基于智慧教學平臺生物化學課程的教學研究與實踐

柳姝，范文宏，張優(yōu)，王穎

（北京航空航天大學 空間與環(huán)境學院環(huán)境工程系，北京）

移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)背景下的教學改革，都在與現(xiàn)代教育技術手段緊密結合[1]。信息技術的飛速發(fā)展，在為教學改革提供了強大技術支持的同時，也為教育者靈活施教搭建了廣闊舞臺。過去被傳統(tǒng)教學理念所推崇但在實際教學過程中卻不易操作的一些教學形式和方法，諸如“因材施教”、“師生互動”、“翻轉課堂”、“自主學習”等等[2-6]，在基于網(wǎng)絡技術基礎上的雨課堂這類智慧教學工具面前不僅極大地改善了可操作性，而且在人才培養(yǎng)質量上正在發(fā)揮越來越顯著的作用[7-9]。本文作者基于雨課堂這一智慧教學平臺，結合生物化學課的教學需求和特點，嘗試采用了多維互動與數(shù)據(jù)驅動相結合的教學模式。所謂多維互動是指利用雨課堂手機課件推送、課堂習題應答系統(tǒng)、彈幕式課堂討論等功能，強化師生的教學互動；利用數(shù)據(jù)采集與分析功能量化學生的學習效果、評估教學過程調整教學策略，使教學由經(jīng)驗驅動轉向數(shù)據(jù)驅動。教學實踐表明，利用雨課堂這一智慧教學工具，多維互動與數(shù)據(jù)驅動相結合的教學模式的運用使生物化學課的教學過程在時間尺度上從課堂擴展到課前課后，在空間尺度上從教室拓展到宿舍等任何可以學習的地方，學習資源從教材拓展到線上線下多種媒體。該教學模式有利于“激發(fā)學生的學習興趣、提高學習效率、促進主動學習”；有利于從以教師為中心、以教材為中心的教學形式向以學生為中心的教學形式轉化。

一 課程教學面對的主要問題

（一） 對先修課的強大依賴

生物化學在環(huán)境工程專業(yè)的課程設置中是多門難學的基礎課的后續(xù)課，它的先修課包括了基礎化學、物理化學、有機化學、分析化學等課程。教學中首先要面對的是該課程對上述多門先修課的強大依賴，例如基礎化學中化學鍵的知識對于理解DNA和蛋白質結構非常重要；弱酸解離常數(shù)等知識是理解pH值對DNA雙螺旋結構的影響的基礎；速率方程，化學反應速率等基礎知識是理解米氏方程的基礎等等。

（二） 課程內容點多面廣

生物化學課程的總體內容分為三大塊。第一是靜態(tài)生物化學或者結構生物化學，重點是蛋白質、核酸、糖類、脂質和生物膜、酶和維生素的結構和功能。第二是動態(tài)生物學或者代謝生物化學，主要內容是分解和合成代謝，及物質代謝與能量代謝的關系。第三是機能生物化學或分子生物學，是狹義分子生物學的基本內容[10]。 總之，內容點多面廣是生物化學課的一大特點。

（三） 課程枯燥抽象抑制了學生興趣

作為一門內容相對枯燥抽象的課程，生物化學中的各種概念，以及所研究的物體分子結構與功能、物質代謝與調節(jié)以及遺傳信息傳遞的分子基礎與調控規(guī)律等等，都是無法觀察也很難用直觀形象的語言進行闡述的，教師在理論教學過程中也只能大多采用與現(xiàn)實問題有一定差距的“抽象”案例。由于教學內容枯燥抽象讓學生對這門課望而生畏，難學難考是環(huán)境專業(yè)學生對該課程的共識[11,12]。

二 多維互動與數(shù)據(jù)驅動相結合教學模式的運用

在生物化學課的教學中引入智慧教學平臺，探索多維互動與數(shù)據(jù)驅動相結合的教學模式就是嘗試利用雨課堂獨特的教學功能，破解教學中的困難和問題。這個教學模式的基本思想，就是借助雨課堂這個智慧教學平臺，把手機課件推送、課堂習題應答系統(tǒng)、彈幕式課堂討論等功能融入到備課、上課、作業(yè)等各個教學環(huán)節(jié)，有效利用這些功能所創(chuàng)建的師生互動平臺，對學生實施課程的導學、助學和評學；同時利用數(shù)據(jù)驅動功能調整教師各階段的教學策略、考核評估學生的學習狀況。教學模式的實施路線如圖1所示。

雨課堂這一智慧教學平臺為教學活動的開展提供了一個功能強大的工具箱，但是對于一門具體課程來說，需要使用哪些工具以及如何使用這些工具就要依據(jù)該課程的具體情況來定了，就是同一種工具對于不同的課程來說使用的程度和方法也應當是有區(qū)別的。生物化學課采用“多維互動與數(shù)據(jù)驅動相結合”的教學模式，就是充分考慮了該課程的特點，通過加強教學中的師生互動環(huán)節(jié)強化教師課程導學效果，激發(fā)學生對生物化學課的學習興趣和學習的主動性積極性；通過數(shù)據(jù)提供的信息支持，使教師隨時把握每個學生的學習動態(tài)，既便于因材施教又可以及時調整教師在教學各階段的教學策略。教學模式實施的過程中，主要把握了以下關鍵點。

（一） 保持教學互動的多維度

在生物化學的教學過程中，我們利用雨課堂智慧教學平臺設置的課堂習題應答系統(tǒng)、“手機課件”推送、“彈幕式”課堂討論等功能，多維度地開展師生間和生生間的教學互動。為了取得理想的互動效果，使教師在互動教學中發(fā)揮課程導學、助學、評學作用，以“產生教學共振”、提高教學效果，我們加強了教師的備課環(huán)節(jié)。一是依據(jù)教學內容精心設計互動問題，有意識地把互動問題集中在生物化學課的重點、難點、疑點問題上；二是按照生物化學的學科特點設計案例、選擇主題，按照課前預習，課上問答、課后復習，考前復習等不同時段設置不同的互動形式。

我們在生物化學課中突出教學互動環(huán)節(jié)是基于前面提到的教學面臨的幾個問題，所以激發(fā)學生主動參與互動的積極性尤為重要，所以互動教學強化教師的引導作用的同時，還要充分體現(xiàn)學生在互動教學中的主體地位，同時要使互動成為學生普遍參與的多邊互動，而不只局限于教師與個別優(yōu)秀學生之間的互動。

我們的體會是“雙向互動”能夠形成并取得預期的效果，需要教師和學生雙向發(fā)力，需要教師教學觀念的轉變和師生共同參與的主動性、積極性和創(chuàng)造性。同時，和諧平等的師生關系，是開展互動教學的基本前提和條件。

在雨課堂智慧教學平臺上所實現(xiàn)的教學互動，在實現(xiàn)的形式上已經(jīng)與傳統(tǒng)教學中所說的面對面的教學互動有了質的飛躍。

（1）采用“手機課件”推送功能帶來的教學互動

為了提高學生課前預習的效果和質量，我們會在每次課前利用手機推送“有聲音的PPT”給每位學生，也就是教師將制備好的PPT定時發(fā)送給授課班級的每個學生。在推送的PPT課件中一般包含了課前需要預習的知識點，有時里面還會插入一些精選的慕課視頻和思考題目，有時也在PPT中插入教師的語音講解。當學生們通過各自的手機點開PPT進行預習的瞬間，教師通過手機可以實時了解到有多少人進行了預習，甚至了解到每個學生各看了多少頁PPT，題目有多少人答對，有多少人答錯。學生可以利用報告功能，把他們預習中遇到的問題及時反饋給教師。教師根據(jù)學生的預習情況，一方面即時地對學生進行導學、答疑，另一方面，所獲得的信息也為有針對性地授課提供了依據(jù)?！笆謾C課件”推送功能所形成的教學互動，促成了學生帶著問題聽課，老師有目的性的授課，這對于提高學生聽課的注意力、提高學生對課程主動參與的意識，激發(fā)學生自主學習的積極性，提高學習效率，促使養(yǎng)成探索創(chuàng)新習慣都是大有益處的。

（2）“彈幕式”課堂討論帶來的教學互動

雨課堂智慧教學平臺設有“彈幕式”課堂討論功能。該功能具有如下優(yōu)勢：一是活躍了課堂氣氛，提高了學生聽課的興趣；二是匿名發(fā)送彈幕，讓一些比較內向的學生也積極參與到課堂討論中來；三是便于教師及時解答學生課上遇到的難點問題，也為師生互動生生互動搭建了平臺。我們在嘗試新教學模式的過程中，課上會全程打開彈幕功能，并有意識地引導生生互動，個人智慧被集體共享是生生互動的目的，同時也是調動學生學習的積極性的有效途徑，讓每個學生都有在學習上不甘落后的自覺性。“彈幕式”課堂討論功能的開啟，改變了教師講學生聽的課堂教學模式，彈幕功能的開啟不僅沒有影響到教師的授課節(jié)奏，相反由彈幕引發(fā)的師生互動生生互動，使學生在聽課過程中再不會出現(xiàn)那種因受阻于某個知識點而跟不上后面講授內容的情況，從而提高了學生的聽課質量和參與課堂討論的積極性[13,14]。

（二） 數(shù)據(jù)驅動的教學

雨課堂智慧教學平臺所具有的教學大數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析功能，所設置的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)如下表[1]。

表1 雨課堂智慧教學平臺的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)

利用雨課堂的數(shù)據(jù)采集功能，一方面教師可以通過學生的學習行為數(shù)據(jù)，精細地了解每個學生的學習狀態(tài)；另一方面通過這些數(shù)據(jù)整合分析，量化了解學生的學習效果，讓教師更好地評估自己的教學過程，調整自己的教學策略，使教學活動由“經(jīng)驗驅動”向“數(shù)據(jù)驅動”轉型。在生物化學教學過程中，我們充分利用采集的教學數(shù)據(jù)分析評估改進教學效果，改進教學方法，見圖2。例如很多授課方法和策略的調整就是依據(jù)“不懂”按鍵所獲得的數(shù)據(jù)做出的。

在課上教師講授的過程中，利用雨課堂智慧教學平臺同步推送的每頁PPT下方，都具有不懂和收藏的選項。當學生對教師講授的課程內容不明白時，可以點擊不懂選項，教師的手機端會馬上接收到這個信息。如果課上有學生在某頁PPT點了不懂，那么教師會依據(jù)點擊不懂的學生數(shù)，分析原因，確定解決方案。如果僅是個別學生的問題，那么通常會采取課后個別輔導答疑的方式；如果是多個學生的共性問題，那么就要考慮在下一次課中安排重新講解這部分知識或作為課堂討論的一個論題。我們在采用雨課堂對生物化學課進行教學實踐的兩個學期中，幾乎每次課都有學生在一些PPT下方點不懂。分析這些數(shù)據(jù)對我們精準把握學生的聽課狀況，處理好課程的重難點問題，有針對性地開展教學幫助很大。我們感到依據(jù)教學數(shù)據(jù)所作出的判斷，比憑借教學經(jīng)驗通過觀察學生上課時的反應、眼神、神態(tài)等作出的判斷更準確可靠。

下面呈現(xiàn)的就是某次課堂教學中原始教案和修改教案中的PPT對比，和講授方法的變化。

在介紹等電聚焦電泳時，有數(shù)位同學在PPT下方點了不懂按鍵。授課教師分析了原有的PPT中存在的不足，對內容重新進行了編排。假設我們有四種不同等電點的蛋白質混合溶液，分別標記為紅色藍色黃色綠色。我們將混合液放入凝膠中。由于它們帶有電荷，就會在電場中移動。在他們移動的過程中，不同的位置pH值不同，所以移動到不同的位置時，凈電荷也不同。當他們移動到特定的pI值的位置時，也就是凈電荷為0時，由于不再受到電場力的作用就會停下來。例如這個紅色的蛋白質，當在強酸性pH值時，它帶凈正電荷所以就會向右側陰極移動。同理當它位于pI值的右側時，就會向左側陽極移動。

另一個例子是介紹疏水作用，一些學生對于疏水作用為何符合熱力學第二定律沒有理解清楚，點了不懂。教師分析原因后重新制作了PPT，也對內容的講解變換了角度：假設水分子是我方士兵，而疏水分子是敵方士兵。非極性的敵方士兵“疏水分子”無法和我方士兵“水分子”之間形成氫鍵，因此它們的加入會破壞原有水體的3D氫鍵網(wǎng)絡結構。為了使這個破壞最小化，那么我方士兵“水分子”就會排列在敵方士兵非極性“疏水分子”的表面，形成一個水殼。顯然這些排列在非極性分子周圍的水分子的自由被限制了，所以這個狀態(tài)的熵和未投入非極性分子之前相比是減少的。我們知道熱力學第二定律告訴我們，熵值增加反應才能自發(fā)的發(fā)生，所以當多個非極性分子進入水中時，這些非極性分子就會相互團聚，減少表面積，從而減少形成水殼的水分子數(shù)量。也就是有更多的水分子重新回到水體，恢復了混亂的狀態(tài)。所以和上面這個情況相比，下面的情況熵值是增加的。因此我們說疏水作用是符合熱力學第二定律的。

雨課堂智慧平臺教學平臺課堂習題應答系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能，可以高效的收集學生對問題的回答，解放批改時間，也為師生即時反饋提供了可能[15]。另外對每個學生可以形成個性化的錯題本，優(yōu)秀學生主動遴選，危機學生提前預警。 同時，這種數(shù)據(jù)采集可以幫助我們了解學生對知識點的掌握情況。例如我們依據(jù)數(shù)據(jù)采集可以把課堂的習題分為兩類，一類是需要教師講解的習題，另一類是不需要講解的。如下圖所示，左側顯示的課堂習題共有19位學生作答，16位正確，說明該題目絕大多數(shù)人都可以掌握，不需要浪費時間去講解。做錯題的同學可能因為馬虎，即使沒學會也很容易通過學生之間的相互討論快速獲取相關的知識。右側顯示的則是屬于需要講解的題目，B是正確答案，但是選ABC三個選項的學生數(shù)量相似，說明該題目涉及的知識點學生并沒有弄清楚，這類題目就有必要在課堂上給予重點講解。

三 多維互動與數(shù)據(jù)驅動相結合教學模式的教學效果分析

兩個學年生物化學課的教學改革實踐得到學生的積極支持，不僅學生的到課率較高、聽課認真，而且課上積極參與教學互動，課堂氣氛活躍。多維互動與數(shù)據(jù)驅動的教學模式取得了預期的教學效果，兩屆學生考試成績的及格率、優(yōu)秀率都處于較高的水平。通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，兩屆學生考試成績的共同特點是，反映平時學習狀態(tài)的綜合成績與期末考試成績具有非常好的正相關性。

此外我們對兩個年度的生物化學班級的成績參數(shù)，包括預警學生獲得次數(shù)，優(yōu)秀學生獲得次數(shù)，彈幕發(fā)出次數(shù)，出勤率，平時成績及期末考試成績進行了主成分分析。結果如圖5所示。根據(jù)圖中結果我們可以看到不同分數(shù)段的學生的數(shù)據(jù)點彼此分開，95-100分數(shù)段的學生上課較為活躍（彈幕發(fā)出次數(shù)較多）且平時成績也很優(yōu)秀。平時成績和期末考試成績顯示出很強的相關性。出勤率對于期末考試成績的影響不是很大。

四 結語

以學生為中心，實現(xiàn)價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的教育，是教學改革的目標和方向。在信息技術的飛速發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術已經(jīng)普及的背景下，如何充分利用新時代的信息技術手段，將與之相適應的教學理念和方法推廣應用，已成為一項新的研究課題。雨課堂智慧教學平臺在生物化學課教學中的應用研究還屬摸索嘗試階段，我們將在后續(xù)教學實踐中對多維互動與數(shù)據(jù)驅動教學模式進一步改進完善，不斷提高課程教學效率和質量。