生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)與實(shí)踐*

尹燕霞 駱 靜 楊 冬 向本瓊

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

生物化學(xué)與分子生物學(xué)是生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科的重要基礎(chǔ)學(xué)科。生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是高校生物學(xué)類專業(yè)核心課程，是生物化學(xué)與分子生物學(xué)等理論教學(xué)的延伸與補(bǔ)充，也是掌握生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究技術(shù)與方法的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是訓(xùn)練學(xué)生基本技能、提高動手實(shí)踐能力、培養(yǎng)科研思維和科學(xué)素養(yǎng)的必修實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)改革在生物學(xué)類相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中起到非常重要的作用，也是更新教育觀念、積極推進(jìn)創(chuàng)新教育、努力探索培養(yǎng)創(chuàng)新人才的模式和途徑之一［1］。

1 課程基礎(chǔ)與歷史沿革

生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院具有悠久歷史和成效顯著的生物學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課程。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程曾獲國家理科基地名牌課程、國家級精品課和精品資源共享課，其配套教材《分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》先后入選國家“十一五”“十二五” 規(guī)劃教材及北京市高等學(xué)校精品教材，并出版了新型態(tài)教材《分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)字課程》。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程曾獲校級精品課程，其配套教材《基礎(chǔ)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)》入選國家“十一五”規(guī)劃教材。

為適應(yīng)生物科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將這2 門課程進(jìn)行整合與調(diào)整，建設(shè)了“生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”，對已有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行提升和拓展，搭建新的課程體系，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜科學(xué)問題的綜合能力與素質(zhì)，滿足國家創(chuàng)新型人才建設(shè)及學(xué)科交叉融合的需求，為國家和社會發(fā)展培養(yǎng)更加杰出的拔尖人才，建設(shè)國家級一流本科課程，踐行學(xué)?！半p一流”建設(shè)的歷史使命。

2 課程體系與教學(xué)內(nèi)容

建成的“生物化學(xué)與分子生物綜合實(shí)驗(yàn)”是集技能訓(xùn)練與創(chuàng)新能力培養(yǎng)于一體的綜合型實(shí)驗(yàn)課程，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰翱蒲兴季S，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)、科研的思路解決復(fù)雜問題。課程以基因和蛋白為主線將目前最基本的分子實(shí)驗(yàn)操作和蛋白研究技術(shù)融于系列實(shí)驗(yàn)中，形成綜合與設(shè)計型大實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)涵蓋了基因克隆與表達(dá)、蛋白的分離純化、酶學(xué)研究及蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)變化檢測和免疫分析技術(shù)，同時緊隨學(xué)科發(fā)展不斷更新與補(bǔ)充新技術(shù)。課程內(nèi)容包括基礎(chǔ)訓(xùn)練、目的基因克隆、篩選和表達(dá)、酶的分離純化及酶學(xué)特性研究、腹水抗體制備及其效價檢測、分子篩層析分離標(biāo)準(zhǔn)蛋白、植物總RNA 的提取及RT-PCR、綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)，以及其他延伸學(xué)習(xí)內(nèi)容等（圖1）。

在課程教學(xué)中，筆者運(yùn)用研究型實(shí)驗(yàn)思路、混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，以E.coli堿性磷酸酶工程菌的構(gòu)建、表達(dá)、純化、酶學(xué)研究及其多克隆抗體制備與檢測為主線，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中系統(tǒng)地完成各個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。學(xué)生先提取基因組或質(zhì)粒DNA，以此作為PCR 擴(kuò)增的模板，從PCR 出發(fā)完成E.coli堿性磷酸酶基因的擴(kuò)增、酶切連接、篩選，轉(zhuǎn)化表達(dá)菌株，進(jìn)行表達(dá)并在菌體勻漿液中進(jìn)行酶活力的初步測定，篩選得到有活性的表達(dá)菌株后進(jìn)行堿性磷酸酶的擴(kuò)增表達(dá)和分離純化，并利用其純化獲得的產(chǎn)物對該酶的生化特性、酶促動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，同時利用純化得到的蛋白免疫小鼠，制備該酶的多克隆抗體。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比，綜合實(shí)驗(yàn)使學(xué)生更好地掌握生物化學(xué)和分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)技能，鍛煉其在科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)操作中解決復(fù)雜問題的能力，提升科研思維和實(shí)踐能力。

圖1 課程體系與教學(xué)內(nèi)容

3 基于SPOC 的線上、線下混合式教學(xué)模式

為適應(yīng)時代發(fā)展，貫徹執(zhí)行教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見，推進(jìn)課程改革創(chuàng)新，實(shí)施科學(xué)課程評價，建設(shè)國家級線上、線下混合式一流課程，筆者實(shí)施構(gòu)建了基于SPOC 的線上、線下混合式教學(xué)方法的改革探索，開展以學(xué)生為中心的個性化教學(xué)和翻轉(zhuǎn)式教學(xué)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量?；赟POC 的混合式教學(xué)模式，即采取以SPOC 視頻為主的線上教學(xué)活動與以翻轉(zhuǎn)課堂為主的線下教學(xué)活動相結(jié)合的教學(xué)模式［2］，包括課程資源建設(shè)、線上教學(xué)、線下教學(xué)、課程成績評定等部分。

3.1 SPOC 資源建設(shè) 為更好地實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)及方便學(xué)生學(xué)習(xí)，筆者在2018年已經(jīng)完成了綜合實(shí)驗(yàn)課程全部內(nèi)容的授課和實(shí)驗(yàn)操作視頻錄制，覆蓋實(shí)驗(yàn)課程的所有核心知識點(diǎn)，并按翻轉(zhuǎn)課堂的要求對知識點(diǎn)進(jìn)行分割、制作，將全部課程內(nèi)容碎片化為近200 個視頻，每個視頻5～20 min，建設(shè)了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)MOOC 和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)MOOC，并在中國大學(xué)MOOC 平臺（https://www.icourse163.org/）進(jìn)行開課，面向社會開放。同時基于MOOC 的專屬在線課程SPOC（https://www.icourse163.org/spoc/learn/BNU－1205827829#/learn/content）在學(xué)校云平臺面向北京師范大學(xué)生物學(xué)專業(yè)本科生開放，基于建設(shè)的SPOC 進(jìn)行混合式教學(xué)。SPOC 線上模塊包括課程公告、課程資源（教學(xué)課件、教學(xué)視頻、單元測驗(yàn)與作業(yè)、考試等），課堂討論包括課堂交流區(qū)、教師答疑區(qū)、綜合討論區(qū)等。SPOC 線上資源按課程體系與教學(xué)內(nèi)容劃分為17 個單元，包括所有線下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和延伸學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、測驗(yàn)題、單元作業(yè)、討論題等，其中每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目又包括涉及實(shí)驗(yàn)背景與實(shí)驗(yàn)設(shè)計等理論知識的教師講授、以微距近景拍攝方式錄制的全程實(shí)驗(yàn)操作和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作等3 個部分。線上內(nèi)容與線下17 周教學(xué)實(shí)驗(yàn)遙相呼應(yīng)。

3.2 線上教學(xué) 學(xué)生注冊登陸后，根據(jù)教師發(fā)布的教學(xué)計劃和學(xué)習(xí)安排表，在下一次實(shí)驗(yàn)課之前，進(jìn)行線上SPOC 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，自行選擇時間和地點(diǎn)上網(wǎng)登錄觀看視頻，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作、在討論區(qū)參與討論、對難以理解的內(nèi)容進(jìn)行提問、限時完成單元測試及作業(yè)，并閱讀相關(guān)文獻(xiàn)等。同時教師和學(xué)生之間通過SPOC 論壇展開教學(xué)交流，引導(dǎo)學(xué)生思考討論。

3.3 線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.3.1 課程組織實(shí)施情況 線下教學(xué)方式以翻轉(zhuǎn)課堂為主，從2018年連續(xù)2年進(jìn)行了綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐。在教學(xué)中，充分利用啟發(fā)式和探究式教學(xué)方法，課前引導(dǎo)學(xué)生線上學(xué)習(xí)時發(fā)現(xiàn)問題和思考問題，課堂上采用討論、演講等形式進(jìn)一步鞏固專業(yè)知識、實(shí)驗(yàn)技能和操作規(guī)范。線下完成實(shí)體實(shí)驗(yàn)，學(xué)生上手更快，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的吸引力和有效度。同時通過增加實(shí)驗(yàn)的探索性，設(shè)置專題研討和實(shí)驗(yàn)設(shè)計等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，獨(dú)立設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，激發(fā)其探索生命科學(xué)的興趣，體驗(yàn)科學(xué)研究帶來的樂趣與成就感，增強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)科研思維及解決復(fù)雜問題的能力；解決了學(xué)科與技術(shù)發(fā)展所導(dǎo)致的知識增加與學(xué)時縮短之間的矛盾，滿足了學(xué)生主動求知與個性化發(fā)展的需求，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和課程教學(xué)質(zhì)量。

線下課堂以學(xué)生為中心，教師采用多種教學(xué)方法組織教學(xué)：①分成若干2～3 人小組協(xié)助完成實(shí)驗(yàn)操作、撰寫科研論文式的實(shí)驗(yàn)報告和課題申報式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，且要求每份實(shí)驗(yàn)報告和實(shí)驗(yàn)設(shè)計均具有獨(dú)特性；②在關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，設(shè)置多次全體學(xué)生參與的專題研討，針對整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計、研究理念、科研誠信等大方向，以及引物設(shè)計、實(shí)驗(yàn)誤差分析等研究細(xì)節(jié)，在教師引導(dǎo)下進(jìn)行深入討論；③其他形式：例如文獻(xiàn)研讀、口頭匯報等。

3.3.2 豐富的儀器培訓(xùn)與虛擬仿真技術(shù) 該實(shí)驗(yàn)課程涉及大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作，會用到各種專業(yè)儀器設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范使用儀器是實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行的前提。鑒于此，一方面，筆者制作了系列儀器設(shè)備相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，介紹操作過程；另一方面，在教學(xué)第1 周，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全教育和儀器設(shè)備培訓(xùn)考核。由實(shí)驗(yàn)教師現(xiàn)場示范操作。學(xué)生通過考核才能進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。3.3.3 多樣化的實(shí)驗(yàn)方法 為拓展學(xué)生知識面和科研視野，實(shí)驗(yàn)課堂中引入了多種實(shí)驗(yàn)方法，例如提取質(zhì)粒時選用化學(xué)試劑法破碎細(xì)胞，分離純化蛋白時采用超聲波法破碎細(xì)胞，提取基因組DNA 時采用玻璃勻漿器研磨破碎細(xì)胞；提取質(zhì)粒時，同時采用了經(jīng)典的堿裂解法和科研中常用的試劑盒法2 種方法。此外，瓊脂糖凝膠電泳和PCR 技術(shù)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也成為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充［3－4］。

3.4 課程成績評定方式 為了體現(xiàn)基于SPOC的混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的教學(xué)效果，課程成績評定方式由線上和線下2 個部分構(gòu)成。采用過程性評價，既考查實(shí)驗(yàn)操作過程，又突出主動學(xué)習(xí)過程。一是考核學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況，包括在線學(xué)習(xí)時間、觀看視頻和文檔、討論區(qū)的討論發(fā)言（發(fā)帖數(shù)量和質(zhì)量、回答他人問題等）、單元測驗(yàn)、作業(yè)、期末測試、討論等來評價學(xué)生線上的學(xué)習(xí)效果，占實(shí)驗(yàn)總成績的25%；二是考核學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況，包括實(shí)驗(yàn)報告、實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)技能與習(xí)慣、動手操作能力、解決實(shí)際問題的能力，占實(shí)驗(yàn)總成績的75%（表1）。

表1 混合式教學(xué)模式課程成績評價體系

4 教學(xué)評價與反思

目前，生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)已運(yùn)行3年，得到了學(xué)生的高度認(rèn)可，學(xué)生普遍認(rèn)為該課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容非常好，本課程激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)了從事科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)技能和科研思維，提升了解決復(fù)雜問題的綜合能力。線上、線下混合式教學(xué)對教師提出了更高的要求。教師應(yīng)在教學(xué)實(shí)踐中積極探索SPOC教學(xué)規(guī)律，進(jìn)一步深化教育教學(xué)改革。

生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程結(jié)構(gòu)與實(shí)際的科研過程較接近，利于學(xué)生應(yīng)用于未來的科研實(shí)踐中。課程強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生的主動性和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新科研思維，利于培養(yǎng)科學(xué)研究或技術(shù)開發(fā)人才。課程的結(jié)構(gòu)具有一定的彈性，即對學(xué)生有一定的“個性化”特色，不同的學(xué)生可根據(jù)其能力獲得有所差異的體驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)“因材施教”的效果。筆者將不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，打造國家級線上、線下混合式一流課程。