虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂綜合教學(xué)模式在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王天曉 成敏 韓陽(yáng)陽(yáng)

摘? 要 生物化學(xué)是生物學(xué)專業(yè)學(xué)生重要的基礎(chǔ)必修課，作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)性課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)至關(guān)重要。傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在許多不足之處，極大地削弱了生化實(shí)驗(yàn)對(duì)理論課程的支撐作用。鑒于此，嘗試在傳統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上引入“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，并系統(tǒng)總結(jié)分析此教學(xué)模式在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)及進(jìn)一步改進(jìn)措施，旨在為切實(shí)提高生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 生物化學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）24-0128-04

Application of Virtual Simulation + Flipped Classroom Mode in Teaching of Biochemistry Experiment//WANG Tianxiao， CHENG Min， HAN Yangyang

Abstract Biochemistry is an important basic course for students ma-joring in biology， and as an experimental subject， the method of ex-perimental teaching is very important. However， at present， there?are many deficiencies in traditional teaching methods of biochemis-try experiment， which greatly weaken the supporting role of bioche-mistry experiment to the theory. Based on these， the new teaching mode of virtual simulation + flipped classroom was implemented on?the basis of the traditional biochemistry experiment teaching， in order to complement the deficiencies of the traditional teaching methods. Besides， the advantages and disadvantages were summarized and analyzed in order to provide supporting of this new teaching mode.

Key words biochemistry; experiment teaching; virtual simulation; flipped classroom

1 前言

生物化學(xué)（Biochemistry）是研究有機(jī)生命體的生物大分子化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、功能和代謝變化的科學(xué)[1]。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門(mén)依托生物化學(xué)并涉及細(xì)胞生物學(xué)、化學(xué)、分子生物學(xué)等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課，其作用除了幫助學(xué)生深入理解生物化學(xué)的理論知識(shí)，掌握基本實(shí)驗(yàn)操作以外，更重要的在于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維[2]，以培養(yǎng)合格的生物學(xué)專業(yè)學(xué)生。

然而，目前大部分學(xué)校生物專業(yè)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即：開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作步驟及相應(yīng)注意事項(xiàng);然后，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告;最后，教師批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告并查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)這種教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)課堂一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但是近些年來(lái)隨著生物化學(xué)相關(guān)的新實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的出現(xiàn)，以及新的教學(xué)理念和教學(xué)方法的不斷提出和更新，促使教師對(duì)傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)合格學(xué)生。本文基于翻轉(zhuǎn)課堂核心理念，結(jié)合虛擬仿真教學(xué)模式，對(duì)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行初步探索。

2 傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，教學(xué)設(shè)備不足? 隨著生物學(xué)科的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新方法層出不窮。結(jié)合實(shí)際，濰坊醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在一定程度上落后于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)陳舊，多偏向于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法較好地引起學(xué)生的興趣[3]。與其他實(shí)驗(yàn)課程如細(xì)胞生物學(xué)、藥學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，現(xiàn)有生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法保證每個(gè)學(xué)生都能動(dòng)手操作，有些實(shí)驗(yàn)儀器的操作需要排隊(duì)進(jìn)行。如“血清γ-球蛋白的分離純化”實(shí)驗(yàn)中的離心機(jī)、“堿性磷酸酶的Km值測(cè)定”中的紫外分光光度計(jì)，都需要學(xué)生分組或排隊(duì)使用，這就導(dǎo)致一些學(xué)生實(shí)驗(yàn)課上積極性不高，無(wú)法較好掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及操作過(guò)程[4]。而另外一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如“RNA的提取及逆轉(zhuǎn)錄”“熒光定量PCR檢測(cè)目的基因的表達(dá)”等，由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象或中間產(chǎn)物的微量且不可視，使學(xué)生無(wú)法直觀地看到實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及結(jié)果，不利于學(xué)生對(duì)生物化學(xué)理論知識(shí)的理解和鞏固。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和考核方式單一? 傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師占主導(dǎo)地位，學(xué)生按照教師給出的實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地操作，知其然不知其所以然，不去深入思考，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題不知如何分析解決，實(shí)驗(yàn)結(jié)果超出預(yù)期也不知該如何解釋，提出問(wèn)題更是無(wú)從說(shuō)起，這些都必然不利于本科生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。在考核方式上，盡管很多高校已經(jīng)做出改進(jìn)，但很多地方院校仍然以實(shí)驗(yàn)報(bào)告+課堂表現(xiàn)+實(shí)驗(yàn)結(jié)果這種傳統(tǒng)考核方式為主。這種考核方式存在一定的局限性：首先，由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告是在課余時(shí)間完成的，教師無(wú)法單純從實(shí)驗(yàn)報(bào)告上判斷學(xué)生是否真正理解并且掌握了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程;其次，前述部分實(shí)驗(yàn)儀器的缺乏導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法全部動(dòng)手操作，使課堂上一些學(xué)生并不積極，課堂表現(xiàn)不佳。

實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作學(xué)生參與度不高? 在傳統(tǒng)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作多是由實(shí)驗(yàn)室專業(yè)教師完成，比如試劑配置、藥品分裝、實(shí)驗(yàn)耗材準(zhǔn)備、儀器調(diào)試等，這在一定程度上提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，但是也有一些不足之處。例如：學(xué)生只負(fù)責(zé)在課堂上直接使用教師配置好的各種實(shí)驗(yàn)相關(guān)試劑，并不清楚試劑是如何配置的，配置過(guò)程中需要注意些什么，這使得他們對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程一知半解，多限于紙上談兵，在脫離了教師的前期準(zhǔn)備工作之后無(wú)法真正獨(dú)立地進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作，很難完全掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)。

3 “虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的興趣和參與度，結(jié)合學(xué)校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和模式的更新，并引入基于小組合作的“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，取得良好效果。

虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂簡(jiǎn)介? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果[5]。翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）也被稱為顛倒課堂（Inverted Classroom），最初起源于美國(guó)，自2011年起逐漸在美國(guó)學(xué)校流行起來(lái)[6]。所謂翻轉(zhuǎn)課堂，是指通過(guò)顛倒知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化，改變傳統(tǒng)教學(xué)中的師生角色并對(duì)課堂時(shí)間的使用進(jìn)行重新規(guī)劃的新型教學(xué)模式[7]。依托學(xué)校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1），在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入生物化學(xué)“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

整個(gè)“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)過(guò)程由三部分組成：虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)+學(xué)生小組討論/制作PPT+翻轉(zhuǎn)課堂。實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施依賴于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和教師的監(jiān)督檢測(cè)。在自主學(xué)習(xí)階段，學(xué)生首先需要在課余時(shí)間用學(xué)號(hào)登錄學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，按照目錄引導(dǎo)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，序號(hào)的唯一性則確保教師能在教師端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度;接下來(lái)以提前分好的小組為單位，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程討論，交流實(shí)驗(yàn)心得及互相解答實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的疑問(wèn)，并且小組成員合作制作PPT;最后以小組為單位在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行匯報(bào)。教師以隨機(jī)提問(wèn)的方式來(lái)考查學(xué)生實(shí)際掌握情況并打分，另外需要批改學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并打分（圖2）。整個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的組成包括：虛擬在線學(xué)習(xí)+PPT制作+課堂表現(xiàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告。每個(gè)環(huán)節(jié)銜接互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)舉例? 考慮到初步實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)及教學(xué)進(jìn)度安排，嘗試在2019—2020第一學(xué)期共八個(gè)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。以“TaqMan探針?lè)ɑ蚍中汀睘槔▓D3）：學(xué)生首先利用課余時(shí)間用學(xué)號(hào)登錄學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，按照引導(dǎo)目錄了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?zhǔn)備相關(guān)試劑，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行結(jié)果分析（虛擬仿真）;接下來(lái)以提前分好的小組為單位（4～5人為一組）進(jìn)行分工合作，搜集相關(guān)背景資料，思考及解答實(shí)驗(yàn)過(guò)程問(wèn)題、制作PPT并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告;最后在實(shí)驗(yàn)課上按照分組進(jìn)行匯報(bào)，負(fù)責(zé)解答全班同學(xué)及教師的提問(wèn)（翻轉(zhuǎn)課堂）。

“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施效果分析? 由于是初次實(shí)施“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在結(jié)束后對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行調(diào)研。其中，有90%的學(xué)生都認(rèn)為與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，新的教學(xué)模式能夠更好地調(diào)動(dòng)大家的積極性，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，鍛煉大家主動(dòng)分析并解決問(wèn)題的能力，并有助于大家對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的整體掌握;有10%的學(xué)生認(rèn)為新的教學(xué)模式占用了較多的課余時(shí)間，增加了學(xué)習(xí)難度。

4 開(kāi)展“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考

在開(kāi)展“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索中，要注意把握“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不需，以虛促實(shí)”的基本原則，妥善設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使傳統(tǒng)教學(xué)和新教學(xué)模式之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，切實(shí)提高教學(xué)水平。

虛擬仿真和翻轉(zhuǎn)課堂的聯(lián)合應(yīng)用，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，能在極大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有安全、開(kāi)發(fā)、可視、共享的特點(diǎn)，能夠在很大程度上緩解生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的不足，同時(shí)便于將一些難度大、要求高、耗時(shí)長(zhǎng)、危險(xiǎn)系數(shù)高的實(shí)驗(yàn)，以及一些與科技前沿密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及時(shí)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[8]。翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的填鴨式教學(xué)，化被動(dòng)獲取知識(shí)為主動(dòng)獲取，鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生獲取知識(shí)的積極性[9]。

此外，在“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，每個(gè)學(xué)生均需用自己的學(xué)號(hào)登錄網(wǎng)站，觀看實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)記錄每個(gè)學(xué)生觀看視頻的情況，幫助教師督促整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行。與傳統(tǒng)考核方式相比，在新教學(xué)模式的考核方式中增加了學(xué)生互評(píng)的分?jǐn)?shù)，這一考核方式的增加使得學(xué)生更加端正學(xué)習(xí)態(tài)度，認(rèn)真對(duì)待。同時(shí)，教師在課堂上的提問(wèn)及小組學(xué)生的回答能夠很好地檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，幫助教師判斷學(xué)生對(duì)這一綜合實(shí)驗(yàn)的掌握情況，有的放矢地對(duì)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的強(qiáng)調(diào)和解答。

5 結(jié)語(yǔ)

“虛擬仿真+翻轉(zhuǎn)課堂”綜合教學(xué)模式聚焦于目前由于種種原因較難在傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，一定程度上緩解了生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，鍛煉了學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的能力，也有助于鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作、溝通交流能力，為培養(yǎng)合格的生物學(xué)畢業(yè)生奠定了基礎(chǔ)。

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