教育信息化背景下的生物化學實驗改革探索

樊 佳，鄭冬超，閻 臻，李佛生，熊 莉

（四川大學 生物科學國家級實驗教學示范中心，成都 610065）

生物化學是運用化學的方法研究生命物質(zhì)的學科，是生命科學各專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，其主要任務(wù)是了解生物的化學組成、結(jié)構(gòu)及生命過程中各種大分子的化學變化[1-3]。生物化學實驗課作為生物學專業(yè)學生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，能夠促進理論知識與實踐的融合，有效地鍛煉學生的基本實驗技能，同時又為后續(xù)專業(yè)課的學習打下堅實的基礎(chǔ)。現(xiàn)代生命科學的飛速發(fā)展使得生命科學人才培養(yǎng)面臨著巨大的機遇與挑戰(zhàn)，也對本科的生物化學實驗課程提出了更高的要求。為了適應(yīng)社會發(fā)展的新需求，生物化學實驗教學應(yīng)設(shè)立更加多元化的培養(yǎng)目標，即在實驗技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，提升學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新意識[4-5]。

近年來，信息技術(shù)的迅速發(fā)展已經(jīng)在教育領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響，傳統(tǒng)教育觀念和教學模式也發(fā)生了重大的變革?！盎ヂ?lián)網(wǎng)教育”已經(jīng)成為我國推動教育高質(zhì)量發(fā)展的重要發(fā)展方向，如何借助信息技術(shù)輔助實驗教學，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是目前高等教育教學改革的重點[6-8]。為實現(xiàn)信息技術(shù)與生物化學實驗課程的深度融合，推動實驗教學內(nèi)涵式發(fā)展，我們進行了一系列的改革與探索。本文分析了傳統(tǒng)實驗教學中的短板和弊病，結(jié)合本院學生的學習現(xiàn)狀及教學團隊豐富的實驗教學經(jīng)驗，從優(yōu)化生物化學實驗教學內(nèi)容、建設(shè)與應(yīng)用數(shù)字化教學資源、創(chuàng)新實驗教學方法和豐富課程評價體系入手，進行了一系列的教學改革實踐，構(gòu)建了基于信息化的新型實驗教學模式，旨在進一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為實現(xiàn)“雙一流”人才培養(yǎng)目標提供有力的支撐。

1 課程改革前存在的問題

1.1 以教師為中心的知識傳授型教學方式不利于學生發(fā)揮主觀能動性

傳統(tǒng)的實驗課以教師講授為主，通常采用課前學生按照實驗教材預(yù)習，課堂上老師講授重點難點環(huán)節(jié)，之后學生按照實驗步驟做實驗的教學形式[8]。在預(yù)習環(huán)節(jié)，教師無法了解學生的真實學習效果；在課堂教學環(huán)節(jié)，老師只能快速講解重點內(nèi)容，而這個教學環(huán)節(jié)往往是教師單向傳授，在20～30 分鐘的時間里學生是否真正掌握教學重點和難點有很大的不確定性。以教師為主導(dǎo)的教學方式，學生對教師的依賴性較強，面對問題時往往不愿意主動思考，而是等待教師直接給出答案；做實驗只是按照實驗指導(dǎo)“照方抓藥”，課堂參與度與積極性不強。

1.2 實驗教學內(nèi)容落后于學科發(fā)展，與實際應(yīng)用相脫節(jié)

長期以來，實驗教學中驗證性實驗占主導(dǎo)地位，綜合性、設(shè)計性實驗占比偏低，且實驗內(nèi)容更新速度過慢，實驗技術(shù)方法相對落后，已很難適應(yīng)現(xiàn)階段高校創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求[1,8]。以酶學實驗為例，溫度對酶活力的影響實驗仍停留在定性實驗水平，即利用唾液淀粉酶對蔗糖和淀粉的特異性分解作用觀察不同溫度下試管的顏色變化，并沒有涉及當前酶學性質(zhì)研究的熱點問題，如生物酶生態(tài)修復(fù)重金屬污染、有機物污染等。陳舊的教學內(nèi)容無法充分鍛煉學生的綜合能力，也不能激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維。同時，實驗教學內(nèi)容通常多采用單一技術(shù)，實驗之間沒有相關(guān)性，且缺乏與其他學科的融合。

1.3 實驗課時和實驗條件等客觀因素限制了部分綜合性實驗的開設(shè)

在當前本科教育的培養(yǎng)方案不斷調(diào)整，實驗課學時普遍精簡的背景下，部分綜合性實驗因操作繁瑣、時間長且環(huán)環(huán)相扣，學生無法在有限的課時內(nèi)連續(xù)完成實驗操作。綜合性實驗用到的實驗設(shè)備普遍價格昂貴，很多高校都存在著臺套數(shù)不足的情況。這些客觀因素都限制了綜合性實驗項目的開設(shè)。

2 教學改革具體措施及效果評價

通過整合與優(yōu)化傳統(tǒng)經(jīng)典生物化學實驗，增加適應(yīng)學科發(fā)展的新技術(shù)和方法，設(shè)計與開發(fā)適合本專業(yè)的特色數(shù)字化教學資源，提高實驗教學的信息化水平等措施，在確保學生充分掌握基本技能和提高科學素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，拓展實驗內(nèi)容的深度和廣度，最大限度的激發(fā)學生的學習興趣，提高實驗教學效果。

2.1 優(yōu)化和更新實驗教學內(nèi)容

2.1.1 整合優(yōu)化經(jīng)典實驗，加強基本實驗技能訓(xùn)練

為了夯實學生實驗基礎(chǔ)，提高其基本實驗技能，課程組在保留和拓展的基礎(chǔ)上，對經(jīng)典實驗進行了合理的優(yōu)化。整合優(yōu)化后的實驗教學內(nèi)容涵蓋了多種生物化學領(lǐng)域最基本、最常用的實驗技術(shù)（如生物大分子提取技術(shù)、電泳技術(shù)、滴定技術(shù)、分光光度分析技術(shù)等），涉及多種常見儀器設(shè)備的使用（如離心機、垂直電泳系統(tǒng)、分光光度計等），有針對性地幫助了學生強化實驗技能訓(xùn)練。在規(guī)范實驗操作的同時，著重培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。具體措施為以實驗操作考核、課前小測驗的形式檢驗學生是否規(guī)范操作實驗儀器；批閱實驗報告時對認真觀察實驗現(xiàn)象、規(guī)范記錄實驗原始數(shù)據(jù)、科學處理實驗數(shù)據(jù)和分析實驗結(jié)果的學生進行加分；部分學生如果實驗失敗，積極引導(dǎo)其認真反思失敗實驗原因；對沒有按照要求處置實驗廢棄物的學生扣除一定的實驗操作分數(shù)等。以上措施為學生將來進入科研實驗室打下堅實的基礎(chǔ)[8-10]。

2.1.2 增加綜合性實驗項目，提升學生的綜合素質(zhì)

綜合性實驗?zāi)軌虬讯囗椈A(chǔ)知識和實驗技能融合形成一個相互滲透、支撐的知識體系，更好地發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生綜合運用生物化學知識分析、解決現(xiàn)實問題的能力[8]。改革前實驗課程中綜合設(shè)計性實驗占比約為41%，改革后的生物化學實驗課程中綜合設(shè)計性實驗占比為71.4%，改革前后實驗教學內(nèi)容對比，如表1所示。

表1 改革前后實驗教學內(nèi)容對比

我們圍繞酪氨酸酶設(shè)計了“由淺入深，由研究至應(yīng)用”的綜合性實驗項目-酪氨酸酶型時間溫度指示器的研制，其內(nèi)容包括酪氨酸酶的提取、酶活測定和酶型時間溫度指示器的研制三大部分，涵蓋了酶的提取、酶活測定、酶學性質(zhì)研究和酶的固定化及應(yīng)用等知識點和技能點。在教學互動環(huán)節(jié)上，我們進行了精心的設(shè)計。

1）在前一周上課時，教師先拋出一個生活問題“目前我國均以保質(zhì)期指示食品保鮮程度，但是食品在運輸、儲存過程中曾處于什么溫度均不清楚，而對于一些直接生食的高端水產(chǎn)品或者鮮度要求極高的食品而言，用簡單準確的方法判斷食品鮮度十分重要，能不能利用所學的酶學知識研發(fā)一種‘時間-溫度’指示器，快速指示食品所經(jīng)歷的溫度和時間”。并給學生一周時間設(shè)計實驗方案，以小組為單位完成實驗設(shè)計。教師可以提示學生重點關(guān)注“實驗材料的選擇”“酶的活力測定方法選擇”“小組成員如何配合操作才能使實驗數(shù)據(jù)更加準確”“酶的固定化材料選擇”“如何篩選最佳固定方法”等實驗關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2）網(wǎng)絡(luò)平臺上分享和討論各個小組的實驗方案，師生共同探討實驗方法和實驗流程的可行性，有哪些漏洞，鼓勵學生互評實驗方案，最終討論得出最佳實驗方案。以上兩個環(huán)節(jié)都是在課外完成。

3）在實驗過程中，強調(diào)團隊合作精神，實驗結(jié)果與預(yù)期不一致時，鼓勵小組成員相互討論，找出實驗的錯誤環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的自主探究能力。

4）實驗完成后，教師進一步提出問題：本次實驗出現(xiàn)哪些問題？實驗方案有哪些可以改進的地方？制備出來的酶型時間溫度指示器在哪些生產(chǎn)實踐中可以用到？

通過兩個學期的教學實踐證明，該綜合性實驗項目既有利于學生建立系統(tǒng)的生物化學知識框架，又能培養(yǎng)學生縝密的科研思維，提高學生的綜合素質(zhì)。

2.2 數(shù)字化教學資源的建設(shè)與應(yīng)用

教學資源是提高教學質(zhì)量的重要因素。傳統(tǒng)的實驗教學資源形式過于單一，不能滿足教學需求。在國家不斷推動信息技術(shù)與高校實驗教學深度融合的形式下，建設(shè)適應(yīng)信息社會發(fā)展的新型數(shù)字化教學資源已迫在眉睫。生物化學實驗課程組從錄制微課視頻、建立實驗考核測試題庫、自主研發(fā)虛擬仿真實驗等方面建設(shè)數(shù)字化教學資源，并在教學活動中引導(dǎo)學生充分利用這些教學資源完成自主探究式學習，實現(xiàn)線上教學資源與線下實驗教學的有機融合[9-11]。

2.2.1 錄制微課視頻

教師將實驗課程中的經(jīng)典實驗、重要儀器設(shè)備的使用方法、實驗操作易錯環(huán)節(jié)制作成微課視頻，視頻拍攝時采用動態(tài)、靜態(tài)、近景、遠景等手法，將每個實驗細化剪輯成不同的微視頻，上傳到網(wǎng)絡(luò)學習平臺。微課視頻能夠幫助學生掌握生物化學實驗的操作要領(lǐng)，糾正一些不良的操作習慣，加強實驗操作訓(xùn)練的規(guī)范性。學生在實驗課之前，可以通過網(wǎng)絡(luò)學習平臺觀看微視頻，完成預(yù)習任務(wù)，也可在課后進一步復(fù)習實驗內(nèi)容，鞏固所學知識，滿足學生的個性化學習需求。學生調(diào)查問卷結(jié)果顯示，改革前學生課前預(yù)習率為47%，改革后學生課前預(yù)習率提高到91%；83%的同學認為視頻直觀地展示了實驗各個環(huán)節(jié)，有助于課前預(yù)習和課后復(fù)習鞏固。

2.2.2 建立實驗考核測試題庫

依托信息化平臺建立的實驗測試題庫，能夠有效提升教師檢驗學生學習效果的效率，同時實現(xiàn)對學生自學能力的即時評價。測試題包含實驗原理、常見實驗操作誤區(qū)、實驗設(shè)計、失敗實驗結(jié)果原因分析等內(nèi)容。學生可以按照章節(jié)進行測試練習，也可以在課程學習結(jié)束后完成一套試題，測試完成后有詳細的成績分析及薄弱知識點的分析，為學生進一步學習提供參考意見，同時有利于實現(xiàn)實驗教學的全過程考核。

2.2.3 開發(fā)虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗是基于計算機仿真技術(shù)創(chuàng)建的一個集視覺、聽覺及觸覺等為一體的虛擬實驗空間，具有高沉浸、高交互、高感知的特點，在實驗教學中發(fā)揮著的積極作用，是教育信息化的重要組成部分[12-13]。結(jié)合本院實驗教學的具體情況，課程組自主研發(fā)了“放射性同位素標記抗體技術(shù)”和“漆酶的異源表達及固定化漆酶在苯酚廢水處理中的應(yīng)用”兩個虛擬仿真實驗教學項目，將生物化學實驗和信息技術(shù)深度融合，通過“以虛補實”的形式使學生完成難以實做的實驗，為課堂實驗教學做出了重要補充。以“漆酶的異源表達及固定化漆酶在苯酚廢水處理中的應(yīng)用”為例，在傳統(tǒng)生物化學實驗中，沒有開設(shè)基因工程和酶工程相關(guān)實驗，為了進一步拓展實驗教學內(nèi)容的深度和廣度，實驗中心自主開發(fā)了虛擬仿真實驗，內(nèi)容涵蓋了漆酶的基因克隆與異源表達、漆酶的發(fā)酵生產(chǎn)、漆酶的固定化技術(shù)和固定化漆酶在苯酚廢水處理中的應(yīng)用。該虛擬實驗有效地解決了酶的環(huán)境治理綜合性實驗設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，部分實驗試劑毒性大，實驗周期長，學生在有限的課時條件下無法完成整套的實驗流程等難題，幫助學生掌握工程菌的制造、工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用等知識。利用虛擬仿真軟件，學生可以自主設(shè)計實驗方案，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源完成綜合性實驗的有效訓(xùn)練，深入了解酶學原理與酶工程的微觀發(fā)生機制。整個實驗過程中都有相應(yīng)的人機交互的學習指導(dǎo)和測驗考核，引導(dǎo)學生自主學習。學生調(diào)查問卷結(jié)果顯示，虛擬仿真實驗?zāi)軌騽?chuàng)造一個效果良好的教學環(huán)境，給學生帶來了全新的學習體驗，有90%的學生表示該實驗提升了自己的自主學習能力，84%的學生表示該實驗涉及知識面廣，交互性強，對自身的知識體系有幫助。

2.3 引入多維互動的實驗教學方法

傳統(tǒng)的教師講授知識式的教學方法不利于學生發(fā)揮其主觀能動性，為了充分激發(fā)和調(diào)動學生的學習積極性，教師在課堂上引入引導(dǎo)式、討論式、探究式等多維互動的教學方法。在實驗課上，教師采用引導(dǎo)式教學方法，在講解實驗的背景知識和原理時引入生活實例，結(jié)合生物化學基本知識進行分析，激發(fā)學生的好奇心和求知欲；用聯(lián)想、比較的教學方法串聯(lián)之前的實驗內(nèi)容，幫助學生理解新知識點；采用讓學生當小老師，為同學們講解實驗內(nèi)容的方式，提高學生的學習興趣，同時檢驗學生的預(yù)習效果。在實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置一些開放性問題，引導(dǎo)學生獨立思考、自主思維；采用討論、探究的方法引導(dǎo)學生討論實驗操作中的難點和易錯環(huán)節(jié)，增強學生分析解決問題的能力。教學結(jié)果表明，多維互動的教學方法不僅提高了師生間的互動效率，同時培養(yǎng)了學生的課堂參與意識。

2.4 搭建多維度、全方位的實驗評價體系

實驗考核是教學內(nèi)容的重要組成部分，能夠有效地激勵學生高質(zhì)量地完成實驗教學任務(wù)。多維度、全方位的實驗評價體系能更全面地反映學生的學習效果和教師的教學效果。教師在對教學內(nèi)容和教學方法進行改革的基礎(chǔ)上，對原來的以成績?yōu)閷?dǎo)向的考核方式進行改革，借助信息化手段，搭建以創(chuàng)新思維、探究能力為導(dǎo)向的新型實驗教學評價體系。評價體系如表2 所示，采用平時成績、實驗操作、實驗報告相結(jié)合的形式。平時成績包括課前預(yù)習、上課考勤、基本實驗素質(zhì)等內(nèi)容；操作考核主要針對儀器操作規(guī)范性，實驗操作易錯點、實驗注意事項、實驗現(xiàn)象的觀察與記錄等進行考核；在實驗報告評分時降低實驗?zāi)康摹⒎椒ǖ纫氐脑u分比例，增加實驗現(xiàn)象的觀察與描述、討論部分的權(quán)重，鼓勵學生在討論部分提出實驗過程的見解和想法、實驗方法改進建議等。通過考核方式的改革，促使學生養(yǎng)成實事求是的科學精神，鍛煉學生的科學思維能力，提高學生的學習積極性。

表2 實驗評價體系

3 結(jié)束語

生物化學實驗課程組全面貫徹“以學生為中心”的教學理念，不斷地改革與探索信息化技術(shù)與實驗教學的有機融合。本文介紹了基于信息化技術(shù)的生物化學實驗課程改革與實踐經(jīng)驗，從優(yōu)化和更新傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，數(shù)字化教學資源的建設(shè)與應(yīng)用，引入多維互動的實驗教學方法，搭建多維度、全方位的實驗評價體系等方面，全面構(gòu)建了新型實驗教學模式，重點探討了綜合性實驗項目的開發(fā)與應(yīng)用，以及數(shù)字化教學資源在生物化學實驗教學中的應(yīng)用情況。教學實踐表明，基于數(shù)字化教學資源的新型實驗教學模式，打破了實驗教學的時空限制，有效地提高了學生的自主探究能力，為打造一流實驗課程奠定了堅實的基礎(chǔ)。