問題式教學(xué)模式在高師生物化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉 超，胥成浩，梁 梓，杜超豪，彭言劼

（樂山師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614004）

0 引言

生物化學(xué)作為一門自然科學(xué)，有理論性、邏輯性、綜合性等特點[1]，與化學(xué)、物理和信息等相關(guān)生物技術(shù)手段迅猛發(fā)展密切相關(guān)。生物化學(xué)實驗是高等師范院校生物科學(xué)類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心必修課程。探究思維和操作技能培養(yǎng)是生物化學(xué)實驗最重要的教學(xué)目標(biāo)之一。生物化學(xué)實驗技能包含生物化學(xué)實驗的基本原理和基本方法，應(yīng)用生物化學(xué)技術(shù)原理和方法獨立開展生命科學(xué)探究和養(yǎng)成創(chuàng)新意識的能力。

多年來，高等師范院校生物化學(xué)實驗以灌輸式教學(xué)為主，學(xué)生被動接受[2]，存在實驗項目照搬實驗教材，實驗?zāi)康膯我荒w淺不能滿足學(xué)生的需求；實驗原理教學(xué)教師以參考教材為主進(jìn)行重述，學(xué)生被動接受，學(xué)生的主動性無從體現(xiàn)；照搬教學(xué)參考書籍實驗步驟，學(xué)生無思考過程，得不到學(xué)生科學(xué)思維訓(xùn)練；實驗項目通常選用驗證性實驗，學(xué)生的創(chuàng)新思維和質(zhì)疑意識得不到培養(yǎng)；實驗結(jié)果不真實，篡改數(shù)據(jù)，缺乏真實性和科學(xué)性；實驗報告格式化，學(xué)生機(jī)械簡單地填寫，互相照抄報告等現(xiàn)象。總體呈現(xiàn)學(xué)生興趣不高，主動性差，科學(xué)意識不濃，思考和分析問題能力不足。我校從2010 年對本校生物科學(xué)專業(yè)生物化學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行改革，引入了問題式教學(xué)模式(Problem-Based Learning,PBL)的探索與實踐，使學(xué)生在實驗原理和實驗方法的掌握和理解上有所突破，獨立思考和分析解決問題能力顯著提高，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力明顯增強(qiáng)[3]。

1 教學(xué)改革方法

1.1 課程教學(xué)課時改革

根據(jù)我校生物科學(xué)專業(yè)為師范專業(yè)特點，優(yōu)化培養(yǎng)方案，將生物化學(xué)課程設(shè)置為專業(yè)基礎(chǔ)核心必修課程。理論課時由48 節(jié)增加到64 課時，生物化學(xué)實驗由32 調(diào)整到48 課時。

1.2 實驗教學(xué)項目改革

驗證實驗基礎(chǔ)上，加大綜合性和設(shè)計性實驗項目，比例達(dá)到60%-75%。綜合性和設(shè)計性實驗項目以生物化學(xué)基礎(chǔ)實驗為原型的基礎(chǔ)上依托于教師科研項目和生產(chǎn)應(yīng)用以及學(xué)生國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目結(jié)合進(jìn)行設(shè)計。

1.3 問題式教學(xué)模式的引入和實施

1.3.1 問題來源和設(shè)計

生物化學(xué)實驗。引入問題方式是教師以實驗講義或參考書的實驗原理和實驗程序為依據(jù)，將實驗原理、實驗試劑和藥品、操作步驟、結(jié)果—分析等，以問題形式出現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考。

a）實驗原理中問題設(shè)計。以綜合性“天然活性蛋白質(zhì)的提取分離和純化——凝膠過濾法”實驗項目為例。設(shè)計以下問題組：（a）“天然活性”是什么內(nèi)涵？（b）蛋白質(zhì)的物理與化學(xué)性質(zhì)有哪些？（c）蛋白質(zhì)活性檢測方法有哪些？（d）為什么要進(jìn)行天然蛋白質(zhì)的提取和分離？（e）蛋白質(zhì)提取和純化的方法有哪些？（f）凝膠過濾純化蛋白質(zhì)的原理是什么？（g）一次凝膠過濾能純化天然蛋白質(zhì)嗎？（h）凝膠過濾的凝膠化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)有什么特征？實驗課之前將這一系列問題分配給學(xué)生，在實驗預(yù)習(xí)中進(jìn)行思考，這樣對實驗原理就十分清楚了。

b）實驗條件優(yōu)化問題設(shè)計。主要解決實驗過程中所選用的實驗條件是依據(jù)什么原理來選擇和優(yōu)化的問題。以綜合性“天然活性蛋白質(zhì)的提取分離和純化——離子交換法”實驗為例實驗設(shè)計以下問題組：（a）為什么要選用低溫或冷凍條件，實驗過程中還要輕攪？（b）提取過程中緩沖溶液的選擇和pH 值的控制依據(jù)是什么？（c）實驗過程中離心的轉(zhuǎn)速和時間的選擇依據(jù)是什么？為什么要選擇冷凍離心？（d）離子交換樹脂的選擇依據(jù)是什么？離子交換樹脂處理的原理是什么？（e）硫酸銨沉淀的原理和目的是什么？蛋白質(zhì)沉淀析出后用半透膜透析的目的是什么？透析過程中有哪些注意事項？這一系列問題的提出，讓學(xué)生理解實驗過程中每項實驗條件是如何設(shè)計和提出的，可以培養(yǎng)學(xué)生獨立進(jìn)行探究實驗設(shè)計的能力。

c）實驗結(jié)果分析問題。每一個進(jìn)行精心設(shè)計的實驗項目最終要有一個準(zhǔn)確的實驗預(yù)期結(jié)果，但是受多種因素的影響，實驗結(jié)果往往和預(yù)期有一定差異，為此進(jìn)行問題式教學(xué)改革，提出以下問題組：（a）理論上實驗預(yù)期結(jié)果是如何的？學(xué)生是否能判斷自己的實驗結(jié)果正確與否？實驗結(jié)果與預(yù)期不一致如何尋找存在的問題，如何改進(jìn)實驗？（b）如“天然活性蛋白質(zhì)的提取分離和純化”實驗中，如果分離過程中蛋白質(zhì)失活了，原因在哪里？如何避免？（c）如“植物體還原糖含量的測定”實驗中，提出為什么要制作標(biāo)準(zhǔn)曲線？如果樣品測定的吸光度值超過標(biāo)準(zhǔn)曲線的范圍如何處理？（d）實驗數(shù)據(jù)的處理和圖形繪制方法有哪些？這一系列問題提出，讓學(xué)生學(xué)會對結(jié)果的分析，數(shù)據(jù)的處理，查找實驗成敗的關(guān)鍵和改進(jìn)的措施，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力。

d）學(xué)生自己提出的問題。如在“維生素C含量的測定”實驗中，通過預(yù)習(xí)和思考，學(xué)生結(jié)合自身創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目就提出“假如要換一種實驗材料，實驗程序如何設(shè)計？維生素C 含量測定還有哪些方式和原理可以進(jìn)行？這些方法中哪種是最方便、最準(zhǔn)確的？”等系列問題。

1.3.2 實驗課程的組織與實施

a）實驗項目確定。教師按照實驗改革的目的和要求準(zhǔn)備好實驗講義或參考指導(dǎo)書，在開學(xué)之初將本學(xué)期所有要開設(shè)的實驗計劃公布給學(xué)生。在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生結(jié)合自己參與教師科研或者創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的實際情況和需要，至少提出2-3 個與教師的實驗計劃不完全相同的綜合性和設(shè)計性實驗項目。

b）帶著問題預(yù)習(xí)。在每次實驗課程之前要求學(xué)生寫實驗預(yù)習(xí)報告。

（a）問題的思考。預(yù)習(xí)報告的內(nèi)容按照前面設(shè)計的問題要求學(xué)生一個一個的思考并通過查閱文獻(xiàn)寫出分析結(jié)果。

（b）藥品的思考。在預(yù)習(xí)過程中特別強(qiáng)調(diào)每一種實驗藥品在實驗中起什么作用，每一種藥品的濃度變化可能有什么影響，每種藥品的規(guī)格要求是什么。

（c）設(shè)備的思考。每一臺儀器設(shè)備在實驗中有什么作用，如何進(jìn)行儀器設(shè)備的安裝調(diào)試和維護(hù)使用。

（d）實驗的流程。實驗過程和步驟要求學(xué)生以簡單明了的流程圖或圖表的形式進(jìn)行總結(jié)歸納，深入理解具體的實驗操作方法和操作過程的設(shè)計原理。并制定詳細(xì)的小組分工協(xié)作計劃。

c）實驗用品準(zhǔn)備。將全班分若干小組，每一個小組輪流參與到實驗教師的實驗前期準(zhǔn)備過程，包括實驗設(shè)備的調(diào)試和安裝，實驗試劑的配制等等。

d）實驗過程指導(dǎo)。在每次實驗中，學(xué)生根據(jù)實驗預(yù)習(xí)和當(dāng)值小組的準(zhǔn)備，由小組成員給全班同學(xué)講述實驗原理、操作程序和注意事項，然后由任課教師點評后學(xué)生分小組獨立進(jìn)行實驗。

e）教師答疑指導(dǎo)。如果學(xué)生在預(yù)習(xí)和實驗過程中存在共同性不明白和不理解的由任課教師進(jìn)行集體分析解決。在實驗過程中學(xué)生存在的實際問題在小組分析的基礎(chǔ)上，由實驗指導(dǎo)教師進(jìn)行指導(dǎo)性解答。

f）實驗報告撰寫。實驗結(jié)果要求學(xué)生必須真實記錄和分析，不允許修改或獨撰。實驗報告參照科研論文的格式并采用電子版進(jìn)行撰寫。要求學(xué)生只能采用自己總結(jié)歸納和分析的內(nèi)容，用科學(xué)的語言來撰寫報告。

g）實驗成績評定。按照預(yù)習(xí)報告的內(nèi)容評定每次成績，并在實驗平時成績中占30%。實驗報告的評定注重真實性和分析，淡化實驗結(jié)果與預(yù)期的符合程度，只要學(xué)生對實驗存在的問題進(jìn)行科學(xué)合理的分析，找到了結(jié)果誤差的原因和解決辦法，不失為一篇成績優(yōu)良的實驗報告。

2 教學(xué)效果評估

2.1 問卷調(diào)查

每年設(shè)計問卷調(diào)查（見表1）。10 個問題和一個建議，發(fā)給學(xué)生采用無記名方式進(jìn)行調(diào)查，然后進(jìn)行總結(jié)分析優(yōu)點和不足，收集學(xué)生建議和意見。所有結(jié)果和數(shù)據(jù)采用SPSS 12.0 進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，設(shè)計的樣本平均數(shù)比較采用t 檢驗，P＜0.05 為統(tǒng)計學(xué)有效意義。

表1 “生物化學(xué)實驗”教學(xué)問卷調(diào)查表

2.2 課程技能考核

a）組織方式。通過生物化學(xué)實驗課程設(shè)計的技能考核方式，設(shè)計8-10 個技能考核題目，提前公布給學(xué)生，可以在實驗室自己進(jìn)行再次練習(xí)。采用抽簽方式，每個學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成技能操作和理論內(nèi)容。

b）考核內(nèi)容。考核內(nèi)容在實驗講義中羅列該實驗的技能訓(xùn)練內(nèi)容，學(xué)生平時進(jìn)行有針對性的實驗操作，規(guī)范實驗儀器設(shè)備的使用方法和維護(hù)方法。

c）成績分析。根據(jù)對改革前和改革后同樣的實驗技能考核方式，查看學(xué)生的技能熟練程度。是否能獨立解決問題，獨立完成操作，提高注意事項中常見問題的克服能力。然后進(jìn)行成績的數(shù)據(jù)分析。

3 教學(xué)改革的成效

3.1 學(xué)生改變實驗課的態(tài)度和認(rèn)識

感性領(lǐng)會實驗設(shè)計的科學(xué)性。學(xué)生不再盲目崇拜教材和教師，通過學(xué)習(xí)自己就可以設(shè)計出實驗方案，自己能夠利用實驗原理進(jìn)行生產(chǎn)生活相關(guān)問題的解決。

增強(qiáng)了學(xué)生動手操作自信心。實驗中具體方法、條件、藥品、設(shè)備都是長期科學(xué)研究或?qū)嵺`過程總結(jié)出來的，但不同的實驗條件是可以自己探索設(shè)計的。

提高探索自然科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。學(xué)生不再篡改實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，更多的是在分析原因和查找問題，養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，訓(xùn)練了科學(xué)探索方法。

3.2 學(xué)生實驗綜合技能顯著提高

絕大多數(shù)學(xué)生能夠在實驗中提出相關(guān)問題，也能夠獨立思考問題，同時能夠?qū)嶒炦^程、步驟，操作方法進(jìn)行質(zhì)疑并做出一些改進(jìn)設(shè)想。近年來絕大部分學(xué)生已經(jīng)能夠獨立設(shè)計自己的畢業(yè)論文項目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，并能夠很好地完成，論文質(zhì)量明顯提高。

3.3 學(xué)生滿意度分析

3.3.1 對本生物化學(xué)實驗改革的總體評價

對實施教學(xué)改革的2013 級生物科學(xué)班，發(fā)放32 份問卷，收回有效問卷32 份，問卷結(jié)果統(tǒng)計如圖1 和表2。圖1 中可以看出有18 人即56.3%的同學(xué)很滿意，9 人滿意，滿意度總體達(dá)到84.4%。

圖1 學(xué)生對生物化學(xué)實驗課程的總體評價統(tǒng)計

對設(shè)計的10 個問題的統(tǒng)計情況（見表2）。從表中看出絕大多數(shù)學(xué)生對該改革非常贊同。說明有效的改革能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，問題教學(xué)使學(xué)生明白了教學(xué)指導(dǎo)書上的原理。對實驗中方案的設(shè)計訓(xùn)練，克服了以往學(xué)生僅僅通過實驗過程的簡單重復(fù)、機(jī)械的照搬現(xiàn)象，能促進(jìn)對學(xué)生獨立設(shè)計實驗、獨立解決問題能力的培養(yǎng)。針對有部分學(xué)生不滿意或者認(rèn)為一般的問卷，反映出本實驗改革還存在進(jìn)一步完善的地方。

表2 問卷調(diào)查人數(shù)統(tǒng)計表

3.3.2 實驗考核成績的分析

2013 級生物科學(xué)共36 人，技能考核成績統(tǒng)計，優(yōu)秀率（≥90）、良好率（≥80）、中等率（≥70）、及格率（≥60）和不及格率（＜60）分別為13.9%、72.2%、13.9%、0%和0%。而改革前的2011 級生物科學(xué)班分別為3.45%、6.90%、20.69%、44.83%和24.14%。經(jīng)x2檢驗兩個班成績差別顯著，見表3。從表中可以明顯看出，實施問題式教學(xué)改革，學(xué)生的綜合素質(zhì)顯著提升。

表3 2013 生物科學(xué)和2011 生物科學(xué)實驗考核成績比較

4 討論

問題式教學(xué)模式是針對傳統(tǒng)的“知識傳授性教學(xué)模式”提出的一種以學(xué)生為主體、提高學(xué)生提出問題和思考問題能力，調(diào)動學(xué)習(xí)主動性的教學(xué)理念[4-5]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以傳授知識為主，一種被動的接納過程。生物化學(xué)實驗傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生被動參與，沒有發(fā)揮主體性，學(xué)習(xí)興趣不高，主動性差。生物化學(xué)實驗是生命科學(xué)專業(yè)學(xué)生最重要的技能基礎(chǔ)訓(xùn)練階段，實驗課程有很強(qiáng)的探索性和實踐性[6]，不僅是對理論課程的驗證，也是對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的重要手段[7]。

報告采用科技論文格式進(jìn)行要求，以電子版撰寫和提交，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對實驗結(jié)果的討論和分析，學(xué)生根據(jù)已有的知識能夠提出新的問題，思想活躍起來，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[8]。并訓(xùn)練了學(xué)生科技論文寫作技能

高等師范院校生物科學(xué)專業(yè)多數(shù)學(xué)生將在中等學(xué)校從事生物課程教學(xué)，通過實驗問題式教學(xué)的改革探索，不斷地提高了學(xué)生適應(yīng)生物化學(xué)實驗教學(xué)的技能，從而提升了學(xué)生教師綜合素質(zhì)，克服了僅僅依靠教學(xué)法解決教師專業(yè)技能不足的問題，助推中學(xué)合格生物教師的培養(yǎng)。