關(guān)于生物工程專業(yè)實驗體系中PBL教學(xué)模式的探索與實踐

吳瓊英　賈俊強　錢平　季更生　王娜

[摘 要] PBL教學(xué)是一種以問題為中心、學(xué)生為主體的教學(xué)模式。本文在介紹PBL教學(xué)特點的基礎(chǔ)上，提出了在生物工程專業(yè)實驗課程體系中運用PBL教學(xué)模式。本文介紹了PBL教學(xué)模式在生物工程實驗課程體系中的組織實施方法，闡述了PBL教學(xué)模式對生物工程專業(yè)實驗課程教學(xué)的意義，指出了生物工程實驗PBL教學(xué)中存在的問題，并提出了解決方法。

[關(guān)鍵詞] PBL；教學(xué)模式；生物工程；實驗課程

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1008-2549（2017） 04-0110-03

生物工程是以微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機械和信息等工程技術(shù)對遺傳物質(zhì)進行操縱，改變生物的性狀，使生物產(chǎn)生對人類有益的代謝產(chǎn)物的一門技術(shù)，主要包括基因工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程以及細(xì)胞工程，是一門應(yīng)用性強的學(xué)科。本校生物工程專業(yè)要求學(xué)生通過大學(xué)四年培養(yǎng)后，具有扎實的生物學(xué)與工程學(xué)方面的理論基礎(chǔ)、具備從事生物工程產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理、新技術(shù)研究和新產(chǎn)品開發(fā)等方面工作，具有較強實踐能力和創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才。依據(jù)生物工程學(xué)科的特點及其本科專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力是各高等院校的核心競爭力和立足之本。實驗教學(xué)作為本科教學(xué)的重要組成部分，不僅是培養(yǎng)學(xué)生實踐技能的重要手段，也是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和創(chuàng)新能力的重要途徑。一直以來，生物工程專業(yè)實驗教學(xué)主要采用以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，一般由教師事先準(zhǔn)備好實驗所需的試劑和材料，然后學(xué)生依據(jù)相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書進行實驗操作，且實驗內(nèi)容設(shè)置大都屬于驗證性、演示性或綜合性實驗，這阻礙了學(xué)生分析問題、解決問題以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，對生物工程的專業(yè)實驗課教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等進行改革勢在必行。本文針對目前生物工程專業(yè)實驗課程教學(xué)的現(xiàn)狀，將PBL（problem-based learning）教學(xué)模式引入到生物工程實驗課程體系的教學(xué)實踐當(dāng)中，以江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院為例，探索了PBL教學(xué)模式在生物工程專業(yè)部分實驗課程（包括普通生物學(xué)、生物化學(xué)、生物反應(yīng)工程和生物分離工程）教學(xué)實踐中的組織方式、效果評價和教學(xué)意義，并指出了亟待解決的問題。

一 PBL教學(xué)模式簡介

PBL教學(xué)是由神經(jīng)病學(xué)教授Howard Barrows提出的教學(xué)方法，最初在加拿大麥克瑪斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)院首先試行，取得了良好的教學(xué)效果。PBL教學(xué)提倡教師主導(dǎo)，學(xué)生積極參與，共同完成課程教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)實踐中，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，將學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)置到有意義的問題情境中，學(xué)生圍繞問題展開主動學(xué)習(xí)，通過查資料、討論、歸納、論證等學(xué)習(xí)過程解決問題，從而實現(xiàn)理解和掌握課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容。PBL教學(xué)的優(yōu)點在于能夠最大限度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、分析問題能力以及解決問題能力。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，PBL教學(xué)具有問題基礎(chǔ)性、團隊協(xié)作性、時空開放性、知識探索性、師生互動性等特征。

按照PBL教學(xué)實踐，通常PBL教學(xué)環(huán)節(jié)大致可以包括：劃分學(xué)習(xí)小組；教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出問題；學(xué)生歸納所需解決的問題；學(xué)生收集資料；教師與學(xué)生討論；提供反饋信息；解決問題；產(chǎn)生新的問題；重復(fù)上述教學(xué)過程，直到完全掌握教學(xué)內(nèi)容，其教學(xué)流程如圖所示。

二 生物工程專業(yè)實驗課程體系中PBL教學(xué)的組織實施

（一）立足本課程內(nèi)容，設(shè)立綜合性問題情景

針對教學(xué)內(nèi)容設(shè)立綜合性問題情景是PBL教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定著教學(xué)效果。因此，在設(shè)立問題情景時應(yīng)遵循以下原則：

1 問題的層次性

問題設(shè)計一定要有層次，難易結(jié)合，要有一定的梯度性，使學(xué)生在解決問題過程中既能感受到成就感，也能感受到挑戰(zhàn)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和探索欲。

2 問題的真實性

問題設(shè)計應(yīng)遵循實事求是原則，不能虛擬，應(yīng)與生活實際相關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識分析和解決實際問題的能力。

3 問題答案的多樣性

問題的解決方法應(yīng)具有多種形式，無固定的解決方法和過程，這既能提高學(xué)生思維的靈活性，又能培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力；同時，問題答案的多樣性也決定了學(xué)生在解決問題時會涉及到諸多知識內(nèi)容，促使學(xué)生牢固掌握相關(guān)專業(yè)知識。

例如，在“分離純化一種蛋白酶”的設(shè)計性實驗中，教師對幾種常用蛋白酶進行簡單介紹，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣選擇一種蛋白酶為目標(biāo)物質(zhì)并以此進行相應(yīng)分組，然后教師針對每組分別進行實驗設(shè)計引導(dǎo)。以木瓜蛋白酶為例，提出系列問題：“木瓜蛋白酶有何用途？”，“木瓜蛋白酶有何特征？”，“蛋白酶粗提的方法有那些？”，“為什么要在分離過程中實時測定比活力？”，“蛋白酶純化有哪些方法？”。學(xué)生通過解決上述系列問題，可以順利制定出適宜木瓜蛋白酶的分離與純化方法，最后組織學(xué)生通過實驗對方案進行驗證和調(diào)整。這些問題中，內(nèi)容涉及生物化學(xué)、生物分離工程、酶工程和生物統(tǒng)計學(xué)。學(xué)生需要掌握蛋白酶的基礎(chǔ)知識的同時，還能分辨出各分離純化技術(shù)存在的優(yōu)缺點，同時掌握相關(guān)實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理方法。在教師的引導(dǎo)下，制定出適宜的木瓜蛋白酶的分離純化方法。通過此問題式教學(xué)，提高了學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

（二）學(xué)生分組及收集資料

學(xué)生自愿分組，每組5至6人，然后依據(jù)教師給出的問題查閱相關(guān)資料，學(xué)生通過理解和掌握教材上的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，并利用網(wǎng)絡(luò)信息資源查閱有關(guān)的文獻(xiàn)資料，尋找涉及到問題的相關(guān)信息，并將其提取出來，用于解決問題。通過這一階段訓(xùn)練，提高了學(xué)生運用信息工具獲取信息、處理信息以及表達(dá)信息的能力。

（三）問題的推理與討論

問題的推理與討論是PBL教學(xué)法的重要環(huán)節(jié)，由教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題將所收集的各種資料進行交流和討論，在交流討論中產(chǎn)生的新問題經(jīng)進一步查找資料、交流與討論，歸納出解決問題的辦法，為下一步實驗驗證和調(diào)整作準(zhǔn)備。

以上述“木瓜蛋白酶的分離與純化實驗”為例，通過討論問題“木瓜蛋白酶有何用途？”，可以使學(xué)生了解木瓜蛋白酶在食品、醫(yī)藥、飼料、日化、皮革及紡織等行業(yè)中具有重要作用的知識背景，可激發(fā)學(xué)生對木瓜蛋白酶的興趣，增強他們的學(xué)習(xí)動力；問題“木瓜蛋白酶有何特征？”的信息量非常大，如：木瓜蛋白酶的適宜pH決定了緩沖液的種類，木瓜蛋白酶的適宜溫度決定了提取過程中環(huán)境溫度，木瓜蛋白酶的分子量決定了純化時采用的分子篩類型；問題“蛋白酶粗提的方法有那些？”可以給出木瓜蛋白酶提取的基本流程；問題“為什么要在分離過程中實時測定比活力？”可以給出評價木瓜蛋白酶分離純化時所用方法的優(yōu)劣；問題“蛋白酶純化有哪些方法？”可以給出適宜木瓜蛋白酶分離純化的方法。總之，通過上述問題的推理與討論，基本上可以制定出木瓜蛋白酶的分離與純化的實驗方案。

（四）實驗環(huán)節(jié)

根據(jù)各學(xué)習(xí)小組在教師引導(dǎo)下設(shè)計的實驗方案，利用實驗驗證設(shè)計方案的可行性。在實驗過程中存在的問題，各小組間可以相互幫助，共同解決問題。對不能解決的問題由教師引導(dǎo)解決。實驗結(jié)束后，小組成員將自己在實驗過程中遇到的問題以及討論結(jié)果匯總整理，并填寫實驗報告。教師應(yīng)在實驗結(jié)束后對教學(xué)實施情況進行總結(jié)，若實驗結(jié)果存在偏差時，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析其原因。并對采用不同分離純化手段分離同一種酶的不同組間進行分析、比較，加深學(xué)生對相關(guān)理論課程和實驗內(nèi)容的理解。

（五）教學(xué)評價

與傳統(tǒng)教學(xué)不同，PBL教學(xué)強調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團隊協(xié)作能力、分析問題和解決問題能力。因此，PBL教學(xué)評價應(yīng)有自身獨特的評價體系，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮 PBL 學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。在生物工程實驗PBL教學(xué)的課程成績評價體系中，采用學(xué)生自評、小組互評、教師評價相結(jié)合的形式，其中權(quán)重比例分配為15%、25%和60%。根據(jù)劉銀萍等報道的學(xué)生成績評價體系，本課題組建立了我校生物工程專業(yè)實驗課程PBL教學(xué)的實驗成績評價體系，如下表所示。

三 生物工程實驗課程PBL教學(xué)的意義

生物工程是一門強調(diào)應(yīng)用性的學(xué)科，要求培養(yǎng)的學(xué)生具有扎實的專業(yè)理論知識，同時具有很強的實驗動手能力和實際應(yīng)用能力。因此，實施PBL教學(xué)對生物工程人才培養(yǎng)顯得尤為重要。實驗成績評價統(tǒng)計結(jié)果表明，生物工程實驗課程中采用PBL教學(xué)取得了良好的實踐效果。

（一） 有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

學(xué)生可以自主選題并設(shè)計實驗方案，不僅增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，而且通過圍繞問題收集資料，可以提高學(xué)生檢索文獻(xiàn)和歸納資料的能力，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。同時大大提高了學(xué)生分析問題能力、口頭表達(dá)能力和實驗設(shè)計的能力。

（二） 有利于培養(yǎng)學(xué)生團隊精神和協(xié)作能力

以學(xué)習(xí)小組為單位進行學(xué)習(xí)和討論，共同完成整個實驗。學(xué)生依據(jù)自己的分工，在收集資料的基礎(chǔ)上提出自己對解決問題的看法，然后小組成員間相互討論、質(zhì)詢和辯證，最終小組內(nèi)部在教師的引導(dǎo)下提出解決問題的方案。通過上述教學(xué)互動過程，潛移默化培養(yǎng)了學(xué)生的團隊精神和協(xié)作能力。

（三） 有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力

PBL教學(xué)將學(xué)習(xí)內(nèi)容置于一個問題場景中，通過解決這些問題，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維和橫向思維能力，加強了學(xué)生靈活運用知識和理論聯(lián)系實際的能力，加深了學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生利用各類知識資源分析問題和解決問題的能力。

四 生物工程實驗課程PBL教學(xué)面臨的問題

第一，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，PBL教學(xué)需要教師和學(xué)生付出更多的時間。PBL教學(xué)通過提出問題、收集資料、討論與歸納、論證等學(xué)習(xí)過程來解決問題，整個教學(xué)時間的預(yù)設(shè)應(yīng)具有彈性，而傳統(tǒng)的學(xué)時制授課過于僵化，無法滿足PBL教學(xué)需要。因此，需要實施靈活的學(xué)時教學(xué)，為生物工程實驗PBL教學(xué)順利進行提供時間保障。

第二，PBL教學(xué)對教師的綜合素質(zhì)要求高，不僅要具有豐富的專業(yè)知識，同時也要有良好的指導(dǎo)技能。當(dāng)前大部分高校中，一門生物工程專業(yè)實驗課程通常僅由1至2位教師指導(dǎo)，若實施PBL教學(xué)時，往往增加了教師的教學(xué)壓力，同時也降低了PBL教學(xué)效果。因此，建立實驗課程教學(xué)團隊很有必要，實驗內(nèi)容由教學(xué)團隊成員依據(jù)教學(xué)大綱共同制定，共同授課，課程內(nèi)容的分工可由教師依據(jù)自身優(yōu)勢選定，通過教學(xué)團隊的協(xié)作能夠發(fā)揮各教師自身的優(yōu)勢，互相補充、取長補短，以提高PBL教學(xué)效果。

將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于生物工程實驗教學(xué)，具有傳統(tǒng)教學(xué)模式不可比擬的優(yōu)勢。學(xué)生經(jīng)歷了情景問題的引入、資料的收集、討論與歸納、論證等學(xué)習(xí)過程，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和團隊協(xié)作精神，而且增強了學(xué)生分析問題和解決問題的能力?？傊?，PBL教學(xué)能夠有效提高生物工程專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為生物學(xué)科的應(yīng)用型和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)提供了新的思路和方法。

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