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的學科，是生命科學各專業的基礎必修課，其主要任務是了解生物的化學組成、結構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學生的一門專業基礎課，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，同時又為后續專業課的學習打下堅實的基礎?，F代生命科學的飛速發展使得生命科學人才培養面臨著巨大的機遇與挑戰，也對本科的生物化學實驗課程提出了更高的要求。為了適應社會發展的新需求，生物化學實驗教學應設立更加多元化的培養目標，即在實驗技能訓練的基礎上，提升學生的科學素養和創新意識[4-5]。

近年來，信息技術的迅速發展已經在教育領域產生了深刻的影響，傳統教育觀念和教學模式也發生了重大的變革?！盎ヂ摼W教育”已經成為我國推動教育高質量發展的重要發展方向，如何借助信息技術輔助實驗教學，提高人才培養質量是目前高等教育教學改革的重點[6-8]。為實現信息技術與生物化學實驗課程的深度融合，推動實驗教學內涵式發展，我們進行了一系列的改革與探索。本文分析了傳統實驗教學中的短板和弊病，結合本院學生的學習現狀及教學團隊豐富的實驗教學經驗，從優化生物化學實驗教學內容、建設與應用數字化教學資源、創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質量，為實現“雙一流”人才培養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揮主觀能動性

傳統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習，課堂上老師講授重點難點環節，之后學生按照實驗步驟做實驗的教學形式[8]。在預習環節，教師無法了解學生的真實學習效果；在課堂教學環節，老師只能快速講解重點內容，而這個教學環節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“照方抓藥”，課堂參與度與積極性不強。

1.2 實驗教學內容落后于學科發展，與實際應用相脫節

長期以來，實驗教學中驗證性實驗占主導地位，綜合性、設計性實驗占比偏低，且實驗內容更新速度過慢，實驗技術方法相對落后，已很難適應現階段高校創新型、應用型人才培養需求[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研究的熱點問題，如生物酶生態修復重金屬污染、有機物污染等。陳舊的教學內容無法充分鍛煉學生的綜合能力，也不能激發學生的學習興趣和創新思維。同時，實驗教學內容通常多采用單一技術，實驗之間沒有相關性，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

在當前本科教育的培養方案不斷調整，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、時間長且環環相扣，學生無法在有限的課時內連續完成實驗操作。綜合性實驗用到的實驗設備普遍價格昂貴，很多高校都存在著臺套數不足的情況。這些客觀因素都限制了綜合性實驗項目的開設。

2 教學改革具體措施及效果評價

通過整合與優化傳統經典生物化學實驗，增加適應學科發展的新技術和方法，設計與開發適合本專業的特色數字化教學資源，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的基礎上，拓展實驗內容的深度和廣度，最大限度的激發學生的學習興趣，提高實驗教學效果。

2.1 優化和更新實驗教學內容

2.1.1 整合優化經典實驗，加強基本實驗技能訓練

為了夯實學生實驗基礎，提高其基本實驗技能，課程組在保留和拓展的基礎上，對經典實驗進行了合理的優化。整合優化后的實驗教學內容涵蓋了多種生物化學領域最基本、最常用的實驗技術（如生物大分子提取技術、電泳技術、滴定技術、分光光度分析技術等），涉及多種常見儀器設備的使用（如離心機、垂直電泳系統、分光光度計等），有針對性地幫助了學生強化實驗技能訓練。在規范實驗操作的同時，著重培養學生的科研素養。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范操作實驗儀器；批閱實驗報告時對認真觀察實驗現象、規范記錄實驗原始數據、科學處理實驗數據和分析實驗結果的學生進行加分；部分學生如果實驗失敗，積極引導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等。以上措施為學生將來進入科研實驗室打下堅實的基礎[8-10]。

2.1.2 增加綜合性實驗項目，提升學生的綜合素質

綜合性實驗能夠把多項基礎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、解決現實問題的能力[8]。改革前實驗課程中綜合設計性實驗占比約為41%，改革后的生物化學實驗課程中綜合設計性實驗占比為71.4%，改革前后實驗教學內容對比，如表1所示。

表1 改革前后實驗教學內容對比

我們圍繞酪氨酸酶設計了“由淺入深，由研究至應用”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、酶學性質研究和酶的固定化及應用等知識點和技能點。在教學互動環節上，我們進行了精心的設計。

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一種‘時間-溫度’指示器，快速指示食品所經歷的溫度和時間”。并給學生一周時間設計實驗方案，以小組為單位完成實驗設計。教師可以提示學生重點關注“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據更加準確”“酶的固定化材料選擇”“如何篩選最佳固定方法”等實驗關鍵環節。

2）網絡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。以上兩個環節都是在課外完成。

3）在實驗過程中，強調團隊合作精神，實驗結果與預期不一致時，鼓勵小組成員相互討論，找出實驗的錯誤環節，培養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的生物化學知識框架，又能培養學生縝密的科研思維，提高學生的綜合素質。

2.2 數字化教學資源的建設與應用

教學資源是提高教學質量的重要因素。傳統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與高校實驗教學深度融合的形式下，建設適應信息社會發展的新型數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、自主研發虛擬仿真實驗等方面建設數字化教學資源，并在教學活動中引導學生充分利用這些教學資源完成自主探究式學習，實現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典實驗、重要儀器設備的使用方法、實驗操作易錯環節制作成微課視頻，視頻拍攝時采用動態、靜態、近景、遠景等手法，將每個實驗細化剪輯成不同的微視頻，上傳到網絡學習平臺。微課視頻能夠幫助學生掌握生物化學實驗的操作要領，糾正一些不良的操作習慣，加強實驗操作訓練的規范性。學生在實驗課之前，可以通過網絡學習平臺觀看微視頻，完成預習任務，也可在課后進一步復習實驗內容，鞏固所學知識，滿足學生的個性化學習需求。學生調查問卷結果顯示，改革前學生課前預習率為47%，改革后學生課前預習率提高到91%；83%的同學認為視頻直觀地展示了實驗各個環節，有助于課前預習和課后復習鞏固。

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、實驗設計、失敗實驗結果原因分析等內容。學生可以按照章節進行測試練習，也可以在課程學習結束后完成一套試題，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，同時有利于實現實驗教學的全過程考核。

2.2.3 開發虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗是基于計算機仿真技術創建的一個集視覺、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，在實驗教學中發揮著的積極作用，是教育信息化的重要組成部分[12-13]。結合本院實驗教學的具體情況，課程組自主研發了“放射性同位素標記抗體技術”和“漆酶的異源表達及固定化漆酶在苯酚廢水處理中的應用”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用”為例，在傳統生物化學實驗中，沒有開設基因工程和酶工程相關實驗，為了進一步拓展實驗教學內容的深度和廣度，實驗中心自主開發了虛擬仿真實驗，內容涵蓋了漆酶的基因克隆與異源表達、漆酶的發酵生產、漆酶的固定化技術和固定化漆酶在苯酚廢水處理中的應用。該虛擬實驗有效地解決了酶的環境治理綜合性實驗設備昂貴，操作復雜，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、工業化生產和應用等知識。利用虛擬仿真軟件，學生可以自主設計實驗方案，充分利用網絡資源完成綜合性實驗的有效訓練，深入了解酶學原理與酶工程的微觀發生機制。整個實驗過程中都有相應的人機交互的學習指導和測驗考核，引導學生自主學習。學生調查問卷結果顯示，虛擬仿真實驗能夠創造一個效果良好的教學環境，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

傳統的教師講授知識式的教學方法不利于學生發揮其主觀能動性，為了充分激發和調動學生的學習積極性，教師在課堂上引入引導式、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，結合生物化學基本知識進行分析，激發學生的好奇心和求知欲；用聯想、比較的教學方法串聯之前的實驗內容，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容的方式，提高學生的學習興趣，同時檢驗學生的預習效果。在實驗的關鍵環節設置一些開放性問題，引導學生獨立思考、自主思維；采用討論、探究的方法引導學生討論實驗操作中的難點和易錯環節，增強學生分析解決問題的能力。教學結果表明，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

實驗考核是教學內容的重要組成部分，能夠有效地激勵學生高質量地完成實驗教學任務。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。教師在對教學內容和教學方法進行改革的基礎上，對原來的以成績為導向的考核方式進行改革，借助信息化手段，搭建以創新思維、探究能力為導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、實驗報告相結合的形式。平時成績包括課前預習、上課考勤、基本實驗素質等內容；操作考核主要針對儀器操作規范性，實驗操作易錯點、實驗注意事項、實驗現象的觀察與記錄等進行考核；在實驗報告評分時降低實驗目的、方法等要素的評分比例，增加實驗現象的觀察與描述、討論部分的權重，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與實驗教學的有機融合。本文介紹了基于信息化技術的生物化學實驗課程改革與實踐經驗，從優化和更新傳統實驗內容，數字化教學資源的建設與應用，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與應用，以及數字化教學資源在生物化學實驗教學中的應用情況。教學實踐表明，基于數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。