基于“互联网+”的分子生物学实验教学体系改革

曾颖玥，牟 藤，朱春玉，刘诗迪，刘宏生

（1.辽宁大学生命科学院；2.辽宁大学药学院，辽宁沈阳 110036）

0 引言

生物学研究已全面进入微观时代，分子生物学的蓬勃发展对世界生物学研究有重要的促进作用。分子生物学是生物学专业核心课程，其专业知识、技术原理、实验方法渗透至生物学科各领域［1］。分子生物学实验课程可帮助学生在实践过程中理解分子生物学经典原理与实验手段，构建完整的生物学实验技能体系，提高独立思考能力与动手能力，为其今后升学或从事相关工作奠定坚实的基础［2］。

1 教学现状

1.1 教学现存问题

（1）学生缺乏课程沉浸。传统实验课程授课模式为教师利用PPT、黑板板书等进行实验原理与步骤讲授，学生按部就班进行实验，最后根据实验结果撰写实验报告。在整个教学环节中，学生缺乏课前预习，单方面接受教师给予的信息，无法对原理和步骤进行有效思考。在实验报告撰写时仅机械展示实验结果，没有对其进行深入分析。

分子生物学实验相对于其它生物学科专业实验课，更加微观、抽象。不仅加入的试剂量非常少，也无法像其它课程一样可直观观察实验结果，需要用电泳、染色等技术手段展现，让学生有一种“看不见、摸不着”的感觉，难以激发学生对实验目的、实验步骤设置的详细原理、具体步骤操作要点的积极思考，他们更关心实验完成速度及实验报告分数。学生缺乏实验课程“沉浸感”，极不利于其后续学业深造或指导工作实践。

（2）缺乏创新培养模式。在传统教学实验课程上学生大多是机械式学习，完成既定步骤后把黑板板书抄在实验报告上，按照指令使用实验结果图片、得出分析，该模式难以培养学生创新能力、动手能力，无法实现融会贯通，学以致用。

（3）缺乏新型教学素材。分子生物学实验课程技术难度大，要点繁多，教师利用课堂讲解、板书、PPT 等教学手段无法清晰阐述深奥抽象的实验原理，也无法让学生们真正理解实验操作要点［3］，学生们在知识点记忆、运用与创新方面难以达成教学目标。分子生物学实验课程课件大部分内容是通过文字描述步骤，学生无法直观理解该如何作实验。如果教师进行一部分现场演示，在学生人数较多时，大部分学生无法近距离清楚观察老师的示范教学。因此亟待一种新型教学素材，使学生可更直观地看到实验示范教学步骤。

1.2 教学改革相关研究

基于“互联网+”进行高校课程改革是研究热点，教师普遍认可借助“互联网+”平台进行生物学课程的必要性与应用价值。目前“互联网+”软件、平台上，包括“雨课堂”、“慕课”、“虚拟仿真技术”等备受关注。

1.2.1 “雨课堂”与分子生物学实验教学

“雨课堂”是近年来应用范围较广的“互联网+”教学平台。该平台可连接即时通讯软件“微信”及文档处理软件“Powerpoint”，可以在电子设备上直接进行授课、讲解、考试、签到等多项课堂相关内容［4］。

贺铭等［5］利用“雨课堂”在分子生物学实验中对聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）实验进行了综合应用，包括课前预习、课后答疑等，结果显示医学生对“雨课堂”软件的使用体验为满意及以上的学生占比高于80%。但该研究只是利用了一个小型分子生物学实验进行雨课堂功能示范，并没有将“雨课堂”软件完整地融合进分子生物学实验课程中。

1.2.2 “慕课”与分子生物学实验教学

慕课，即大规模在线开放课程（Massive Open Online Course，MOOC）。我国最大的慕课平台是“中国大学MOOC”，汇集了我国著名高校大量免费优秀课程资源，可供大众免费使用。随着慕课平台的兴起和普及，其逐渐成为教学改革研究热点之一［6］。

刘丽莉等［7］使用基于“线上MOOC+异步SPOC 课堂”融合“线下实验”的混合教学模式，对分子生物学实验课程教学进行了研究，利用慕课平台的资源，在线上对学生进行理论知识讲解和线上实验、习题测试，之后在线下完成实验和结果分析。评价则使用线上考勤与线下实践动手相结合的模式；王小龙等［8］录制69 个课程视频，在“智慧树”MOOC 平台上开设齐齐哈尔医学院生物化学与分子生物学在线课程，组织学生使用MOOC 课程预习，进行章节自测及讨论区讨论。结果显示，实验班级期末成绩显著优于对照班级（p＜0.001），课程满意度高达95%。

目前，线上MOOC 和线下实验教学相结合的混合教学模式是研究热点，但存在学生线下学习监督力度不够以及MOOC 课程时间、内容和自身课程计划匹配度不高等问题。

1.2.3 虚拟仿真技术与分子生物学实验教学

目前，随着多媒体设备和互联网的蓬勃发展，虚拟仿真教学逐渐成为重要的实验教学辅助方式，利用“互联网+”和虚拟仿真软件，尽可能逼真地模拟实验过程，并利用人机互动模式让学生在虚拟平台上进行实验和学习［9］。

姚庆收等［10］认为在分子生物学实验中可加入虚拟仿真技术促进师生互动，提升教学质量，以便选择高难度实验，节约实验经费及提高实验教学安全性；刘灵等［11］认为虚拟仿真实验项目建设对分子生物学实验教学有诸多益处，如可推广现实中难以开展的大型实验，节约成本；学生可反复练习，巩固所学知识，并且实现远程学习，还可培养学生思考能力和创新能力，激发学生探索精神。

然而以上两个虚拟仿真相关研究均处于设想阶段，暂未进入实际操作阶段，对于在实际操作阶段可能出现的问题、对学生的帮助程度等均有待进一步探索。

综上所述，本文融合多维“互联网+”的内容、素材、思政、平台及评价，创新性地构建基于“互联网+”的沉浸融合式教学体系，并在分子生物学实验课程上进行应用。

2 教学体系构建

本文提出基于“互联网+”的“沉浸融合式”新型教学体系，使用融合化的教学内容与“互联网+”素材，结合思政要素，利用“互联网+”教学平台完成课堂讲授，并且最后给出多样化评价，如图1 所示。该教学体系可让学生沉浸在课堂中，融合多类型学习素材，充分利用“互联网+”，更有效地实现教学目标。

Fig.1 Immersion and integration teaching system based on“Internet plus ”图1 基于“互联网+”的沉浸融合式教学体系

2.1 多重“互联网+”内容融合

（1）融合理论课程内容。实验课程的目的是理解理论课程内容、掌握实验操作原理。理论知识不仅可让学生形成完整的专业知识体系，同时有助于学生掌握实验操作；实验实践不仅可锻炼学生创新能力、动手能力，同时也有助于学生理解课程内容。两者相辅相成，共同完成学生专业课程知识理解［12］。在基于“互联网+”的沉浸融合式教学体系中，与理论课程的融合显得尤为重要。授课教师可与分子生物学理论课程授课教师进行深度沟通，在理论课程授课教师完成相应内容讲解后，再配合进行实验。如在讲授脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）的复制与DNA 聚合酶时，教师可提前利用视频等“预告”实验课，展示PCR 对DNA 的体外扩增过程，辅助学生对理论知识的理解和记忆，同时使理论知识直观投射于实际运用，培养学生在操作中观察、思考的能力。

（2）融合综合性实验。传统教学中分子生物学实验被划分为短小的独立实验，但很多实验结果可成为后续实验材料，因此可构成完整的实验体系。本文把分子生物学实验教学构建为一个完整大型实验，在第一次教学时讲解整个分子生物学实验系统性与综合性，并利用“互联网+”素材进行深度剖析和应用讲解。同时，学生每次使用前次实验DIY 成果，不仅给课程增添了竞争感和趣味性，同时也使学生对分子生物学实验进行了综合应用。

（3）融合创新性实验。实验教学的重要目的之一是培养学生创新能力。在分子生物学实验中，可融合教师课题中的内容进行综合性实验［13］。本文实验材料来源于教师主持的省级课题。在片段设计、引物设计、酶切位点设计时教师可针对课题科研内容进行讲解。在课程授课时设计专门一节内容（目的蛋白的诱导、表达与检测），将学生分成4 人小组，根据老师给出的信息，查找资料，进行实验优化设计，自行设置加入的诱导物IPTG 浓度、诱导温度、诱导时间等3 个参数完成实验，并进行结果比较分析。教学设计充分调动了学生积极性，不仅有助于学生主动掌握实验原理与实验步骤，培养了信息获取能力，更增加课程趣味性、研究性与创新性。

2.2 多元“互联网+”素材融合

（1）融合“互联网+”来源素材。教师可选用的素材多样，可依据学生喜好，充分挖掘多样化、有趣的教学素材，如可从视频网站下载PCR 原理3D 动画原理讲解、趣味性分子构建整体原理等，学生更容易接受。

（2）融合“互联网+”自制素材。在缺乏相应素材时，教师可针对性地自制素材。笔者针对本校分子生物学实验的内容，制作了一套完整的9 个实验操作视频，如图2 所示。在实验中进行器材试剂、实验操作展示，同时按照课程内容利用“互联网+”平台进行传播，比如QQ 群、微信群、雨课堂等，学生可快速了解实验操作步骤、实验操作要点，有助于在课堂讲授时加深理解，获得理想的实验结果。

（3）融合“互联网+”直播素材。目前，许多线下学术论坛、教学论坛改为线上或者直播形式，促进了线上学术交流常规化。比如“知识分子”网站便与全球分子生物学发源地“冷泉港”实验室合作，进行了交流直播。教师可将这些高质量资源并分享给学生，以便开展在线下自学。

Fig.2 A screenshot of the teacher’s self-made experiment operation video图2 教师自制实验操作视频

2.3 多样“互联网+”思政融合

为在潜移默化中对学生进行正确人生观、价值观与世界观的培养，进行科学精神、创新思维、动手能力与“新时代中国梦”的社会责任感培养，践行社会主义核心价值观，推动专业教育、实践过程与思政育人的有机融合，将分子生物学实验的教学效果发挥到极致，应深入挖掘分子生物学实验课程中丰富的思政元素。

（1）融合榜样人物思政内容。在分子生物学实验技术的研发历史中，有许多值得大家学习的榜样人物。比如对学生进行分子构建实验应用讲解时，可以着重讲述2017年国家最高科学进步奖获得者侯云德院士的故事，侯院士一生求学为国，艰苦奋斗，利用分子生物学实验基础手段——分子构建，制作出了中国第一支基因工程药物人干扰素α-1b，开创了我国生物药品新篇章［14］。中国中央电视台拍摄了不少关于侯云德院士个人事迹的纪录片，可以在课后作为补充材料给学生们观看。

（2）融合创新思维思政内容。创新能力是在科学研究时不可或缺的能力，也是实验课程教学目标之一。在分子生物学实验课程中，可以融合讲解创新思维的思政内容。比如在讲解PCR 技术时，可以讲述30 年前科学家需要手动进行PCR 实验的困难，以及科学家们对实验技术持之以恒的改进，才有了现在先进简便的自动化PCR 仪。

（3）融合价值观思政内容。科学是容不得半点虚假的。在实验过程中，出现与预定结果发生偏差是难以避免的，这时要引导学生尊重实验事实，保持良好的科研诚信和科研道德，秉持诚信的人生态度对结果进行详细分析。

（4）融合“中国梦”思政内容。在我国现代化建设的历程上，有许多优秀的前辈在为我们创造美好的明天。今日之所学在今后都有可能成为我国复兴道路上的一颗螺丝钉，为“中国梦”的实现贡献自己的力量。

2.4 多层“互联网+”平台融合

（1）融合“雨课堂”平台。有许多教育工作者把“雨课堂”作为线上授课工具。然而分子生物学实验作为一门实验实践课程，很难全部利用线上平台进行授课，但是在“沉浸融合式”教学体系当中，“雨课堂”可以辅助教师完成很多授课环节。比如在进行签到和随堂小测验时，可以利用“雨课堂”进行签到和答题，避免了传统纸质签到、答题的复杂步骤，并且随时对出勤率和测验成绩进行了记录。

（2）融合慕课平台。慕课平台是高校精品课程在线学习平台。目前慕课平台上只有一门分子生物学实验课程，开课单位是北京师范大学［15］。这门课获得众多好评，实验技术涉猎较广，既包含基础的无菌操作和经典分子构建实验，还包括高阶的Southern 杂交等，不仅为学生实验操作提供示范流程，还可以通过虚拟仿真项目让学生按照操作模拟的方式完成实验过程。然而慕课系统也有一定局限性，比如开课周期过长（2 月初—8 月中旬），学生难以保证参与完整的教学。线上无法真正模拟实验，对实验分析效果较差。但慕课平台经典课程可作为线下教学的补充内容，供学生课外学习。

（3）融合微信群平台。各种专业线上教学平台之外，QQ 群、微信群等传统即时通讯班级群依然是“互联网+”平台中不可或缺的组成部分。教师可通过微信群在每次上课前发送操作视频、原理动画等“互联网+”素材，获得学生反馈，并在实验结束后，利用微信群进行结果图片讲解，避免了几十个学生围着一台测试仪器观察结果的情况，保证每个学生都有机会了解实验结果。当代大学生非常熟悉网络环境，相对于线下正式授课，他们更习惯在社交媒体上向老师提问，教师也可针对性地进行答疑，并观察统计学生自学情况与课程参与度。

2.5 多维“互联网+”评价融合

在沉浸融合式教学体系下，对学生的评价不能仅由出勤、实验报告、期末实验操作等组成，而应构建综合性更强的多维评价模式。

（1）课前预习效果评价。在沉浸融合式教学模式下，教师会利用各种“互联网+”方式发送多样化预习自学资料，比如文字资料、原理动画、操作实验等。为了确保学生在课下认真预习，保证课上授课质量，教师可利用多种方式进行课前预习效果评价，如利用“雨课堂”平台，在上课之初进行1 个3～5 题的课前预习关键内容测验。如在“重组质粒的大肠杆菌感受态热激法转化”章节中，可提问热激法热激温度和时间分别是多少？这样的课前预习效果评价不仅可以促进学生课前自学，保证课堂授课效果，同时帮助学生理解实验原理，提高实验完成度。

（2）综合创新能力评价。由于实验报告在实验原理、实验步骤有高度一致性，很难对学生有区别性评价。基于“互联网+”的沉浸融合式教学体系下教学内容增添了综合性和创新性内容与相应评价方式。比如在创新性实验课程时，实验报告需按照科研实验设计及报告模式，增加参考文献、设计思路等部分，对实验设计思路、方案、结果进行综合性展示，对结果进行深入分析。这部分展示可在学期末利用PPT 或腾讯会议等新型方式，为学生提供展示机会。

（3）课程参与表现评价。结合线上预习、答疑、测验，与线下课程中的参与表现进行考核。如线上和老师讨论的频率与深度、向老师提出独立思考的问题次数、实验态度、团队协作能力、实验安全、实验危险品及废品处理方式等方面进行全方位考察。

3 实践结果

3.1 要点掌握度

在2016 级分子生物学实验教学班级1、2（实验组1，2018-2019 年第一学期授课，N=49）与2017 级分子生物学实验教学班级1、2（实验组2，2018-2019 年第二学期授课，N=46），使用“沉浸融合式”教学体系授课；在2016 级分子生物学实验教学班级3、4（对照组1，2018-2019 年第一学期授课，N=47）与2017 级分子生物学实验教学班级3、4（对照组2，2018-2019 年第二学期授课，N=46），使用传统经典授课体系授课。两者仅在课前预习内容、上课授课模式、课后答疑方法等方面有不同，在教材选用、课程主线、教师与实验师、学时、理论课知识、评价办法等方面无明显区分。

在课程结束后，教师对学生的要点掌握程度进行测试。要点掌握程度分为实验理论要点和实验操作要点两部分，两部分考核要点均为10 个，每个要点1 分，满分10分。对这两部分进行统计后发现，在实验理论要点成绩方面，对照组1 为7.23±0.28，实验组1 为7.98±0.24，对比对照组有显著性（p＜0.05）升高，升高比例为10.0%；对照组2为7.50±0.25，实验组2 为7.98±0.22，比对照组升高6.4%但是不显著。在实验操作要点成绩方面，对照组1 为8.30±0.20，实验组1 为8.83±0.15，对比对照组有显著性（p＜0.05）升高，升高比例为6.4%；对照组2 为8.09±0.20，实验组2 为8.67±0.17，对比对照组也有显著性（p＜0.05）升高，升高比例为7.2%（如图3 所示）。该结果表明，基于“沉浸融合式”教学模式的分子生物学实验教学使学生对理论要点及实验操作要点的掌握更牢固，教学效果有所提升。

Fig.3 Mastery of experimental theoretical knowledge and operation（* means p＜0.01，ns means non-specific）图3 要点掌握度（*表示p＜0.01，ns 表示差异不显著）

3.2 学生好评度

在实验组1 和实验组2 的学生中匿名发放分子生物学教学效果的调查问卷（N=95），共回收有效问卷87 份，问卷有效回收率为91.6%。结果表明，整体上93.1% 的学生对基于“互联网+”的沉浸融合式教学的教学模式满意。在分项上，认为课前“互联网+”学习素材有用的占比为89.7%，认为课后网络答疑有用的占88.5%，认为创新实验内容有用的占比为82.8%。94.3% 的学生认为课堂气氛好，90.8% 认为授课教师教学状态令人满意。82.8% 认为课堂实验原理收获比较大，87.4% 认为在实验操作方面收获比较大，92.0% 的学生则认为授课方式能够满足分子生物学实验需求。以上结果表明，学生对基于“互联网+”的沉浸融合式新型教学模式满意度较高，授课效果较好。

4 结语

通过本研究实践结果可以看出，在基于“互联网+”的沉浸融合式新型教学体系下，学生对分子生物学实验相关基本理论、实验操作等掌握得较好，教学质量有所提高，学生对课程满意度也较高。这对于学生在今后学习工作中独立设计实验、独立完成实验、分析实验结果都有着重要作用，培养了学生的科学思维、创新能力、动手操作，达到了教学相长的目的。

然而，在该模式下还有一些问题亟待解决。第一，实验内容选择的制约。分子生物学实验经典实验需要教授，如何能够在有限的资金、课程时间内融合创新性实验内容，需要授课教师的仔细规划。第二，教师个人能力的制约。本体系使用了大量“互联网+”平台与元素，对任课教师特别是年级较大的任课教师的个人能力有一定要求，需要教师具有坚实的专业基础、较高的综合素养以及紧跟时代的敏锐性。任课教师需要一定时间和精力对教学经验进行积累，选择合适的教学素内容、素材和平台。第三，学生主观能动性的制约。虽然教师精心准备了自学素材与课堂素材，但学生线上缺乏约束，很难保证学生的自学效果与课堂教学效果。如何能够让学生发挥更多的学习主观能动性，也是一个重要议题。