教学研究主要是对教学方案实施过程进行观察，并收集教学材料，包括学生的表现、学习成绩、对学生学习情况与学习意愿的调查结果等，期望能对教学方案实施的效果进行总结，并反思教学方案的优劣。本研究从下面几个方面制定教学研究方案。

(1) 课前做测试。学期开始，对教学班级进行测验，测验的问题包括：学生对实验背景知识与理论了解的程度、和理论应用能力。

(2) 设置实验班和对照班。两个教学班使用不同的教学方法，一个教学班为对照班，用传统的教学方法：教师介绍实验的背景、原理、目的和方法，学生在老师的指导下进行实验操作，根据果蝇生活史进行杂交、观察、记录，并最后形成实验报告；另一个教学班为实验班，使用上述新的教学方法独立进行。

(3) 教学效果的观察记录。执行教学方案，观察记录不同教学班级学生的表现，收集学生报告、PPT，进行最后的期末考试，并对果蝇杂交相关内容进行统计分析。

(4) 实验结束后做问卷调查。问题包括学生对实验方式的认可度、参与度、对实验背景资料查阅的情况，对试验方案、过程、原理理解的程度、相关科学问题产生的兴趣等问题。

(5) 数据汇总及分析。收集所有数据，进行对比分析，对教学效果进行评价。

3 教学研究结果与分析

3.1 两个教学班级前测成绩分析

为了比较最终的教学效果，排除班级间的差异，在课程开始之前对两个班级的相关知识背景的情况进行了一次前测，用于评价最终的教学效果。前测试卷由10道选择题组成，总分10分，主要考察学生对遗传学定律的理解与理论应用，伴性遗传的概念与表现方式，杂交实验结果分析方法的了解等内容。两个班级考试成绩如图1所示。

图1 两个教学班前测成绩分布

由图1可见，均分方面对照班成绩略高于实验班；两个班级相比，在一般及良好方面的学生数量相当；实验班较差的同学较多，拉低了平均值；实验班成绩略差于对照班，但两个班级总体差异不大。如果后期实验班同学的成绩有所提高，就说明教学改革取得了一定的成效。

3.2 两个班级实验过程观察分析

果蝇杂交实验的过程较长，需要学生每天中午对果蝇生长情况进行观察记录，并采取一定的实验措施，也提供了观察了解学生实验情况的机会。另外，两个班级分别建立了微信群，用于学生之间及学生与老师、助教之间的交流，学生有任何问题也都可以随时当面提问或通过微信群提问。通过平时的观察及微信群学生提问的内容和频率，可以了解学生对实验过程的熟练程度。

在实验期间，两个班级的同学实验都非常认真，每天都有同学来实验室进行观察、记录和处理。期间，实验组班级同学的问题集中在事物性的问题：实验室开门问题、实验报告啥时交、实验材料怎样处理等，表明实验组班级对实验过程比较清楚；而对照组班级同学的问题集中在实验的过程：果蝇性状问题、杂交做几管、处女蝇挑几只、培养基中有无蝇卵、实验管破了咋处理、果蝇死了怎么办。相比实验组，对照组班级对实验过程问题较多，理解较浅。

说明实验班级的同学通过提前准备实验方案，并经过各组集中的讨论，同学对实验的原理、实验过程及实验节点都比较清楚；相对而言，对照班同学只听过一次老师的讲解之后，就开始了漫长的实验，对实验过程及实验节点的把握稍差，需要当面或微信上指导的比较多。

3.3 两个班级实验报告成绩分析

实验结束后要求同学对实验记录进行汇总得到实验结果，并对实验结果进行分析，形成实验报告。两班级实验报告得分情况汇总如图2所示。由图2可见，实验报告得分总体相差较小，每个班级的同学报告的质量都有差有好，但对比而言在两端较差和优秀实验报告方面比较一致，但中间80～90分档的得分两个班级的差异较大，相比较下来，实验班同学报告得分良好的学生数量远高于对照班，说明实验班级对实验结果的整理与分析及报告的书写方面都显示出了一定的优势。相当数量的同学处于优良这一档，与对照班级相比，教学方法的改进可能起到了一定的作用。

图2 两个教学班实验报告成绩分布

3.4 实验班级实验方案与总结汇报的评分情况分析

对实验班的同学要求除了形成实验报告之外，还要制作PPT ，分组进行汇报，由同学、老师进行质疑、讨论、评分。实验班级的同学实验前制定实验方案，实验后总结并进行汇报讨论，各组之间进行互评，任课老师与助教也参与评分，评分结果如表3所示。

由表1可见，各组实验方案做得比较认真，得分较高的组最后实验总结也做得比较好，有个别例外，第5组的同学实验方案做得很好，考虑的方方面面都比较周全，获得了实验方案的最高分，但最后落实得并不好，得分一般。这种情况在今后的教学中应该对这一组的同学进行关注，可能这部分同学的理论基础较强，但动手能力需要加强。因为对照班级的学生没有做提前的方案和最后结果的汇报，因此两个班级无法在这方面做对比，今后可考虑两个班级都做总结汇报，可以用于研究提前做实验方案对实验最后的总结与提高是否有帮助。尽管从前面实验报告，看出了有数据支持提前做方案的好处，但如果有实验总结方面的数据更能说明问题。

表1 实验班的实验方案与实验总结均分

3.5 两个班级实验结束后考试成绩对比分析

课程结束后，除了考察学生的平时表现、实验报告之外，还进行了笔试，用于综合考察学生的学习效果。由于期终考试的内容涵盖了整个遗传学实验的内容，而此项目的内容主要针对果蝇杂交实验，因此从期终考试中将与果蝇杂交实验相关的内容提取出来，作为教学研究的后测成绩单独进行分析，以期能有针对性地了解这次开放性实验教学方法的效果。这部分内容在试卷中占29分。两个教学班的后测成绩分布与均分如图3所示。

由图3可见，两个教学班的学生后测成绩平均分有一定的差异，实验班学生的后测成绩平均高出10.2%，相较于前测成绩实验班稍差的情况，说明通过开放式实验教学方式，学生们在准备实验方案及后面的实验总结过程中，对理论知识的理解和应用能力都进一步加强了。尤其是在20～24分优良这一档的同学差别较大，相对的9～15分一般稍差的学生数量减少较多，说明开放式的教学方法对成绩一般的同学帮助最大。

图3 两个教学班后测成绩分布

3.6 调查报告结果分析

为了了解学生通过开放式实验教学方法后的收获与学习心得，设计了调查报告，共15题，题干设计为5个方面：学习兴趣与主动性、实验参与程度、巩固理论知识、激发深度学习及团队学习的效果等。

问题为是否同意题设的4个答案选项，优劣的顺序为A，0～20；B，30～50；C，60～70；D，80～100。问卷最后预留了空白征集同学对课程教学模式的意见与建议。对实验班和对照班级问卷调查结果中ABCD的选择平均频次汇总如表2所示。

表2 两个教学班级调查报告结果对比 %

由表2可见，两个班级对果蝇杂交实验都给出了比较积极的体验，毕竟实验的操作基本是在课外，由学生自主完成，老师只是引导者。从调查报告汇总的结果看，两个班级的学习体验尽管都比较积极，但实验班同学并不占优势，甚至对照班同学在某些方面的体验更好，如：尽管最后的成绩对比已经说明了学习的效果差异，但“巩固理论”和“激发了深度学习”方面，对照班体验略好。根据观察这里面显示了实验班学生在实验学习方面心理体验的微弱差距，分析这种差距，可能是新的实验教学方法对学生产生了一定的影响，尤其是对照班的学生，区别的对待会使他们心里上产生些许落差，从而产生一定的心理反弹，也说明毕竟这样的调查更多的是反映一种体验，与现实情况可能会有一定的误差。还可以从学生的留言情况对学生的反应进一步进行了解。这里也可能涉及一些教学学术研究的伦理问题，容后讨论。

从调查报告的留言看，实验班留言15份，其中对果蝇实验正面评价的有5份，负面评价的有2份，其他有8份客观的提出了对本次实验教学的一些建议。对照班级的留言13份，正面评价的4份，负面评价的3份，对实验教学提出建议的有6份。正面评价的同学认为自主模式的综合实验及开放性实验的模式很好，虽然工作量大，但感觉学到了许多，尤其是通过这次实验的过程初步了解了科研的过程，学会了坚持对完成一件事情的重要性等，希望继续；负面的评价主要觉得工作量太大，负担较重。大部分的建议是认为两个班级都应做实验方案，不应该区别对待，尤其是对照班的同学，觉得受到了不公平的待遇。总结下来，学生对开放式的实验方式还是比较认可，总体的体验比较好。

4 开放式实验教学方法实施中的体会

回顾实验教学研究过程，有几个问题值得思考。

(1) 开放性实验教学的方法不会改变验证性实验的本质。通过实验操作和实验学习来验证理论学习中的规律、定律，巩固理论知识，是实验课程的重要任务之一，但验证性实验中的科学知识天然蕴含探索性、开放性、设计性和假设性，可用于探索[12]，只不过等待教师去发掘好的教学设计，引发学生的兴趣，从而促进学生更好地进行实验学习。在实验学习过程中，不仅巩固理论知识，还增加实验技能、探究科学的创新精神。探索性、开放性实验还具有趣味性，使学生带着问题去学习，在实验过程中，教师给与学生充分的信任与鼓励，反而能激发出学生的积极性，提高学生的学习自主性。

(2) 关注教学学术研究活动对学生心理产生的影响。通过调查问卷结果的分析及平时对学生实验课堂的观察，发现教学学术活动给学生带来了较大的心理影响，表现在设定对照班和实验班时，提前告知了学生会采用不同的教学方式。在随后的教学活动中，学生会相互交流，对照班学生会因为没有享受新方法的好处而不平；而实验班学生觉得自己是实验品“小老鼠”，也产生了不满情绪。反映在做调查问卷时，对照班对选项的勾选在情绪方面的反弹，对调查问卷的结果产生了一定的影响。教学改革是提高教学质量的必由之路，随着教学学术活动的深入开展，教师会不断“遭遇”这类问题：学生有学习“知情权”，教改的措施是否要提前会知学生[13]；如何正确处理学生的不平情绪，引导学生的自主性与理性[14]；这涉及哪些心理与伦理方面的内容，这些问题对普通教师而言急需得到有效的指导。在困惑中，只能在教学设计和做调查报告问卷时，充分考虑学生的情绪，并及时进行安抚。

(3) 对实验的过程应该更加关注。对果蝇杂交实验教学，一直在持续地思考与改进的过程中，从由老师把握实验节点，给学生具体的指导，有时需要不断给学生收拾摊子，到如今完全放手，学生自主实验，只要稍作关注。在这一过程中，发现大部分的学生实验操作的自主能力是很强的，不需要过多的干预，但对少部分学生而言，还是需要老师的关注，及时了解他们的状态与需求，解决他们实验中遇到的困难和不便，增加学生实验过程中更多良好的体验。

(4) 开放性实验的量与度。开放性实验能提高学生实验学习的自主性，培养学生的创新精神和开拓精神[12]，但在实验课中给学生自主、开放性任务的量如何把控，有教研组将遗传学实验课程按内容分模块，每个模块都设开放性、设计性实验项目，并对学生全天候开放，这些开放性实验在锻炼学生的自主学习和科学探索方面确实发挥了很大作用[15]。但在大多数学校开设的遗传学实验或其他课程中，师资、空间等条件有一定的局限性[10,16]。要在有限的课时和空间内容完成教学任务，在一门课中采用开放式实验教学方法的实验项目不宜过多，因为开放式实验教学方法要求学生花费大量的课外时间来准备实验设计，进行实验操作，及制作汇报的PPT。而且集体汇报讨论的方式占用时间较多，学生容易产生疲劳而影响讨论的效果。本次课程有个别同学就认为占用课外时间过多。在整个实验课中，可将1～2个实验项目采用开放式实验教学方法，其余的验证性实验可采用让学生提前做预习报告等方法，促使学生提前学习，提高实验教学的效果。

(5) 采用灵活多变的讨论方式。因为实验课时限制，采用集体汇报讨论的方式效果往往不好，集体的气氛下还会使一部分的学生发言积极性受到影响。因此对学生准备的实验方案也可以采用老师或助教参与小组讨论的方式来帮助学生完善实验方案，并顺利进校实验。这就要求教学小组的老师和助教花费更多的时间。另外实验的总结也可以用最终书面实验报告的形式，减少学生制作PPT时间，将主要精力用于实验报告的准备，使实验报告的质量更高。

5 结 语

果蝇杂交实验项目应用开放式实验教学模式对传统的验证性实验教学模式进行了改革，从教学研究的结果看，取得了一定的效果。① 在两个班级前测成绩相差不大，甚至是实验班稍差的情况下，让学生自行制定实验方案并通过充分的讨论，提高了同学对实验过程与节点的把握，以及独立完成较复杂实验的能力，为顺利完成实验提供了基础。② 通过开放式实验教学方法，无论是让学生自行制定实验方案或者是通过总结、汇报讨论的方式等，都激发了学生的深度学习，加强了理论学习和理论应用的能力，体现在后测成绩明显提高、学习的体验较好。③ 学生更加熟悉整个实验的过程，并通过将总结的结果进行汇报、讨论，增加了学生收集实验数据、分析实验结果的能力，体现在实验报告的质量有所提高。

因此开放式实验教学方法是可能克服传统验证性实验教学方式弊端的方法之一。