PBL聯(lián)合翻轉課堂教學法在醫(yī)學分子生物學實驗教學中的探索和應用

晏賢春，曹秀麗，卜 歆，韓 驊，梁 亮

(1.空軍軍醫(yī)大學 基礎醫(yī)學院 生物化學與分子生物學教研室，西安 710032；2.空軍軍醫(yī)大學 基礎醫(yī)學院 醫(yī)學遺傳與發(fā)育生物學教研室，西安 710032)

實驗教學是生物化學與分子生物學課程教學的重要組成部分，也是培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力的重要手段[1]。傳統(tǒng)實驗課教學傾向于簡單地講解實驗原理和步驟，側重于讓學生掌握實驗的技術方法，而忽視培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。孤立地開展每一個實驗，學生在學習完分子生物學實驗課程后仍然缺乏整合思維與能力，難以將所學實驗方法有機地整合[2-3]。此外，傳統(tǒng)實驗課教學缺少教師與學生間的深入交流和針對性指導，學生對實驗課程不夠重視、缺乏興趣，個別同學甚至隨意書寫實驗報告，嚴重影響了對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過對我校2018級生物技術專業(yè)本科生問卷調查發(fā)現(xiàn)，80%的學生并不滿足教師在實驗課中僅對實驗原理及步驟的簡單講解，更希望教師在課堂上能夠結合自身的科研經歷分享如何利用所學實驗方法有效解決實際科學問題。

基于問題學習(problem based learning，PBL)的教學模式在國內外得到廣泛應用，該方法以問題為導向引導學生以小組方式進行自主學習，有助于培養(yǎng)學生的整合思維能力、提高其綜合研究能力[4]。結合翻轉課堂(flipped classroom)教學法，讓學生在課前自主學習教師提供的學習資料，在課堂上通過展示、討論、評價等一系列教學活動，實現(xiàn)知識的內化，可有效地提高學生學習積極性和語言表達能力，有助于培養(yǎng)學生的批判精神[5]。已有研究表明：PBL結合翻轉課堂混合式教學模式能夠更好地激發(fā)學生從“要我學”變成“我要學”，進一步提高學生綜合分析和解決問題的能力[6-8]。然而，該混合式教學模式是否能夠較好地應用于醫(yī)學分子生物學實驗課教學仍不清楚。

本次面向我校2018級生物技術專業(yè)學生的分子生物學實驗，結合教師自身研究經歷，嘗試通過解決“Dll4胞外區(qū)重組蛋白是否能夠抑制內皮細胞血管形成能力”這一科學問題，將DNA提取、PCR、核酸電泳、連接和轉化、質粒提取、蛋白質提取和Western Blot等常規(guī)分子生物學實驗有機整合，并結合翻轉課堂實施教學，以探討該混合教學法在分子生物學實驗教學中的應用和具體效果。

1 分子生物學實驗課PBL結合翻轉課堂教學模式的設置及實施

本次分子生物學實驗課程通過讓學生用常用的分子生物學實驗方法去解決實際科學問題，讓學生“學有所獲”，提高其分析問題、解決問題的能力。

第一次實驗課，教師首先向學生介紹自身從事研究的課題，從而引出本次課程待解決的科學問題。筆者長期從事血管形成相關分子機制研究，因此向學生介紹血管形成基本過程及其在疾病(如腫瘤)發(fā)生發(fā)展中的作用與意義、Dll4活化Notch信號抑制血管形成的作用機制、以活化Notch信號為基礎治療血管形成相關疾病的潛在應用價值等背景知識。隨即引出科學問題：是否可通過體外獲取Dll4胞外區(qū)重組蛋白用于活化Notch信號，從而達到治療血管形成相關疾病的目的？從解決這一科學問題出發(fā)，一是需要構建Dll4胞外區(qū)原核表達載體并獲取大量Dll4胞外區(qū)重組蛋白，可通過具體實驗技術，即DNA提取、PCR、膠回收、連接、轉化、質粒提取、測序、IPTG誘導表達、蛋白質提取、SDS-PAGE、考馬斯亮藍染色、Western Blot和蛋白質純化等實現(xiàn)；二是需要證明獲得的Dll4胞外區(qū)重組蛋白是否具有抑制內皮細胞的血管形成的能力，經由細胞培養(yǎng)、細胞管腔形成等實驗實現(xiàn)。其中測序、蛋白純化、細胞培養(yǎng)、細胞管腔形成實驗為最后一節(jié)課由教師示教或者觀看錄像。其余常用分子生物學實驗是學生必須掌握的實驗，在中間的11次分子生物學實驗課程由學生自主操作。完整的實驗課教學內容與安排見表1。

表1 實驗課教學內容與安排

中間的11次分子生物學實驗課程均采用翻轉課堂具體實施：(1)授課教師每次課前一周將課程相關資料(文獻、課件和操作視頻等)通過微信群共享給學生并進行在線討論、答疑；此外，對學生進行分組(3人一組)，每組根據教學大綱進行拓展學習并制作PPT。(2)每次課由其中一組選派1名同學主講課前準備的PPT以及回答同學提出的問題和質疑。授課教師在學生講解結束后，對重、難點知識進行補充和強調。(3)學生進行實驗操作。(4)實驗結束后，授課教師引導學生進行討論、交流實驗心得，并對學生的團隊協(xié)作、PPT制作、實驗完成度以及回答問題等能力進行綜合評分。

2 PBL結合翻轉課堂實驗教學的實施效果

通過分析學生查找資料和PPT制作的科學性、完整性，隨堂觀察學生的實驗操作積極性，分析實驗成功率、報告完成質量以及期末考試檢測對實驗技術本身的理解和應用能力，評價PBL結合翻轉課堂教學法的效果。對學生進行問卷調查結果顯示，90%的學生對該PBL結合翻轉課堂教學法表示認可，滿意度較高，認為該方法能幫助他們縮短自身實驗操作的時間、提高實驗的成功率；同時，80%的學生認為該方法有效地提高了學習效率，調動了學習主動性和積極性，拓展了分子生物學理論和實驗的知識面，提升了分析和解決問題的能力，有助于未來進入實驗室開展深入的科學研究。對期末考試中的論述題(題目：若想確診一個感染流感病毒患者的感染類型，并針對該病毒類型進行重組蛋白疫苗的研制，請利用DNA重組技術，設計一個詳細完整的蛋白表達過程)得分情況進行分析發(fā)現(xiàn)，超過80%的學生能夠利用所學的知識設計出一套完整的DNA重組、蛋白質表達純化及功能驗證的實驗方案，并在此基礎上較為詳細地說明每一個步驟用到的實驗方法及原理。如針對病毒基因組特定區(qū)域的PCR引物設計方法、重組蛋白表達載體的選取等。此外，在回答問答題(題目：根據圖片展示Western Blot實驗結果，分析出現(xiàn)問題的可能原因)時，75%以上的學生可根據所學知識準確地分析出問題的原因，如顯色反應中膜上出現(xiàn)雜點較多、印跡條帶出現(xiàn)歪曲等情況，表明學生的分析和解決問題能力得到顯著提升，有效地實現(xiàn)了知識的內化。

3 PBL結合翻轉課堂教學法在實驗教學中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

“構建Dll4胞外區(qū)重組蛋白抑制內皮細胞血管形成”是本課題組前期開展的研究課題之一[9]，該課題的研究涵蓋了分子生物學實驗教學中所有的實驗方法。在實際教學中，我們以此課題為基礎科學問題進行醫(yī)學分子生物學實驗課教學，總結出PBL結合翻轉課堂教學法的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

3.1 以“Dll4胞外區(qū)重組蛋白抑制血管形成”為科學問題的PBL教學有助于學生形成整合思維方式

相比理論教學，實驗課教學的根本目的是教會學生如何有效地應用所學實驗方法解決基礎及臨床問題[1]?！癉ll4胞外區(qū)重組蛋白抑制血管形成”課題涉及通過DNA重組技術獲取大量重組蛋白并進行后續(xù)功能驗證等多方面研究內容，可以將分子生物學常規(guī)實驗有機地整合在一起。該課題的展開有助于培養(yǎng)學生在科學研究中需要的整合思維方式[10]，有助于其盡早地進入實驗室開展科學研究工作，還可以培養(yǎng)學生將所學的基礎知識進行臨床疾病治療轉化應用的意識，提高其未來在生物技術領域的競爭能力。

3.2 PBL結合翻轉課堂教學法更有助于學生對知識的理解和內化

隨著分子生物學實驗技術方法的革新，單純課上的講解難以讓學生快速地理解和掌握大量拓展的知識，因此，PBL教學對學生和教師提出了更高的要求，更依賴他們的主觀能動性。在實際教學中，我們將PBL教學與翻轉課堂教學法相結合：一方面，在課前將實驗要點、授課PPT、實驗操作視頻以及背景知識資料通過微信群分享給每一位同學并和學生進行線上交流、討論，這使得學生能夠更有針對性地拓展學習所需的知識；另一方面，對學生進行分組，并讓他們按照小組的方式自行在課上進行講解，然后由教師進行總結和糾錯，這可以有效地增強學生的主觀能動性以及對知識的理解和內化，同時還可以有效地提高學生的表達和團結協(xié)作能力。

3.3 PBL結合翻轉課堂教學法需要教師更加充足的準備

相比傳統(tǒng)的實驗教學，PBL結合翻轉課堂教學法對教師的知識儲備和時間安排也提出了更高的要求。首先，PBL教學中涉及較多的研究背景知識與實驗方法拓展理論的介紹。例如，在第一次課上，基于“Dll4胞外區(qū)重組蛋白抑制血管形成”的PBL教學中，教師如何將血管形成、Notch信號等基本理論知識“深入淺出”地向學生講解清楚，如何將前沿進展融入背景介紹，需要教師更加精心地備課。其次，在后續(xù)的分子生物學實驗翻轉課堂上，學生是主體，需要在前期搜集整理資料并制作PPT，對實驗內容及注意事項進行逐一講解，由于大部分學生未曾進入實驗室開展過實驗，對實驗細節(jié)難以把握，因此，需要任課教師在課前針對每組講解的內容進行嚴格把關，適當組織學生進行預講，這樣才能達到良好的教學效果。

此外，相比傳統(tǒng)實驗教學，PBL教學法需要準備更多的解決科學問題的實驗試劑和設備，需要在選題時考慮實驗試劑及設備的可行性[11]。“Dll4胞外區(qū)重組蛋白抑制血管形成”這一科學問題的解決所需的試劑與前期傳統(tǒng)實驗教學使用的試劑基本一致，主要區(qū)別在于引物設計以及Western Blot實驗中需要使用Dll4胞外區(qū)單克隆抗體進行檢測。目前，有較多的測序公司以及抗體試劑公司提供這一服務，因此，實驗試劑較為容易獲得。

最后，基于“Dll4胞外區(qū)重組蛋白抑制血管形成”的PBL教學法中各個實驗步驟間聯(lián)系較為緊密，某一個步驟的失敗可能會導致后續(xù)實驗的失敗或中斷，這需要教師在課程實施前準備更加充足的實驗材料以及進行完整的預實驗，對每一個實驗步驟設計好補救措施，避免因前序實驗失敗引起的后續(xù)實驗無法進行的問題等[12]。

4 PBL結合翻轉課堂教學法在醫(yī)學分子生物學實驗教學中應用的展望

隨著分子生物學實驗技術的快速發(fā)展，越來越多的快速反應試劑盒的出現(xiàn)在較大程度上降低了實驗所需的時間以及對操作人員熟練程度的要求，因此，在分子生物學實驗課教學中，教師應該更加注重對學生科研整合思維以及分析和解決問題能力的培養(yǎng)。應用PBL結合翻轉課堂教學法，能夠有效地將孤立的分子生物學實驗方法有機地整合起來，培養(yǎng)學生自主學習、團結協(xié)作的能力，培養(yǎng)未來醫(yī)學相關從業(yè)人員能夠利用先進分子生物學知識和手段，更好地解決醫(yī)學問題。